DE69622379T2

DE69622379T2 - Erkennung und Korrektur von spiegelnden Reflexionen in der digitalen Bilderfassung

Info

Publication number: DE69622379T2
Application number: DE69622379T
Authority: DE
Inventors: Nick Geybels; Earle Stokes; Koen Van De Poel
Original assignee: Agfa Gevaert NV
Current assignee: AgfaPhoto GmbH
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: JP3034226B2; JPH1098678A; EP0810551B1; DE69622379D1; EP0810551A1

Description

ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft:Einrichtungen und Verfahren zur Erfassung spiegelnder Reflexionen in Szenen im echten Leben oder auf ausgedruckten Bildern. Insbesondere betrifft die Erfindung die Gradationskorrektur von durch eine Digitalkamera von einer Szene, die kleine Zonen mit spiegelnder Reflexion umfaßt, erfaßten digitalen Bildern.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Wenn durch eine elektronische Kamera von einer beleuchteten Szene fotografische Aufnahmen gemacht werden, so kann es in dem relevanten Bildbereich oder Bildgebiet zu. spiegelnden Reflexionen der Beleuchtung bei stark reflektierenden zu fotografierenden Objekten kommen. Insbesondere runde Objekte, wie etwa Flaschen, die Karosserie eines Wagens und Auspuffrohre von Wagen oder Motorrädern können durch. Reflexion von Studiolampen kleine, sehr helle Flecken verursachen. Die in Lumen/(Steradian.m²) ausgedrückte Helligkeit derartiger Flecken kann bis zu achtmal größer sein als die hellste Oberfläche, die das Licht der Beleuchtung streut. Ein spiegelnd reflektierendes Objekt kann als ein Objekt angesehen werden, das mehr Licht reflektiert als ein weißes Objekt. Es wurde in Erfahrung gebracht, daß etwa ein Drittel der Kameraaufnahmen durch eine spiegelnde Reflexion beeinträchtigt sind. Die spiegelnde Reflexion in ebenen Objekten kann durch geringfügiges Bewegen oder Drehen des Objekts vermieden werden. Bei gekrümmten oder runden Objekten hingegen, wie etwa Flaschen, Röhren, kugelförmigen oder zylindrischen Objekten, ist es möglicherweise sehr schwierig oder unmöglich, das Objekt derart zu bewegen oder zu drehen, daß die spiegelnden Reflexionen total eliminiert werden. Spiegelnde Reflexionen können aber auch durch Auftrag einer Antireflexbeschichtung auf die spiegelnden Objekte verringert werden, doch erfordert dies von dem Fotografen unterschiedliche Geschicklichkeiten und ist recht zeitraubend. Das Anordnen von Schirmen, um ein Blenden durch glänzende Oberflächen zu verhindern, ist möglicherweise zu umständlich.
Spiegelnde Reflexionen sind insbesondere in der digitalen Fotografie, wo eine Digitalkamera für die Erfassung eines Bilds aus einer Szene verwendet wird, ein Problem. Selbst wenn die Beleuchtungsbedingungen so gewählt werden, daß die Lichter so positioniert sind, daß man über die ganze Szene hinweg eine gleichmäßige Beleuchtung erhält, so kann die Beleuchtung der Szene trotzdem zu einem spiegelnden Blenden durch die Lichter führen. Es ist kaum zu vermeiden, daß ein kugelförmiges oder zylindrisches Objekt einen blendenden Teil aufweist, der durch Beleuchtung von den verschiedenen Lichtquellen spiegelnd reflektierende Spitzlichter verursacht. Ein Spitzlicht ist ein heller Bereich in einem Bild. Spitzlichter können entweder durch eine diffuse Reflexion oder eine spiegelnde Reflexion verursacht werden. Das Beleuchtungsverhältnis kann durch spiegelnde Reflexion schwerwiegend gestört werden. Das Beleuchtungsverhältnis ist das Verhältnis der Beleuchtung in dem dunkelsten Schatten (zumindest denjenigen, die sichtbare Details darstellen sollen) zu den hellsten Spitzlichtern. Bei Bildreproduktionen ist üblicherweise eine Beleuchtungsdifferenz gleich 4¹/&sub2; Blenden sichtbar. Die Blendenzahlen oder f-Zahlen sind üblicherweise als diejenigen Zahlen bekannt, die auf dem Tubus einer Linse erscheinen und die verschiedenen, zur Verfügung stehenden Blendengrößen darstellen.
Die Apertur ist die kreisförmige Öffnung oder Blende in der Linse, die die Lichtmenge bestimmt, die passieren darf, um den lichtempfindlichen Film oder die lichtempfindlichen Elemente zu erreichen. Eine kleine Apertur entspricht einer großen f-Zahl, und zwar für eine größere Schärfentiefe. Die Schärfentiefe ist die annehmbar scharf eingestellte Entfernung, die sich sowohl vor als auch hinter dem eigentlichen Brennpunkt erstreckt. Sie variiert je nach der ausgewählten Apertur, der Brennweite der Linse und der Brennweite. Durch eine kleinere Apertur, eine kürzere Brennweite oder größere Brennweite wird die Schärfentiefe erhöht. Erfahrene Fotografen haben ein gutes Gefühl für die erforderliche Apertur für eine gegebene Entfernung der Szene und eine Entfernungsvariation innerhalb der Szene.
Wenn der Aperturring um eine Blende (beispielsweise von f/4 auf f/5.6) hoch bewegt wird, wird die Apertur kleiner und die die Linse passierende Lichtmenge halbiert. Wenn der Durchmesser der Apertur um einen Faktor von 1,4 = 2 reduziert wird, reduziert sich ihre Fläche um einen Faktor 2. Eine derartige Reduktion kann durch Verdoppeln der Belichtungszeit oder durch Verdoppeln der Lichtstärke der Beleuchtung kompensiert werden. Durch Dividieren der Brennweite der Linse durch den effektiven Durchmesser der Apertur erhält man die Blendenzahl. So würde beispielsweise eine 110 mm-Linse und ein Aperturdurchmesser von 10 mm gleich f/11 sein.
Bei der automatischen Einstellung der Belichtungszeit der Kamera können spiegelnde Reflexionen zu Problemen führen. Bei einer Digitalkamera kann die Belichtungszeit durch Software gesteuert werden. Bei CCD-Kameras entspricht die Belichtungszeit im Grunde der Auslesezeit des CCD. Auf der Grundlage der Helligkeit der spiegelnden Reflexionen wird die Belichtungszeit möglicherweise zu kurz gewählt, was zu einer offensichtlichen Unterbelichtung des nützlichen Bildbereichs führt. Wenn die Belichtungszeit zu kurz ist, dann kann es außerdem zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis kommen, was das digitale Bild unscharf macht. Durch Erhöhen der Belichtungszeit oder Ladungsintegrationszeit können herkömmliche CCD-Sensoren Blooming-Probleme ergeben. Wenn die Belichtungszeit korrekt eingestellt wird, um die spiegelnden Reflexionen zu bewältigen, wird dadurch ein Blooming von CCDs vermieden, doch wird die Hauptszene zu dunkel. Wenn die Belichtungszeit für die "Hauptszene" korrekt eingestellt wird, dann führt dies dazu, daß die Hauptszene gut aussieht, kann aber bei CCD-Arrays zu Blooming-Effekten führen. Dadurch werden Spitzlichter "ausgebrannt", d. h. in den Spitzlichtbereichen ist kein Detail sichtbar.
Der Dynamikbereich ist ein Maß dafür, mit welcher Breite ein Sensor die Leuchtdichte (z. B. Helligkeit) eines Gegenstands präzise reproduzieren kann. So gut wie jede Digitalkamera kann einen größeren Bereich an Helligkeitswerten erfassen, als die gedruckte Seite reproduzieren kann. Die Software oder Hardware muß deshalb den gesamten Bereich der Helligkeit der Szene zu einem Bereich komprimieren, den Druckeinrichtungen reproduzieren können. Diese Fähigkeit wird als Tonkompression bezeichnet. Dazu können verschiedene Einrichtungen verschiedene Eingabe-Ausgabe-Kurven verwenden. Durch die Tonkompression wird allgemein der Verlust entweder der Spitzlichter oder der Schatten vermieden, wobei in den mittleren Tönen weiterhin ein annehmbarer Kontrast aufrechterhalten wird. Die resultierende Tonkurve kann S-förmig sein und sich an den Enden abflachen und in dem Bereich der mittleren Töne eine größere Steigung aufweisen.
Der Fotografmacht möglicherweise mehrere Aufnahmen, wobei er die Linsenapertur, die Integrationszeit oder für lineare CCD-Arrays die Zeilenzeit, die Helligkeit der Beleuchtungsbedingungen und so weiter variiert.
In der Vergangenheit wurden mehrere Versuche unternommen, Tonkurven abzuändern, und zwar indem lediglich der Einfluß möglicherweise vorliegender spiegelnder Reflexionen vermieden wurde. Die in Santa Barbara, Kalifornien, USA, ansässige Firma MegaVision, Inc. führte Toneßall ein, ein Werkzeug zum Abändern der Tonkurve einer Kamera. Es besteht aus drei Holzkugeln, einer weißen, einer schwarzen und einer grauen, die zusammengeklebt sind. Im Gegensatz zu flachen Grauskalakontrollstreifen, die spiegelnde Blendung von den Lichtern einfangen können, ist Toneßall rund; somit kann der Fotografimmer auf der Kugel einen blendungsfreien Teil finden, auf dem er die Referenzfarben messen kann. Gemäß dem Toneßall-Verfahren werden spiegelnde Reflexionen lediglich vermieden, anstatt erfaßt und korrigiert zu werden, wie in der Beschreibung der unten folgenden Erfindung vorgeschlagen wird.
EP-A-0335419 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen von Spitzlicht- und Schattendichten auf der Basis eines kumulativen Histogramms von Dichtewerten in einer Vorlage. Eine einem vorgeschriebenen Referenzstatistikwert YHR zugeordnete Referenzdichte XHR wird mit einer vorgeschriebenen Schwellwertdichte XHs verglichen, um ein von zwei möglichen Verfahren zum Festlegen einer Gradationskorrekturkurve auszuwählen. Das in diesem Dokument des Stands der Technik beschriebene Verfahren findet lediglich heraus, ob die Verteilung der Spitzlichtdichten "normal" oder "anormal" ist. Eine große Häufigkeit oder Frequenz von Spitzlichtdichten würde das Bild als normal klassifizieren und eine übliche Gradationskorrekturkurve auswählen. Eine geringe Häufigkeit von Spitzlichtdichten würde eine außergewöhnliche Verarbeitung für eine anormale Vorlage einleiten, und zwar indem die Gradationskurve so verschoben wird, daß die Gradationskorrekturkurve an ihrem Spitzlichtende keinen nutzlosen Teil enthält. Spiegelnde Reflexionen ergeben jedoch eine bemerkenswerte Häufigkeit von Spitzlichtdichten und erfordern somit eine außergewöhnliche Verarbeitung gemäß dem unten beschriebenen Verfahren.
In US-A-5,387,930, das sich um ein Bilderfassungssystem auf dem Gebiet der industriellen Bildverarbeitung handelt, erhält man durch Interaktion zwischen der Bildquelle und der Bildverarbeitung optimale Szeneninformationen. Dies geschieht durch Optimieren eines der Entropie des Bildes zugeordneten Werts. Spiegelnde Reflexionen werden unter Verwendung der Breslaff- und Blake-Lambertschen-Nebenbedingung erfaßt, wobei der Dynamikbereich einer Szene durch Messen des Verhältnisses der Intensitäten in zwei erfaßten Bildern gemessen und die Eigenschaften spiegelnder Reflexionen hinsichtlich der Änderung der Farbe und Intensität relativ zu der Umgebung und der Brennweite des spiegelnden Spitzlichts oder der spiegelnden Reflexion verwendet werden. Die maschinelle Wahrnehmung weist andere Anforderungen als die Bildverstärkung zur visuellen Interpretierung durch eine Person auf.
In EP-A-0691627 wird ein Gradationskorrekturverfahren offenbart, bei dem, um in dem Bild die gewünschten Höchst- oder Mindestwerte zu erhalten, die Gradationskurve vergrößert oder reduziert und verschoben wird. Die Hauptanwendung liegt jedoch auf dem Gebiet der Verarbeitung von Röntgenbildern, und über den Einfluß von spiegelnden Spitzlichtern wird nicht berichtet.
In Photoshop (ein Warenzeichen der Firma Adobe, Inc.) steht eine "auto-level function" zur Verfügung. Wenn diese Funktion angewendet wird, werden "spiegelnde Reflexionen" als "Spitzlichter in der Hauptszene" angesehen und deshalb möglicherweise der Dynamikbereich in der "Hauptszene" derart komprimiert, daß zu viele Dichteschwankungen, obwohl sie ursprünglich in dem Rohbild vorliegen, durch die Gradationskorrektur verlorengehen. Die "Hauptszene" ist derjenige Teil des Bilds, der die relevantesten Informationen für den Fotografen enthält. Dazu können Text oder Logos auf teilweise spiegelnden Objekten usw. zählen. Außerdem kann die Tonkorrektur für verschiedene Farbkanäle unterschiedlich sein und deshalb die Farbbalance des digitalen Bilds verschlechtern. Wenn der hellste Fleck kein Neutralweiß aufweist, kann ein Farbstich auftreten.

