JP6362793B2 - ハイダイナミックレンジ映像のためのディスプレイマネジメント - Google Patents
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Description
本願は、2015年1月19日付け出願の米国仮特許出願第62/105,139号に基づく優先権を主張するものであり、この出願の開示内容を全て本願に援用する。
本発明は、広く画像に関する。より詳細には、本発明のある実施形態は、ハイダイナミックレンジまたはエンハンストダイナミックレンジを備える画像のディスプレイマネジメント処理に関する。
本明細書で用いるとき、「ダイナミックレンジ」(DR)という用語は、画像においてある範囲(例えば最暗部(黒)から最明部(白)まで)の強度(例えば、輝度、ルマ)を知覚する人間の視覚システム(HVS)の能力に関し得る。この意味で、DRは、「シーン−リファード」(scene−referred)の強度に関する。DRはまた、ディスプレイデバイスがある特定の幅の強度範囲を妥当にまたは近似的に描画する能力にも関し得る。この意味で、DRは、「ディスプレイ−リファード」(display−referred)の強度に関する。本明細書中の任意の箇所において、ある特定の意味が特に重要であると明示的に指定しない限り、この用語をどちらの意味でも(例えば区別なく)用い得ると理解されたい。
同様の部材に同様の参照符号を付した添付図面の各図において、本発明のある実施形態を限定する事なく例示する。
エンハンストダイナミックレンジ(EDR)画像の効率的なディスプレイマネジメント(例えばトーンおよび色域のマッピング)を、本明細書に記載する。以下の説明においては、便宜上、本発明を完全に理解できるように、多数の詳細事項を説明する。ただし、これらの詳細事項抜きでも本発明を実施可能であることは明白であろう。他方、本発明の説明を不必要に不明瞭にしないように、周知の構造およびデバイスの細かな詳細までは説明しない。
本明細書に記載の実施形態例は、EDR画像の効率的なディスプレイマネジメントに関する。ディスプレイマネジメントプロセッサが、ソースリファレンスディスプレイとは異なるダイナミックレンジを有したターゲットディスプレイに表示されることになる、エンハンストダイナミックレンジを備えた入力画像を受信する。この入力画像を、まず、入力色空間(例えば、RGBまたはYCbCr)から知覚的量子化(PQ)色空間、好ましくはIPT−PQ色空間へと変換する。適応的トーンマッピング関数と適応的色域マッピング関数とを含むカラーボリュームマッピング関数により、第1のマッピング画像を生成する。ディテール保存ステップを、第1のマッピング画像の明度(intensity)成分に適用して、トーンマッピングされフィルタリングされた明度(filtered tone−mapped intensity)の画像を有する最終的なマッピング画像を生成する。最終的なマッピング画像を、その後、ディスプレイの好適な色空間へと変換し戻す。適応的なトーンマッピング関数および色域マッピング関数の例を提供する。
図1は、本発明のある実施形態による、EDR画像(また、HDR画像と呼ぶこともある)のディスプレイマネジメント処理の一例を表す。本処理は、2014年2月13日付け出願のPCT出願シリアル番号第PCT/US2014/016304号(以下、「‘304出願」と呼ぶ)に記載されたディスプレイマネジメント処理と多くの類似点を共有しており、この出願の開示内容を全て本願に援用する。但し、提案される実施形態は複数の改良点を含み、これにより、演算的な複雑さを低減しつつも、全体的な画質を向上させることが可能となる。
ソースモニタ最小輝度、Smin=0.005ニト
ソースモニタ最大輝度、Smax=4000ニト
周囲光、Samb=10ニト
ガンマ、Sgamma=2.4
色空間=DCI P3、白色点=D65
である。