AUFGABEN DER ERFINDUNG

Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Herauszufinden, ob in der Szene, deren Bild digitalisiert werden muß, spiegelnde Reflexionen vorliegen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einem Verfahren die Informationen über spiegelnde Reflexionen zum Einstellen der Aperturbreite und der Belichtungszeit oder Integrationszeit zu verwenden.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Berechnen einer Gradationskurve, die sich zur Korrektur eines digitalen Bilds eignet, in dem spiegelnde Reflexionen auftreten.
Aus der folgenden Beschreibung gehen weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung hervor.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die obigen Aufgaben werden durch die spezifischen Merkmale nach Anspruch 1 realisiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Bildpegel gesucht, der für spiegelnde Reflexionen spezifisch ist. Ein Bildpegel kann ein Dichtepegel oder ein Intensitätspegel sein. Bei einem Dichtepegel stellt der Pegel 0 üblicherweise Weiß dar. Positive Pegel stellen Graupegel bis zu Schwarz dar. Bei einem Intensitätspegel stellt der Pegel 0 Schwarz dar, wohingegen positive Pegel Grau bis zu Weiß darstellen. Bei Farbbildern entspricht Schwarz einem Vollton, wohingegen Weiß einer schwachen Farbe entspricht.
Ein Spitzlichtbildpegel ist derjenige Bildpegel, der die Intensität der hellsten Flecken in dem Bild darstellt, wobei eine Abstraktion von den spiegelnden Reflexionen vorgenommen wird, d. h., die spiegelnden Reflexionen entsprechenden Pixel werden aus dem Bild "entfernt".
Ein lichtempfindliches Mittel ist ein System, das die Energie von einfallendem Licht oder elektromagnetischer Wellen in der Nachbarschaft von sichtbarem Licht in elektronische Signale umwandelt.
Ein leuchtendes Bild ist üblicherweise das durch eine Linse oder ein Linsensystem gebildete Bild. Das Bild wird üblicherweise in einer Ebene projiziert.
Die Intensität eines leuchtenden Bilds kann in Lux ausgedrückt werden. Diese Intensität ergibt zusammen mit der Belichtungszeit die Belichtung, die die Energie darstellt, die in das elektronische Signal umgewandelt wird.
Da von dem Dichtepegel oder dem Intensitätspegel eine Abstraktion vorgenommen werden kann, ist es nützlich, den Absolutwert z-4 einer Differenz z-t zu nehmen, um sicherzugehen, daß das Ergebnis immer positiv ist. XL kann ein der geringsten Intensität in dem Bild entsprechender Pegel sein. Falls die geringste Intensität nicht explizit festgelegt wird, kann XL auch einem Extremwert aller einer geringen Intensität entsprechenden möglichen Bildpegel gleichgesetzt werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine spezifische Ausführungsform zum Durchführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 ein typisches Dichtehistogramm für ein spiegelnde Reflexionen umfassendes Bild,
Fig. 3 ein typisches kumulative Dichtehistogramm für ein spiegelnde Reflexionen umfassendes Bild,
Fig. 4 eine geeignete Gradationskorrekturkurve zur Bewältigung spiegelnder Reflexionen.
Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt werden soll. Sie soll im Gegensatz alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die möglicherweise in dem Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, enthalten sein können.
Die vorliegende Erfindung kann an einer Digitalkamera StudioCam durchgeführt werden. StudioCam ist ein Warenzeichen der Firma Agfa- Gevaert N. V, mit Sitz in Mortsel, Belgien. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Digitalkamera 21 ein abgetastetes Abbildungssystem, d. h. eine Einrichtung, die durch Abtasten eines Arrays diskreter Punkte oder entlang einer Menge diskreter Linien anstelle eines Kontinuums aus Punkten digitale Bildsignale erzeugt.. Die Abtastung an jedem Punkt erfolgt unter Verwendung einer Abtastapertur oder eines Abtastbereichs finiter Größe. Die Digitaikamera umfaßt eine Art von Lichterfassungseinrichtung 22, deren Ausgangssignal elektronisch gemessen werden kann.
Bei der sich für die vorliegende Erfindung eignenden Digitalkamera fällt durch die Linse 27 tretendes Licht auf ein Gitter lichtempfindlicher Zellen, die die Oberfläche eines CCD bilden. Je nach der Intensität oder Beleuchtungsstärke und der Belichtungszeit des auf jede Zelle auftreffenden Lichts überträgt das CCD ein elektrisches Signal variierender Stärke.
Ein CCD beziehungsweise ein ladungsgekoppeltes Bauelement bildet ein Array von lichtempfindlichen MOS-(metal oxide semiconductor)-Transistoren, die auf Belichtung elektronisch reagieren und Patente von Ladungen sequentiell speichern können. Nach einem Rücksetzimpuls, der aus vorausgegangenen Erfassungsvorgängen überflüssige elektrische Ladungen entfernt, wird bei einer Studiocam Licht durch ein Array aus 3648 Fotodioden als Bilderfassungselementen eingefangen, wobei in jeder davon eine elektrische Ladung während einer Integration, die tINT ist, aufgebaut wird. Die elektrische Ladung der Fotodioden wird durch einen Taktimpuls zu einem analogen CCD-Schieberegister übertragen. Die Ladungen in diesem Schieberegister werden seriell zu einem Signalausgabepuffer übertragen.
Das von dem Bauelement 22 erfaßte Licht kommt von einer Szene 20, die das Beleuchtungslicht von einer Lichtquelle 23, 24 reflektiert. Alternativ überquert Beleuchtungslicht, z. B. eine Halogenlampe, eine transparente Vorlage, und das durch das Bild auf der transparenten Vorlage gedämpfte Licht erreicht das Lichterfassungsbauelement 22.
Für die Digitalfotografie in der Praxis werden ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs), die in einer integrierten CCD-Einheit montiert sind und eine Lichtempfangsoberfläche aufweisen, bevorzugt.
Das bei dem Bildsensor 22 der sich für die vorliegende Erfindung eignenden Kamera 21 verwendete Lichtempfindliche Element wandelt in CCD-Zellen oder Bilderfassungselementen Belichtung durch Licht E-E, ausgedrückt in Lux.s fotoelektrisch in eine elektrische Ladung Q um, ausgedrückt in Coulomb. Die Belichtung E ist die durch eine Beleuchtungsstärke I (I ausgedrückt in Lux oder Lumen pro Quadratmeter) während einer kurzen Zeitdauer dem lichtempfindlichen Element dargebotene Lichtenergiemenge. Diese kurze Zeitdauer wird als die Integrationszeit oder Belichtungszeit bezeichnet. Die Belichtung steht somit zu der Integrationszeit, Belichtungszeit oder Verschlußgeschwindigkeit für Strahlenteilungskameras in Beziehung. Da die Belichtung E auch zu der Beleuchtungsstärke I in Beziehung steht, steht E auch zu der Helligkeit B der Lichtquelle 23, 24 oder der Szene 20 und der Apertur 25 der Kamera in Beziehung. Bei dem Verschluß 26 einer herkömmlichen Kamera handelt es sich um die Einrichtung, die den Augenblick der Belichtung und die zeitliche Länge steuert, während der Licht den Film belichten darf, um ein latentes Bild zu erzeugen. Bei einer Kamera auf CCD-Basis wird die Belichtungszeit durch an die Sensoren angelegte Zeitsteuerungssignale gesteuert. Die elektrische Ladung Q; ist außerdem eine lineare Funktion der Belichtungszeit. Da die elektrische Ladung Qi von einem Kondensator gespeichert wird, entspricht die elektrische Ladung Qi einer Spannung Vi.
Zur Fotografie von Stillebenprodukten wird ein abtastendes dreizeiliges Farb-CCD-Array mit 3mal 36413 Elementen verwendet, das ein Abtasten von farbigen und monochromen digitalen Bildern in einem Durchgang gestattet. Ein dreizeiliges Array besteht aus drei linearen CCD-Arrays, die Seite an Seite geklebt sind. Jeder CCD- Zeilenbildsensor besteht aus mehreren CCD-Elementen, die in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptabtastrichtung eindimensional angeordnet sind. Jedes Array wird von seinem eigenen Farbfilter bedeckt, in der Regel in Form eines über die lichtempfindlichen Zellen gestrichenen Farbstoffs. Um von einer Szene 20 ein komplettes digitales Bild zu erfassen, macht das Array einen einzelnen Durchlauf über die Bildebene, und jedes lineare CCD tastet jeweils eine Zeile ab, wobei es für jeden Sensor nacheinander eine rote, grüne und blaue Belichtung vornimmt, um die Bilder übereinander auszurichten.