ある好適な実施形態において、処理パイプライン(100)は、知覚的量子化IPTまたはIPT−PQ色空間と呼ぶことにする色空間において実行する。但し、同様な処理ステップを、線形RGB、ガンマRGB、YCbCr、XYZ、CIE−Labなどの、他の色空間において実行してもよい。本発明者の理解によると、IPT−PQ色空間において演算処理を行なえば、ディスプレイマネジメントパイプラインを固定小数点で、かつより低いビット深度において実行することや、トーンマッピングおよび色域マッピングの演算による色のアーチファクトを低減することなどの、数々の利点が提供される。本願にその全文が援用される、F.EbnerおよびM.D.Fairchildによる「Development and testing of a color space (ipt) with improved hue uniformity」、Proc.6th Color Imaging Conference: Color Science, Systems, and Applications, IS&T, Scottsdale, Arizona、1998年11月、8〜13ページ(以下、「Ebner論文」と呼ぶ)に記載のIPTは、人間の視覚システムにおける錐体間の色差のモデルである。その意味ではYCbCrまたはCIE−Lab色空間のようであるが、いくつかの科学的研究において、これらの空間よりも人間の視覚処理をより良く模擬することが分かっている。CIE−Labと同様に、IPTは、何らかの参照輝度に対する正規化された空間である。ある実施形態において、正規化は、ターゲットディスプレイの最大輝度に基づく。
(表1)
例示的な等式定義:
D=知覚的曲線デジタル符号値、SDI−legal符号無し整数、10または12ビット
b=デジタル信号表現における成分毎のビット数、10または12
V=正規化された知覚的曲線信号値、0≦V≦1
Y=正規化された輝度値、0≦Y≦1
L=絶対輝度値、0≦L≦10,000cd/m2
例示的なEOTF復号化等式:
例示的な逆EOTF符号化等式:
例示的な定数:
備考:
1.演算子INTは、0〜0.4999...の範囲の小数部に対しては値0を返し、0.5〜0.9999...の範囲の小数部に対しては+1を返す(即ち、0.5以上の小数部は切り上げ)。
2.丸めの問題を回避するために、定数は全て12ビット有理数の正確な倍数として定義する。
3.R、GまたはB信号成分は、上記のY信号成分と同じ方法で算出する。
a)ステップ(215)において、必要ならば、クロマ(色度)アップサンプリングその他の前処理演算(例えば、範囲(0,1)に納まるように入力をスケーリングする)を実行して、出力(217)を生成し得る。
b)入力EDR信号(102)は、ガンマ符号化またはPQ符号化されている可能性があり、そのいずれであるかは、典型的にはソースメタデータ(104)を使用して示される(signaled)。ステップ(220)において、EOTF(メタデータ(104)によって提供される)を使用して、ソースディスプレイによる符号化値から輝度への変換を、逆転あるいは元に戻すことができる。例えば、もしも入力信号がガンマ符号化されているならば、本ステップは、逆ガンマ関数を適用する。もしも入力信号がPQ符号化(例えば、SMPTE ST 2084に従って)されているのならば、本ステップは、逆PQ関数を適用する。実際には、3つの予め算出された1−Dルックアップテーブル(LUT)を用いて、この線形化ステップ(220)を実行し得る。
c)ステップ(225)において、線形化信号(222)をLMS色空間における信号(227)へと変換する。典型的には、本ステップは、a)標準的な変換を用いて、入力をXYZ色空間へと変換し、その後に3×3行列を適用してXYZからLMSへと信号を変換することによって、実行される。
d)(ステップ230)。Ebner論文によると、従来のLMSからIPTへの色空間変換は、LMSデータに対し先ず非線形べき関数を適用することと、その後に線形変換行列を適用することとを含む。データをLMSからIPTへと変換し、その後にPQ関数を適用してIPT−PQ領域に置いてもよいのだが、ある好適な実施形態では、ステップ(230)において、LMSからIPTへの非線形符号化用の従来のべき関数を、PQ非線形符号化で代替する。例えば、非線形のL、M、およびS値は、等式(t2)におけるV信号と同様に算出される。但し、Y信号は、線形のL、M、またはS成分値で置き換える。いくつかの実施形態において、PQ符号化の正規化バージョンを用いてもよく、このとき等式(t3)のステップを省略でき、出力PQ値の範囲は0と1の間である。いくつかの実施形態において、別のPQ符号化(例えば、Stessenによって提案されたものなど)を適用することも、また可能である。
e)標準的なLMSからIPTへの3×3線形変換を用いて、ステップ(235)が、信号(102)に対するIPT−PQ色空間への変換を完成する。
色変換ステップ(110)の後で、信号VIL(112)の明度(IO)およびクロマ(P/T)をマッピングして、ターゲットディスプレイの制約内に納める必要がある。図3は、ある実施形態による、カラーボリュームマッピング処理(115)の実装例を表している。カラーボリュームマッピング処理(115)の最初の部分において、色を暗くする量を、その彩度(saturation)と明度の両方に基づいて決定する。ある実施形態において、限定することなく、彩度のメトリックSは、クロマ成分の2乗和すなわち、
等式(4)のトーンマッピング作用素(operator)は、画像またはフレームの全体に同一の等式を適用するので、典型的には、グローバルトーンマッピング作用素と呼ばれる。ある実施形態において、グローバルトーンマッピングの後には、ディテール保存作用素(125)が続くことができ、ローカルなコントラストを改善する。このステップはまた、トーンマッピング演算のせいで失われた、明度チャネルにおける高周波数のディテールを復元する。このようなローカルトーンマッピング作用素の例が、‘480特許および‘304出願に記載されている。図4は、ある実施形態による、ディテール保存のもう一つの例を表す。入力Io(302)およびIm(314)、ならびにソースメタデータ(104)が与えられると、処理(125)において、フィルタリングされた明度の画像Imf(127)を、以下のステップに従って生成する。
図5は、マッピングされたEDR信号VM(Im,Pm,TmまたはImf,Pm,Tm成分を含む)を、知覚的量子化色空間(例えば、IPT−PQ)から所望の色空間(例えば、RGBまたはYCbCr)へと変換し戻す色変換処理(135)の一例を表している。本処理は、入力色変換器(110)における処理ステップを反映しており、今度は逆順で実行される。図5に表わすように、色変換は、以下のステップを含み得る。すなわち、
a)ステップ(505):3×3のIPTからLMSへの変換を使用して、マッピング信号VMを、IPT−PQ空間からLMS−PQ空間へと変換する。
b)ステップ(510):LMS−PQ信号(507)を、LMS−PQ空間からLMS空間へと変換する。本ステップは、表1の等式を使用して算出される。ある実施形態において、本ステップは、3つの1−DのLUTを使用して実行できる。
c)ステップ(515):LMS信号(512)を、ターゲットディスプレイ色(例えば、RGB)(517)へと変換する。典型的には、ターゲットディスプレイの特性(profile)に基づき、3×3行列を使用して実行される。
d)ステップ(520):信号(517)にディスプレイのEOTF(例えば、ガンマまたはPQ符号化)を適用して、出力信号(522)を生成する。
e)ステップ(525):必要ならば、追加的な後処理(例えば、色変換および色サブサンプリング)を適用する。
・適応的なトーンマッピング
・適応的な色域マッピング
・調整可能なクロマ関連の重みによる、より優れた出力色精度
・演算的により単純な、しかし改良された、ディテール保存
・ターゲットディスプレイの視聴環境(周囲光特性や視聴者の嗜好など)に基づいた、適応的調整(例えば、輝度およびコントラストについての)
本発明の実施形態は、コンピュータシステム、電子回路およびコンポーネントで構成されたシステム、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)または他のコンフィギュラブルまたはプログラマブルロジックデバイス(PLD)、離散時間またはデジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向けIC(ASIC)などの集積回路(IC)デバイス、および/または、このようなシステム、デバイスまたはコンポーネントを1つ以上含む装置、を用いて実施し得る。このコンピュータおよび/またはICは、本明細書に記載のエンハンストダイナミックレンジを備える画像のディスプレイマネジメントおよび表示に関する命令を実施し、制御し、または実行し得る。コンピュータおよび/またはICは、本明細書に記載のディスプレイマネジメントプロセスに関係する様々なパラメータや値の内のいずれを演算してもよい。画像およびビデオ実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、および、その様々な組み合わせで実施され得る。