Das dreizeilige Array kann wie bei einem Abtasten mit einem Durchlauf von einem Präzisionsschrittmotor bewegt werden. Dadurch werden die auch als Auszüge bezeichneten Farbebenen des digitalen Bilds verschachtelt, und der Computer muß die Zeilen neu ordnen. Der gesamte Prozeß wandelt das Bild aus der Szene 20 in eine farblich separierte Computerdatei um. Als solche die Ausgabe der Digitalkamera digitalisiert und farblich separiert. Die Anzahl der Schritte von Abtastzeilen ist gleich der Anzahl getrennter Belichtungsschritte, d. h. 4500.
Die Funktion der Linse 27 besteht darin, Licht von der Szene 20 auf die Bildebene 22 zu projizieren.
Bei einer herkömmlichen Kamera ist die Bildebene diejenige Ebene, in der der Film üblicherweise in der Kamera liegt. Die Ebene verläuft gewöhnlich im rechten Winkel zur optischen Achse, bei der ein scharfes Bild des Gegenstands in der Szene 20 gebildet wird. Das Kameraobjektiv 27 ist so ausgelegt, daß es Bilder genau in der Bildebene oder Filmebene fokussiert, um korrekt belichtete Bilder sicherzustellen. Bei Studiocam wird bevorzugt ein Nikon-Zoomobjectiv 35-80 mm/f4-5.6 verwendet.
Das auf die Lichtempfangsoberfläche des CCD-Zeilenbildsensors fokussierte einfallende Licht wird von dem CCD-Zeilenbildsensor fotoelektrisch für jedes Pixel in ein Bildsignal VCCD umgewandelt. Die analogen Spannungen des Bildsignals VCCD werden seriell zu einem analogen Register übertragen. In diesem Register wird die analoge Spannung durch einen 12 Bit-A-D-Umsetzer (Analog-Digital-Umsetzer oder ADU) digitalisiert. Die Bittiefe des Bildsensors beträgt somit 12 Bit. Bei Farbbildern führt dies zu 36 Bit pro Pixel. Wenn die 12 Bit in einer späteren Stufe auf 8 Bit reduziert werden, werden 24 Bit-Farbbilder erzeugt. Die an den Eingang des ADU angelegte analoge Spannung ist minimal, wenn die Intensität oder Beleuchtungsstärke I (bei einer festgelegten Belichtungszeit) des entsprechenden lichtempfindlichen Elements unter einer bestimmten Untergrenze lag. In einem derartigen Fall wird am Ausgang des ADU üblicherweise ein digitaler Wert von 0 geliefert. Wenn die Intensität I (wieder für eine festgelegte Belichtungszeit) eine spezifische Obergrenze erreicht, erreicht die an den Eingang des ADU angelegte analoge Spannung einen maximalen Wert, bei dem gesagt wird, daß der ADU in Sättigung übergeht. In einem derartigen Fall gibt der ADU traditionellerweise seinen größten digitalen Wert IMAX aus. Bei einem 12 Bit-ADU kann dieser maximale digitale Wert IMAX 4095 betragen. Da die von dem ADU ausgegebenen digitalen Werte der Intensität I des in das lichtempfindliche Element einfallenden Lichts entsprechen, werden diese digitalen Werte oftmals als "Intensitätswerte" bezeichnet. Die digitalen Werte aus dem 12 Bit-ADU liegen traditionellerweise in dem Intervall [0,4095]. Ein höherer digitaler Wert oder "Intensitätswert" entspricht einer höheren Intensität I des auf das entsprechende lichtempfindliche Element auftreffenden Lichts. Da die Belichtung E das Produkt aus Belichtungszeit tINT und Beleuchtungsstärke I oder Intensität ist, wohingegen die in dem lichtempfindlichen Element aufgebaute elektrische Ladung Q eine lineare Funktion der Belichtung E ist und die an den Eingang des ADU angelegte Spannung V eine lineare Funktion der elektrischen Ladung Q ist, ist auch der von dem linearen ADU erzeugte digitale Ausgangswert eine lineare Funktion der eingegebenen analogen Spannung V. Der digitale Ausgabewert oder "Intensitätswert" ist als solcher eine lineare Funktion der Beleuchtungsstärke oder Intensität für eine festgelegte Belichtungszeit und innerhalb des Dynamikbereichs von CCDs und des ADU. Die Intensitätswerte sind somit außerdem eine lineare Funktion der Helligkeit oder Beleuchtungsstärke des entsprechenden Teils der Szene.
Da spiegelnde Reflexionen zu einer hohen Beleuchtungsstärke I der. betroffenen lichtempfindlichen Elemente führen, werden hohe "Intensitätswerte" erzeugt. Die nachfolgende Erörterung konzentriert sich somit auf "hohe Intensitätswerte". Zur Erleichterung dieser Erörterung werden diese "hohen Intensitätiswerte" in den Ursprung der graphischen Darstellungen für ein Histogramm (Fig. 2) und ein kumulatives Histogramm (Fig. 3) bewegt. Der höchste "Intensitätswert IMAX" erhält als solcher einen Wert 0 und wird deshalb als ein "(optischer) Dichtewert" bezeichnet. Somit entspricht der "höchste Intensitätswert" dem "niedrigsten Dichtewert DNTN". Bei einem 12 Bit- System, wie es oben definiert wurde, kann die Beziehung zwischen "Dichtewert X" und "Intensitätswert I" durch folgende einfache Beziehung definiert werden:
X = 4095-I
Da die optische Dichte D eine logarithmische Funktion des Verhältnisses aus einfallendem Licht und reflektiertern Licht ist, gibt es keine wirkliche lineare Entsprechung zvaischen der "optischen Dichte D" der Szene und dem "(optischen) Dichtewert X", wie er hier oben definiert wurde. Ein derartiger "Dichtewert X" wird zur Vermeidung der Verwechslung mit einer (logarithmischen) Dichte oftmals als "Opazität" bezeichnet.
Von dem A-D-Umsetzer erzeugte digitale Daten werden vorübergehend in einem örtlichen Datenpuffer in der Kamera gespeichert.
Die weisen 12 Bit pro Farbe und pro Pixel auf, d. h. 36 Bit pro Pixel von der Kamera kommenden Rohdaten werden erfaßt. Da zur Darstellung eines digitalen Bilds 8 Bit pro Farbe und pro Pixel ausreichen, werden jeweils 12 Bit auf der Basis von Tonkurven, die durch den Host-Computer 28 gesetzt werden, in 8 Bit-Daten umgewandelt. Durch Veränderungen der Tonkurve wird gesteuert, wie die aus dem A-D-Umsetzer der Kamera kommenden 12 Bit-Daten auf 8 Bit-Daten abgebildet werden. Es muß sorgfältig vorgegangen werden, um den Plakateffekt zu vermeiden. Der Plakateffekt wird auch als "Tonunterbrechungen" oder "Quantisierung" bezeichnet.
Um die digitalen 12 Bit-Bilddaten aus dem digitalen Datenpuffer in der Kamera 21 zu dem Host-Computer 28 zu bewegen, wird eine SCSI- II-Verbindung 29 (Small Computer Systems Interface, Version 2) verwendet. Die Transferrate liegt in der Regel bei 1 Megabyte pro Sekunde (1 MB/s). Für die Erfassung des digitalen Bilds in dem Host- Computer wird bevorzugt die Abtastschnittstelle Agfa FotoLook verwendet. FotoLook ist ein Warenzeichen der Firma Agfa-Gevaert N. V. Die intelligente Agfa-FotoLook-Schnittstelle kann Belichtungsniveaus, den Kontrast, die Farbbalance und gegebenenfalls die vom Computer verbesserte Schärfe automatisch handhaben.
Bei einer alternativen Ausführungsform umfaßt die Kamera ein flächiges CCD mit farbigen Zellen. Die CCDs sind in einem rechtwinkligen CCD-Array angeordnet und können innerhalb sehr kurzer Zeit das ganze Bild erfassen. Direkt über den einzelnen Zellen des CCD-Arrays sind winzige Farbfilter angeordnet. Die Filter können aus Farbtröpfchen hergestellt sein. ActionCam (Warenzeichen der Firma Agfa- Gevaert N.V.) ist eine Digitalkamera mit einem flächigen CCD, das sich zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eignet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Beleuchtung der Szene variiert, die Größe der Apertur verändert oder die Integrationszeit optimiert werden. Wie oben gesagt kann durch Vergrößern der Apertur die Tiefe der Szene beeinträchtigt werden. Ein weiterer Nachteil von einer größeren Aperturen - entsprechend einer niedrigeren Integrationszeit oder Zeilenzeit - ist die Beschränkung von CCD-Sensoren bezüglich ihrer Reaktion auf gravierende Beleuchtungsüberlastungen. Angesichts extrem hoher Lichtüberlastungen "lecken" einige CCDs Ladung aus den überbelichteten Elementen in benachbarte Zellen. Dieses Phänomen wird als Blooming bezeichnet und zu seiner Verhinderung werden verschiedene Verfahren verwendet. Am häufigsten zeigt es sich als ein farbiger Saum um spiegelnde Reflexionen herum. Das Blooming des Sensors ist üblicherweise in dem roten, grünen oder blauen Kanal jeweils unterschiedlich, wodurch die farbigen Säume erzeugt werden, wenn bei einem Kanal mehr Blooming als bei den anderen auftritt.
Anstatt auf die "Verschlußgeschwindigkeit" einzuwirken, kann eine Digitalkamera vom CCD-Typ über eine Integrationszeit tINT arbeiten. Bei einer Digitalkamera mit einem oder mehreren Zeilenförmigen CCD-Arrays bestimmt die Integrationszeit tINT erheblich die Zeilenzeit. Eine typische Geschwindigkeitseinstellung oder Zeilenzeit für die StudioCam-Digitalkamera liegt pro Abtastzeile zwischen 20 und 50 Millisekunden [20-50 ms], um Beleuchtungsbedingungen und die Objektivapertur zu kompensieren. Die Zeilenzeit wird entsprechend der Lichtmenge in der Szene eingestellt. Die Kamera gestattet Belichtungseinstellungen im Bereich von 9 ms bis 100 ms. Eine geeignete Einstellung für eine minimale Zeilenzeit bei annehmbaren Rauschniveaus beträgt 15 ms. Nach der entsprechenden Wahl der Apertur ist eine Zeilenzeit zwischen 30 und 50 ms angemessener.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine vorläufige Belichtung oder ein "Prescan" durchgeführt. Das Prescan hat den Zweck, eine entsprechende Apertureinstellung und eine geeignete Belichtungszeit auszuwählen. Bevorzugt werden die Apertur und die Belichtungszeit derart ausgewählt, daß es im ganzen Bild selbst in Gebieten mit spiegelnden Reflexionen nicht zur Überbelichtung der lichtempfindlichen Elemente kommt. Auch das Blooming wird als solches vollständig vermieden. Bei der Auswahl der Apertur wird zwischen der Schärfentiefe und dem Lichtfluß ein Kompromiß gefunden.
Durch Schließen der Apertur kann für eine gute Schärfe die Schärfentiefe größer werden. Durch Öffnen der Apertur steigt der in die Kamera eintretende Lichtfluß an, was eine kleinere Belichtungszeit und folglich eine kürzere Bilderfassungszeit gestattet. Falls der Fotografbei der Einstellung der Apertur oder Belichtung keine Erfahrung hat, kann er von Hand eine dazwischen liegende Apertur auswählen und eine relativ kurze Belichtungszeit, d. h. 15 Millisekunden (15 ms) einstellen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Apertur durch einen Motor eingestellt werden, der durch auf dem Host-Computer und/oder auf der Digitalkamera laufende Software gesteuert werden kann. Es wird ein erstes vorläufiges digitales Bild aufgenommen, und die digitalen Daten werden von dem Host-Computer erfaßt. Wie unten dargelegt, wird ein Dichtehistoctramm (Fig. 2) für das vorläufige digitale Bild hergestellt. Aus eine r ersten Analyse des Dichtehistogramms ergibt sich, ob das Bild stark überbelichtet oder unterbelichtet wurde. Bei einer Überbelichtung wird der Fotografgebeten, die Apertur kleiner zu machen. Bei einer Unterbelichtung wird der Fotografgebeten, die Apertur größer zu machen. Eine Unterbelichtung ist beispielsweise dann offensichtlich, wenn auf einer vollständigen Skala von 4096 digitalen Pegeln nur die Pegel 0 bis 100 belegt sind. Falls eine Änderung der Apertur nicht angebracht ist, kann sich der Fotografentscheiden, bei einer Überbelichtung die Belichtungszeit zu senken oder bei einer Unterbelichtung die Belichtungszeit zu erhöhen. Alternativ kann die Leuchtintensität der Beleuchtung verkleinert beziehungsweise vergrößert werden. Eine Unterbelichtung kann durch die Tatsache erfaßt werden, daß in dem digitalen Bild ein großer Bereich von niedrigen Dichtepegeln völlig fehlt, was durch Beobachten einer Häufigkeitszählung von Null von den untersten Dichtepegeln bis zu einem mittleren oder höheren Dichtepegel von dem Dichtehistogramm abgeleitet werden kann. Eine Überbelichtung kann durch eine gravierende Konzentration digitaler Bildpixel mit dem niedrigsten Dichtepegel oder dem höchsten Intensitätspegel erfaßt werden. Falls mehr als 25% der Pixel den niedrigsten Dichtepegel aufweisen, dann ist das Bild eindeutig überbelichtet. Selbst wenn mindestens ein Pixel den höchsten Intensitätswert IMAX (bei einem 12 Bit-System = 4095) aufweist, kann der Fotograf darüber informiert werden, daß das lichtempfindliche Mittel überbelichtet ist. Der ADU bildet dann alle Intensitätspegel, die einem über dem höchstmöglichen Wert IMAX liegenden digitalen Wert entsprechen, auf diesen maximalen Wert IMAX ab. Falls alle Pixel einen unter dem höchsten Wert IMAX liegenden Intensitätswert aufweisen, liegt keine Überbelichtung vor. Falls wegen einer Überbelichtung oder Unterbelichtung eine Änderung der Apertur oder Belichtungszeit erforderlich war, ist möglicherweise ein neuer Prescan der Szene erforderlich. Ansonsten kann das erste erfaßte Bild in der Vorgehensweise wie unten dargelegt verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird von einer Histogrammzählerschaltung auf der Grundlage von Bilddaten, die durch einen Prescanvorgang mit geeigneter Apertur- und Belichtungszeiteinstellung erhalten wurden, eine statistische Kurve oder Dichtehistogramm Y = H(X) 35, wie in Fig. 2 erzeugt, wobei die Häufigkeit des Auftretens Y der digitalen 12 Bit-Bildsignale X gezählt wird. Ein Dichtehistogramm kann durch den folgenden Teil von Code in der Sprache C erzeugt werden:
Die von der Funktion get_pix_val() zurückgegebenen Werte X kommen bevorzugt direkt von dem A-D-Umsetzer. Ein Dichtehistograram H(X) zeigt die Verteilung von Grauwerten X von Bilddaten in einem digitalen Bild. Ein Histogrammgraph ist eine Kurve der Anzahl von Pixeln Y mit jeweils dem gegebenen Dichtewert X, gezeichnet über den Bereich aller möglicher Dichtewerte hinweg. Die Abszissenachse des Graphen ist die Dichte X. Die Ordinatenachse des Graphen ist die Häufigkeit des Auftretens Y von Pixeln mit der Dichte X. Ein Dichteintervall ΔX des Graphen ist eine Einheit der Dichtebreite, die zum Konstruieren des Dichtehistogramms verwendet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Breite des Dichteintervalls ein Dichtepegel, so daß ein Bauelement, das 4096 Dichtepegel liefern könnte, ein Dichtehistogramm mit 4096 Häufigkeitszählwerten ergeben würde, wobei jeder Zählwert einem Dichtepegel entspricht. Es ist jedoch außerdem möglich, mehr Zahlen individueller Dichtepegel in (bevorzugt zueinander disjunktiven) Dichteklassen anzuordnen und für jede Klasse einen Häufigkeitszählwert zu berechnen. So können beispielsweise die Dichtewerte 0 und 1 in einer ersten Klasse, die Dichtewerte 2 und 3 in einer zweiten Klasse, die Dichtewerte 2*N und 2*N+1 in einer (N+1)-ten Klasse usw. angeordnet werden. Das Histogramm gibt für jede Klasse wieder, wie in dem Bild zu dieser Klasse gehörende Dichtewerte auftreten. Klassen müssen nicht notwendigerweise die gleiche Anzahl von Dichtewerten aufweisen.
Zur Berechnung des Histogramms ist es außerdem nicht erforderlich, die Dichtewerte aller Pixel des digitalen Bilds zu verwenden. Das digitale Bild kann in einer oder zwei Dimensionen mit einem Faktor von Zwei, Drei, Vier oder mehr unterabgetastet werden, um den Pixelzählwert wesentlich zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform kann zur Berechnung des Histogramms jedes zweite Pixel übersprungen und jede geradzahlige Zeile gelöscht oder ausgelassen werden. Da das endgültige kumulative Histogramm bei einer bevorzugten Ausführungsform auf 100% normiert wird, werden andere Berechnungen durch diese Art der Berechnungsreduktion kaum beeinflußt.
Nach Fig. 2 erstreckt sich der Bereich möglicher Pixelwerte X horizontal, wobei die ganz rechte Kante Schwarz und die ganz linke Kante Weiß entspricht. Eine höhere Spitze bei einem gegebenen Punkt bedeutet, daß in dem Bild mehr Pixel diesen Wert als andere Werte aufweisen. Fig. 2 zeigt eine Simulation eines Histogramms für ein 12 Bit-Bild mit 4 Mega-Pixeln (4M), d. h. 4·20²&sup0; Pixeln.
Man beachte in Fig. 2, daß das Dichtehistogramm eine erhebliche Anzahl von Pixeln innerhalb des Dichtegebiets von 1400 bis 3600 zeigt, wobei relativ wenige in der Spitzlichtzone 0 bis 1400 liegen. Es gibt keine Pixel mit einem Dichtepegel von 0. Falls dies der Fall wäre, würden die lichtempfindlichen Elemente überbelichtet worden sein. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird dies bevorzugt durch Verkürzen der Belichtungszeit und Erfassen eines neuen digitalen Bilds vermieden, so daß keine Pixel einen Dichtepegel 0 aufweisen.
Aus dem Dichtehistogramm Y = H(X) kann eine kumulative Dichteverteilung Y = C(X) wie 40 in Fig. 3 abgeleitet werden. Ein kumulatives Dichtehistogramm zeigt eine kumulative Häufigkeit des Auftretens Y von Dichten X oder der Dichteverteilung auf einem Bild. Durch den folgenden Teil eines Codes in der Programrnierspracbe C kann aus einem Dichtehistogramm H(X) ein kumulatives Histogramm C(X) erzeugt werden:
C [0] = H [0];
für (i = 1; i < MaxDens; ++i) C [i] = C' [i-1] + H[i];
Wie in Fig. 3 gezeigt, die das kumulative Histogramm nach Fig. 2 darstellt, wird Y = C(X) bevorzugt in einer X-Y-Koordinatenebene mit einer optische Dichtepegel darstellenden X-Achse und einer eine kumulative Anzahl von Pixeln oder die kumulative Häufigkeit des Vorkommens Y hinsichtlich der Dichte X darstellenden Y-Achse definiert. Die Skala der Y-Achse wird bevorzugt auf einen Bereich von 0% bis 100% normiert. Dies kann dadurch erfolgen, daß jeder einzelne kumulative Pixelzählwert dividiert wird durch den größten Pixelzählwert oder Endwert Y~ auf der Y-Achse, bei dem das kumulative Histogramm Y = C(X) endet, der sich auf der rechten Seite des kumulativen Histogramms befindet, was gleich dem Gesamtpixelzählwert des vollständigen Bilds ist, in diesem Beispiel 4M. Als solche werden kumulative Häufigkeitswerte zwischen 0,0 und 1,0 erhalten, was mit einem Faktor von 100 multipliziert werden kann, damit man Prozentsätze [%] erhält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in Fig. 3 gezeigt werden
- ein erster vorgeschriebener Wert der kumulativen Referenzspiegelhäufigkeit Y&sub1;; und
- ein zweiter vorgeschriebener Wert der kumulativen Referenzspitzlichthäufigkeit Y&sub2;,
beide auf der Y-Achse, durch das kumulative Histogramm Y = C(X) konvertiert, damit man dadurch
- eine erste Referenzspiegeldichte X&sub1;; beziehungsweise
- eine zweite Referenzspitzlichtdichte X&sub2; erhält, beide auf der Dichteachse oder X-Achse.
Wahlweise wird der Endwert YMAX auf der Y-Achse, bei dem das kumulative Histogramm Y = C(X) endet, in die Enddichte XMAX auf der X- Achse umgewandelt, bei der das kumulative Dichtehistogramm Y = C(X) einen hundertprozentigen Endwert YMAX = 100% erreicht. Falls XMAX durch die obige Umwandlung nicht bestimmt wird, wird er bei dem Maximalwert vorbestimmt, der durch die die Dichtewerte erzeugende Vorrichtung erzielt werden kann. XMAX wir im folgenden als "Maximaldichte" bezeichnet.
Die Versuchspraxis hat gezeigt, daß der Wert der kumulativen Referenzspiegelhäufigkeit Y&sub1; bei Y&sub1; = 0,1% ausgewählt werden kann, während der Wert der kumulativen Referenzspitzlichthäufigkeit Y&sub2; bei Y&sub2; = 0,5% ausgewählt werden kann. Wie in Fig. 3 festgestellt werden kann, ist die Simulation bezüglich dieses Punktes nicht im Maßstab. Die entsprechende erste Referenzspiegeldichte X&sub1; entspricht dann dem Dichtewert von Punkten in dem spiegelnden Teil der Szene wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt. Die zweite Referenzspitzlichtdichte X&sub2; entspricht dem Dichtewert der hellsten Punkte der "Hauptszene", die auch als "Spitzlichtpunkte" bezeichnet werden. Die Hauptszene ist derjenige Teil der Szene, der keine spiegelnden Reflexionen umfaßt. Auch andere Werte für Y&sub1; und Y&sub2; sind geeignet, obwohl angemerkt werden kann, daß die Werte für Y&sub1; und Y&sub2; vorbestimmt werden müssen und den folgenden Ungleichungen genügen:
10&supmin;&sup5; < Y&sub1;
Y&sub1; ≤ Y&sub2;/2 und
Y&sub2; ≤ 0,1
Die obigen Konstanten 10&supmin;&sup5; und 0,1 entsprechen 0,001% beziehungsweise 10%.
Bei einer Szene, bei der spiegelnde Reflexionen recht gelegentlich vorkommen, anstatt spezifisch angestrebt zu werden, kann der erste vorgeschriebene Wert der kumulativen Referenzhäufigkeit Y&sub1; bevorzugt auf 0,0% bis 1,0% gesetzt werden. Der zweite vorgeschriebene Wert der kumulativen Referenzhäufigkeit Y&sub2; muß größer sein als der erste, d. h. Y&sub2; > Y&sub1;. Die Werte von Y&sub1; und Y&sub2; werden empirisch als kumulative Häufigkeiten in der Nähe eines Mindestwerts bestimmt, der unweigerlich eine typische Dichte einer Vorlage gemäß des Dichtecharakters der Vorlage ohne den Einfluß von Staub, Fehlern und dergleichen auf der Vorlage, der Szene oder in dem optischen Weg angeben kann. Es ist beobachtet worden, daß spiegelnde Reflexionen in der Regel nur in sehr kleinen Teilen der Szene auftreten. Ein sehr kleiner Prozentsatz der Gesamtfläche des digitalen Bilds wird als solcher durch die spiegelnden Reflexionen beeinflußt. Folglich sind die Werte von Y&sub1; und Y&sub2; nicht auf die oben angegebenen Bereiche beschränkt.
Es ist beobachtet worden, daß das kumulative Dichtehistogramm wegen der geringen Anzahl von Pixeln (kleine Fläche) mit einer im Vergleich zu der Hauptbilddichte signifikanten geringen Dichte eine deutliche Plattform zwischen den Dichten aufweist, die die Punkte X&sub1; spiegelnder Reflexion und die Spitzlichtpunkte X&sub2; aus der Hauptszene darstellen. Der erste Teil des Histogramms zwischen X&sub2; und X~ entspricht dem "Hauptbereich", wohingegen der Teil zwischen X&sub1; und X&sub2; dem "Bereich spiegelnder Reflexionen" entspricht. Es kann deshalb festgestellt werden, daß bei kleinem Abstand X&sub2;-X&sub1;, d. h. es existiert keine Plattform, davon ausgegangen werden kann, daß in dem Bild keine spiegelnden Reflexionen vorliegen. Falls die Referenzspiegeldichte X&sub1; einen weit unter der Referenzspitzlichtdichte X&sub2; liegenden Wert aufweist, d. h., X&sub2;-X&sub1; ist groß, dann wird davon ausgegangen, daß die Szene spiegelnde Reflexionen von der Beleuchtung enthält. Dies kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Falls in der obigen Gleichung α > 0,875 ist, dann wird angenommen, daß keine spiegelnden Reflexionen vorliegen. Wenn jedoch α ≤ 0,875 ist, so kann angenommen werden, daß spiegelnde Reflexionen vorliegen.
Der obige Wert 0,875 ist empirisch gefunden worden und kann bei praktischen Situationen auch zwischen 0,95 und 0,70 variieren. Wie oben festgestellt, kann der Wert XMAX von dem Punkt. YMAX hergleitet werden, wo das kumulative Dichtehistogramm sein Maximum erreicht. Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Wert XMAX auf den von dem System erreichbaren größten Dichtewert zu fixieren, z. B. kann in einem 12 Bit-System XMAX so ausgewählt werden, daß es den Wert 4095 oder einen Wert innerhalb eines Bereichs 10% über oder unter diesem Wert aufweist.
Wenn die Software auf dem Host-Computer durch Anwendung des obigen Verfahrens feststellt, daß in dem Bild spiegelnde Reflexionen vorliegen, kann der Fotograf oder Bediener an dem Rost-Computer z. B. über ein hörbares Glockensignal und/oder Eine Warnnachricht auf dem Anzeigemonitor über diese Tatsache informiert werden. Es bleibt dann dem Fotografen überlassen, die Belichtungszeit der Kamera auf der Grundlage der Position von X&sub1; und X&sub2; in dem kumulativen Dichtehistogramm zu optimieren. Dann kann mit einer optimalen Belichtungszeit die endgültige Belichtung erfolgen.
Da die CCDs bei Belichtung linear reagieren, verdoppeln sich die "Intensitätswerte" I, wie oben definiert, falls die Belichtungszeit oder Integrationszeit verdoppelt wird, Es sei angenommen, daß das Prescan mit einer Belichtungszeit T vorgenommen wurde und daß die spiegelnden Reflexionen eine Intensität I&sub1; = 4095 - X&sub1; aufweisen. Falls der Fotograf wählt, daß die spiegelnden Reflexionen eine Intensität I'&sub1; erhalten sollten, dann ist die erforderliche Belichtungszeit für die endgültige Aufnahme gegeben durch die Gleichung: T' = T·I'&sub1;/I&sub1;. Die Belichtungszeit wird somit so verändert, daß die Intensität der spiegelnden Reflexionen auf den größten digitalen Dichtepegel abgebildet wird, wodurch ein Blooming vermieden, aber der größte Dynamikbereich beibehalten wird.
Der Fotograf kann durch die Wahl von I'&sub1; = 4095 das vollständige Histogramm einschließlich der spiegelnden Reflexionen so dehnen, daß es alle möglichen Intensitäts- oder Dichtewerte abdeckt. Die Belichtungszeit kann sich aber auch durch die Gleichung:
T" = T·I'&sub2;/I&sub2; ergeben.
In obiger Gleichung ist 12 = 4095 - X&sub2; der Intensitätswert der Spitzlichter in der Hauptszene und I'&sub2; der erforderliche Intensitätswert für diese Spitzlichter. Falls der Fotograf aus der "Hauptszene", d. h. denjenigen Teilen der Szene, die die spiegelnden Reflexionen nicht enthalten, das Maximum herausholen möchte, dann kann er auswählen, I'&sub2; = 4095 und die neue Belichtungszeit T" entsprechend zu setzen. Auf diese Weise wird zum Digitalisieren des nützlichen Bildbereichs und der Hauptszene der volle Dynamikbereich der CCDs verwendet, und der Dynamikberezch wird noch mehr gedehnt als in dem Fall von T'. Ein Nachteil bei diesem starken Dehnen ist das mögliche Risiko, daß durch das Überbelichten lichtempfindlicher Elemente mit den spiegelnden Reflexionen ein Blooming eingeführt wird. Möglicherweise erscheinen große weiße Flecke ohne jegliche innere Informationen. Ein wichtiger Vorteil besteht jedoch in der Rauschreduktion.
Bei einer anderen Ausführungsform möchte der Fotografmöglicherweise die neue Belichtungszeit auf einen Wert in dem Bereich [T', T "] setzen. Dadurch ist er sicher, daß er alle Einzelheiten bis zu und einschließlich der Spitzlichter in der Szene und sogar einige Einzelheiten in der Nähe der spiegelnden Reflexionen erhält und dadurch das Risiko des Blooming reduziert.
Nachdem das endgültige digitale Bild durch geeignete oder optimale Einstellungen für Beleuchtungsbedingungen, die Apertur und Belichtungszeit erfaßt worden ist, können. die endgültigen digitalen Dichtewerte X durch eine geeignete Gradationskorrekturkurve auf korrigierte Dichtewerte X' transformiert werden. Eine traditionelle lineare Gradationskurve würde zu einem eingeschränkten Dichtebereich für die Hauptszene und einem großen Dichtebereich für die spiegelnden Reflexionen führen.
Um unter Verwendung des in dem kumulativen Histogramm gesammelten Wissens Intensitäts- oder Dichtewerte zu optimieren, wird ein Verfahren wie nachfolgend beschrieben bevorzugt. Es wird zur Gradationssteuerung eine spezifische Gradationskorrekturkurve festgelegt und auf Bilddaten angewendet, die durch Digitzalisieren eines Bilds von einer Szene oder einer Vorlage erhalten worden sind. Eine geeignete Gradationskorrekturkurve ist in einer graphischen Darstellung wie in Fig. 4 gezeigt veranschaulicht. Die Abszissenachse des Graphen ist die Dichte X und die Ordinatenachse ist die "korrigierte Dichte" X'. Die Gradationskorrekturkurve 50 X' = G(X) wird als eine durch die Koordinatenpunkte (X, X' = (0, 0) und (MaxDens, MaxDens'), die durch die Werte der kleinsten Dichte X = 0, X' = 0 und die größte Dichte X = MaxDens, X' = MaxDens' spezifiziert werden, gezogene Kurve bestimmt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird an das spiegelnde Reflexionen enthaltende digitale Bild eine stückweise lineare Gradationskorrekturfunktion X' = G(X) angewendet. Der Zweck der Gradationskorrektur besteht darin, den Dynamikbereich zwischen den Spitzlichtern der Hauptszene und den spiegelnden Reflexionen zu komprimieren und gleichzeitig durch Aufweiten des Dynamikbereichs der Hauptszene mehr Einzelheiten in dieser beizubehalten. Eine stückweise lineare Funktion erfordert für jedes gerade Liniensegment einen Anfangspunkt und einen Endpunkt. Der Endpunkt eines geraden Liniensegments fällt mit Ausnahme des letzten geraden Liniensegments mit dem Anfangspunkt des nächsten geraden Liniensegments zusammen, wodurch für die stückweise lineare Funktion eine Kontinuität auferlegt wird. Ein derartiger Endpunkt/Anfangspunkt wird als ein innerer Knickpunkt oder kurz ein Knickpunkt bezeichnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die stückweise lineare Funktion aus zwei geraden Liniensegmenten, die somit einen Knickpunkt (XB, X'B) aufweisen. Die Berechnung der X-Position Xs des Knickpunkts, des ersten Anfangspunkts Xs und des letzten Endpunkts XE basiert bevorzugt auf Daten aus dem kumulativen Histogramm. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gilt, wie in Fig. 4 gezeigt:
XS = X&sub1; XB = X&sub2; XE = XMAX
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der der Hauptszene entsprechende Dichtebereich auf einen Bereich abgebildet, der 3/4 des Gesamtausgabebereichs belegt, wohingegen der Bereich zwischen den Spitzlichtern der Hauptszene und den hellsten spiegelnden Reflexionen auf einen Bereich abgebildet wird, der 1/4 des Gesamtausgabebereichs belegt. Bei einer Ausführungsform, bei der digitale 12 Bit-Werte in 8 Bit-Bildwerte umgewandalt werden, können die der Hauptszene entsprechenden Werte gemäß der Gradationskorrekturkurve auf Ausgabedichtewerte im Bereich von 0 bis 63 konvertiert werden, wohingegen spiegelnde Reflexionen auf Dichtewerte im Bereich 64 bis 255 transformiert werden können.
Bei einer anderen Ausführungsform kann der Bereich der Hauptszene auf einen Teilbereich von 90% oder sogar 95% des Gesamtausgabebereichs abgebildet werden. Der verbleibende Teilbereich von 10% oder 5% empfängt den Bereich von den Spitzlichtern bis zu den spiegelnden Reflexionen durch Abbilden. Die obenerwähnten Abszissenwerte XS, XB, XE werden somit bevorzugt abgebildet auf:
X'S = 0 X'B = α X'F = XMAX
wobei α im Bereich [60%, 95%] liegt.
Somit kann auf der Basis der gemäß der obigen Vorgehensweise erhaltenen Knickpunkte eine Gradationskorrekturtabelle erzeugt werden. Die Beziehung zwischen der Dichte X und korrigierten Dichte X' zum Ausdruck bringende Daten können im RAM der Gradationskorrekturschaltung gespeichert werden, um eine Nachschlagetabelle zu bilden.
Nachdem im RAM eine Gradationskorrekturtabelle gespeichert worden ist, die die Gradationskorrekturkurve G(X) zum Ausdruck bringt, können ein zweites Mal digitale Bilddaten erfaßt werden, wobei die so erhaltenen Bilddaten an die Gradationskorrekturschaltung weitergegeben werden. Die Bilddaten werden in der Schaltung gemäß der Gradationskorrekturkurve G(X) korrigiert und dadurch in korrigierte Bilddaten X' geändert. Das aufgezeichnete korrigierte Bild kann dann zur späteren Verwendung gespeichert oder auf einer Bildreproduktionseinrichtung, wie etwa einer Setzmaschine, einer Druckmaschine oder einer digitalen Presse, reproduziert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Gradationskorrekturkurve durch eine modifizierte stückweise lineare Funktion gegeben. Man hat erfahren, daß in dem korrigierten Bild an Stellen, die in der Nähe des Ordinatenwerts X'B des Knickpunkts liegende Dichtewerte aufweisen, ein Plakateffekt auftreten kann. Dieser Plakateffekt ist stärker, wenn die Steigung des ersten geraden Liniensegments sich wesentlich von der Steigung des zweiten geraden Liniensegments unterscheidet. Um aus der Steigung eine stetige Funktion zu machen, wird sogar in der Umgebung des Knickpunkts ein Teil beider gerader Liniensegmente durch eine nichtlineare Kurve ersetzt. Eine derartige Kurve kann eine kubische Splinefunktion sein, d. h. ein Polynom dritten Grades, dessen nullte, erste und zweite Ableitung an jeder Verbindung, wo sich das gerade Liniensegment und der Spline treffen, stetig ist. Eine derartige Kurve kann auch durch eine kubische Bezier-Kurve beschrieben werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kurve durch einen Kreisbogen gebildet. Wie in Fig. 4 gezeigt, liegt. die Mitte 0 des Bogens auf der Halbierenden der beiden geraden Liniensegmente. Der Radius R des Bogens nimmt mit der Steigungsdifferenz zu. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen:
- dem ursprünglichen Knickpunkt der geraden Liniensegmente und
- der Verbindung des geraden Liniensegments und des Bogens nicht größer als ein Drittel der Länge des ursprünglichen geraden Liniensegments. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Radius R des Bogens außerdem eine Obergrenze auf.
Indem die beiden geraden Liniensegmente durch einen Bogen verbunden und dadurch der Knickpunkt geglättet wird, kann der Plakateffekt oder das Konturenzeichnen, das durch die Gradationskorrektur hervorgerufen wird, stark reduziert oder sogar vollständig vermieden werden.
Die obige Beschreibung hat die Erörterung auf nur ein digitales Bild oder nur eine Bildebene konzentriert. Dies kann sich für einen normalen Schwarzweiß-Scanner oder eine Schwarzweiß-Digitalkamera oder für einen Farbscanner oder für eine Farbkamera eignen, bei denen nur ein Farbkanal verwendet wird. Seim letzteren Typ wird bevorzugt nur der grüne Farbkanal verwendet, um ein Schwarzweiß- oder Grauskalenbild zu erfassen, da dieser, wie in dem CIE-Luv-Farbraum definiert, der Leuchtstärke L gut entspricht.
Wenn jedoch drei Farbkanäle drei verschiedene Farbbilder liefern, dann kann für jede Farbe ein Dichtewert für X&sub1;, X&sub2; und XMAX berechnet werden. Falls die Farbkanäle Rot, Grün und Blau sind, dann können diese Werte bezeichnet werden als:
X1R, X2R und XMAXR für den roten Kanal;
X1G, X2c und XMAXG für den grünen Kanal; und
X1B, X2B und XMAXB für den blauen Kanal.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden aus den obigen Farbdichtewerten die folgenden gleichförmigen Dichtewerte berechnet:
X&sub1; = Minimum von (X1R, X10, X1B)
X&sub2; = Minimum von (X2R, X2G, X2B)
XMAX = Maximum von (XMAXR, XMAXG, XMAXB)
Durch eine derartige Auswahl wird sichergestellt, daß der Knickpunkt einer Gradationskorrekturkurve nicht innerhalb der Dichtepegel irgendeiner Farbkomponente der Hauptszene auftritt. Mit den gleichförmigen Werten kann dann gemäß dem oben beschriebenen Verfahren eine einzelne optimale Belichtungszeiteinstellung berechnet und eine einzelne Gradationskorrekturkurve festgelegt werden. Die Gradationskorrektur wird gleichermaßen auf das digitale Bild jedes Farbkanals angewendet, so daß auf unterschiedliche Gradationskorrekturen zurückzuführende Farbverschiebungen größtenteils vermieden werden. Durch das hier gezeigte Verfahren kann nicht nur die spiegelnde Reflexion von weißem Licht, sondern auch die spiegelnde Reflexion von zum Beispiel rotem Licht überwunden werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform reduziert die Gradationskorrektur die Bittiefe jedes Farbkanals auf 8 Bit. Bei einem die Studiocam enthaltenden System, das pro Pixel und pro Farbe 12 Bit Rohdaten liefert, konvertiert die Gradationskorrekaur somit ein 12 Bit-Signal in ein 8 Bit-Signal. Es wird stark bevorzugt, die Gradationskorrektur an einem Bild mit einer über S Bit betragenden Bittiefe durchzuführen. Ansonsten kann es in Dichtegebieten, wo der Dynamikbereich vergrößert werden muß, zum Beispiel, wo die Steigung der Gradationskurve größer als 1 ist, zum Plakateffekt kommen.
Wenn jeder Farbkanal oder jede Farbebene durch die geeignete Tonkurve korrigiert worden ist, können durch das Farbmanagementsystem Agfa FotoTune (Warenzeichen von Agfa-Gevaert N. V.) oder durch Agfa FotoFlavor (Warenzeichen von Agfa-Gevaert N. V.) für selektive Farbkorrekturen eine weitere Farbabstimmung und Farbkonversionen, zum Beispiel von RGB zu CMYK-Druckfarben, vorgenommen werden. Zur Bildbearbeitung und Datenarchivierung kann Adobe Photoshop LE (Warenzeichen von Adobe, Inc.) verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform genügt. es, die Szene zweimal zu erfassen. Es wird angenommen, daß der Fotograf für das Prescan eine geeignete Apertur einstellt und eine Belichtungszeit auswählt, durch die eine Überbelichtung vollständig vermieden wird, selbst wenn spiegelnde Reflexionen vorliegen. Bei einem ersten Prescan, das beispielsweise ein digitales 12 Bit-Bild ergibt, wird ein kumulatives Histogramm festgelegt, das die Werte für X&sub1; und X&sub1; angibt. Dann entscheidet der Fotograf, ob und in welchem Ausmaß er die Belichtungszeit verlängern möchte. Falls entschieden wird, die Belichtungszeit zu verlängern, erfolgt ein zweiter Erfassungsvorgang, und unter Verwendung der Werte Y&sub1; und Y&sub2; wie oben beschrieben werden neue Werte für X&sub1; und X&sub2; festgelegt. Mit den Werten für X&sub1; und X&sub2; wird eine modifizierte oder geglättete stückweise lineare Gradationskorrekturkurve konstruiert, und das digitale 12 Bit-Bild wird in ein digitales 8 Bit-Bild umgewandelt. Falls für ein Farbbild drei Farbebenen erfaßt werden, dann wird bevorzugt auf alle Ebenen die gleiche Gradationskorrektur angewendet.
Alternativ kann aber auch jedes 12 Bit-Bild in ein 16 Bit-Bild transformiert werden.
Die für die vorliegende Erfindung verwendete Vorrichtung ist nicht auf die Digitalkamera beschränkt, wie sie in Verbindung mit der Beschreibung der StudioCam-Einrichtung dargelegt wird, sondern die vorliegende Erfindung ist möglicherweise in anderen Vorrichtungen anwendbar, wie etwa elektronischen Kopierern, Scannern aus der Graphikbranche, Trommel-Bildscannern, Faksimilegeräten, einer Bildübertragungsvorrichtung und dergleichen.
Die von der vorliegenden Erfindung verarbeiteten Bilddaten sind nicht auf das beschränkt, was durch Scannen und Lesen durch eine Digitalkamera, wie in den Ausführungsformen beschrieben, erhalten wird, sondern es können von der vorliegenden Erfindung auch andere Arten von Bilddaten verarbeitet werden, wie etwa solche, die durch das sogenannte hochauflösende Fernsehen und andere als neue Medien bezeichnete Vorrichtungen erhalten werden.
Nachdem bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann nun offensichtlich, daß daran zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich. der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen. So kann beispielsweise eine Reihe von Bereichen geringer Dichte festgelegt werden, anstatt ein komplettes kumulatives Dichtehistogramm herzustellen. Diese Bereiche enthalten vermutete Dichtewerte für spiegelnde Reflexionen und Spitzlichtdichten in der Hauptszene. Diese Bereiche sind bevorzugt disjunkt und benachbart. Für jeden Dichtebereich oder jede Dichteklasse kann nur ein Zählwert aktualisiert werden. Dieser Zählwert gibt die Anzahl der Pixel oder digitalen Bildwerte wieder, die in diesen Bereich fallen. Nachdem alle Pixel des digitalen Bilds gerastert worden sind oder eine Auswahl aller Pixel untersucht worden ist, werden diese Klassen von Bereichen geringerer zu Bereichen höherer Dichte abgetastet. Der Zählwert der ersten Klasse wird mit einem vorbestimmten Wert für Y&sub1; verglichen. Falls dieser Zählwert unter Y&sub1; liegt, wird der Zählwert zu dem Zählwert der zweiten Klasse addiert, wodurch man einen kumulativen Zählwert für die zweite Klasse erhält. Der kumulative Zählwert für die zweite Klasse wird mit dem vorbestimmten Wert für Y&sub1; verglichen. Falls dieser kumulative Zählwert unter Y&sub1; liegt, wird der kumulative Zählwert für die zweite Klasse zu dem Zählwert der dritten Klasse addiert, wodurch man einen kumulativen Zählwert für die dritte Klasse erhält usw. Wenn der kumulative Zählwert für eine Dichteklasse nicht unter Y&sub1; liegt, kann irgendein Dichtewert in dieser Klasse, z. B. der mittlere Dichtewert oder ein gewichteter Dichtewert, als Wert X&sub1; dienen. Dann wird der kumulative Zählwert weiter mit einem vorbestimmten Wert für Y&sub2; verglichen, wie im Fall für Y&sub1;, bis der entsprechende Wert X&sub2; gefunden ist.
Alternativ wird jedes Mal, wenn auf einen neuen Zählwert für eine andere Klasse zugegriffen wird, dieser Zählwert sowohl von Y&sub1; als auch Y&sub2; subtrahiert. Sobald Y&sub1; einen Wert unter Null erreicht, ist X&sub1; gefunden, und der Prozeß geht für Y&sub2; weiter, Sobald Y&sub2; einen Wert unter Null erreicht, ist X&sub2; gefunden und der Prozeß kann anhalten.
Das Verfahren wird auf der Grundlage von Dichtewerten beschrieben, und Zahlenwerte für Y&sub1; und Y&sub2; in dem kumulativen Histogramm werden unter Bezugnahme auf derartige Werte angegeben. Es liegt jedoch durchaus innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, Intensitätswerte Y" festzulegen und zu definieren:
Y"&sub1; = 100% - Y&sub1;
Y"&sub2; = 100% - Y&sub2;
Alternativ werden Intensitätswerte verwendet, und das kumulative Histogramm wird beginnend bei dem höchsten Intensitätswert aufgebaut. In diesem Fall können immer noch die Wette für Y&sub1; und Y&sub2; verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen und Verarbeiten eines spiegelnden Bildpegels X&sub1; und eines Spitzlichtbildpegels X&sub2; in einer beleuchteten Szene oder einer Reproduktion einer derartigen Szene, mit den folgenden Schritten:

- Belichten eines lichtempfindlichen Mittels durch ein leuchtendes Bild von der Szene oder Reproduktion, wodurch mehrere digitale Bildsignale erzeugt werden, wobei jedes digitale Bildsignal einen der Intensität eines Teil des leuchtenden Bilds entsprechenden Bildpegel darstellt;

- Festlegen eines kumulativen Histogramms für die Bildpegel der digitalen Bildsignale;

- Bereitstellen einer kumulativen Referenzspiegelhäufigkeit Y&sub1;;

- Bereitstellen einer kumulativen Referenzspitzlichthäufigkeit Y&sub2;,,

- Konvertieren der kumulativen Spiegelhäufigkeit Y&sub1; über das kumulative Histogramm, um den spiegelnden Bildpegel X&sub1; zu erhalten; und

- Konvertieren der kumulativen Spitzlichthäufigkeit Y&sub2; über das kumulative Histogramm, um den Spitzlichtbildpegel X&sub2; zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Schritt des Erteilens einer Angabe über das Vorliegen spiegelnder Reflexionen, falls das Verhältnis α = XL-X2 / XL-XI unter einem vorbestimmten Wert liegt, wobei XL ein Bildpegel ist, der einer Intensität entspricht, die nicht über einer geringsten Intensität eines beliebigen Teils des leuchtenden Bilds liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der vorbestimmte Wert 0,875 beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei

- die kumulative Spiegelhäufigkeit Y&sub1; und

- die kumulative Spitzlichthäufigkeit Y&sub2; derart ausgewählt werden, daß:

- der Abstand D&sub1; = Y&sub1;-YH ; und

- der Abstand D&sub2; = Y&sub2;-YH ;

wobei YH die kumulative Häufigkeit des Bildpegels XH ist, der der höchsten Intensität in dem leuchtenden Bild entspricht, und wobei die folgenden Ungleichungen erfüllt sind:

10&supmin;&sup5; ≤ D&sub1;

D&sub1; ≤ D&sub2;/2 und

D&sub2; ≤ 0,1.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei:

- D1 ≤ 0,2%; und

- D2 1,0%.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit dem Schritt des Optimierens einer Belichtungszeit für das lichtempfindliche Mittel durch das leuchtende Bild auf der Grundlage des Bildpegels X&sub1; oder X&sub2; oder beider.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Belichtungszeit so ausgewählt wird, daß X&sub1; oder X&sub2; zu einem extremen Bildpegel bewegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bildsignale weiterhin durch eine Gradationskorrekturkurve transformiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Gradationskorrekturkurve lineare Segmente umfaßt und einen Anfangspunkt bei X&sub1;, einen Knickpunkt bei X&sub2; und einen Endpunkt bei XL aufweist, wie in Anspruch 2 definiert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Gradationskorrekturkurve einen durch einen Bogen geglätteten Knickpunkt umfaßt.