EDR画像の効率的なディスプレイマネジメントに関する実施形態例を上述した。この明細書中において、態様毎に異なり得る多数の詳細事項に言及しながら本発明の実施形態を説明した。従って、本発明が何たるか、また、本出願人が本発明であると意図するものを示す唯一且つ排他的な指標は、本願が特許になった際の請求の範囲(今後出されるあらゆる訂正を含む、特許となった特定請求項)である。当該請求項に含まれる用語に対して本明細書中に明示したあらゆる定義が、請求項内で使用される当該用語の意味を決定するものとする。よって、請求項において明示されていない限定事項、要素、性質、特徴、利点または属性は、その請求項の範囲をいかなる意味においても限定すべきではない。従って、本明細書および図面は、限定的ではなく、例示的であるとみなされるものである。
Claims (17)
- 以下の工程を包含する方法:
第1のダイナミックレンジを備えた第1の色空間における入力画像にアクセスする工程と、
前記入力画像に色変換ステップを適用して、知覚的量子化IPT(IPT−PQ)色空間における第1の出力画像を決定する工程であって、前記第1の出力画像は、明度画素値およびクロマ成分画素値を有しており、前記色変換ステップは、前記入力画像の関数に非線形な知覚的量子化器関数を適用する工程を含む、工程と、
前記第1の出力画像にカラーボリュームマッピング関数を適用して、トーンマッピングされた出力画像を生成する工程であって、前記トーンマッピングされた出力画像は、明度画素値およびクロマ成分画素値を有しており、
前記カラーボリュームマッピング関数は、トーンマッピング関数、彩度マッピング関数、および画素彩度推測関数を含み、
前記トーンマッピング関数は、前記第1の出力画像の前記明度画素値に非線形マッピングを適用することにより、前記トーンマッピングされた出力画像の前記明度画素値を生成し、
前記彩度マッピング関数は、明度の変化に基づいて前記第1の出力画像の前記クロマ成分画素値を調整することにより、前記トーンマッピングされた出力画像の前記クロマ成分画素値を生成し、
前記画素彩度推測関数は、前記第1の出力画像の前記クロマ成分画素値の2乗和として彩度メトリック(S)を算出し、前記彩度メトリックは、前記トーンマッピングされた出力画像に適用されて、明るい飽和色を暗くし、かつ、飽和度が高い色の飽和度を下げ、これにより、前記明度画素値および前記クロマ成分画素値を変更する、工程と
前記トーンマッピングされた出力画像の前記変更された明度画素値にディテール保存関数を適用して、トーンマッピングされフィルタリングされた出力画像の明度画素値を生成する工程であって、前記トーンマッピングされフィルタリングされた出力画像は、前記トーンマッピングされた出力画像の前記変更されたクロマ成分画素値を有する、工程。 - 前記色変換ステップを適用する工程はさらに、
前記入力画像から非線形符号化を除去して、線形画像を生成する工程と、
前記線形画像をLMS色画像に変換する工程と、
前記LMS色画像に前記非線形な知覚的量子化器(PQ)関数を適用して、前記第1の出力画像を生成する工程と、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記非線形な知覚的量子化器関数は、SMPTE ST 2084のマッピング関数を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記トーンマッピング関数は、パラメータ化されたS字形トーン曲線関数として表現され、前記関数のパラメータは、ソースディスプレイおよびターゲットディスプレイの特性に基づいて決定される、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記ソースディスプレイの前記特性は、前記ソースディスプレイの最小輝度値および最大輝度値を含む、請求項4に記載の方法。
- 前記ターゲットディスプレイの前記特性は、前記ターゲットディスプレイの最小輝度値および最大輝度値を含む、請求項4または請求項5に記載の方法。
- 前記ソースディスプレイの前記特性は、受信されたソースディスプレイメタデータを介してアクセスされる、請求項4〜6のいずれかに記載の方法。
- 前記トーンマッピング関数のパラメータはさらに、前記トーンマッピングされた出力画像の全体的な輝度とコントラストとを調整するように、Brightness値とContrast値とに基づいて決定される、請求項4〜8のいずれかに記載の方法。
- 前記彩度マッピング関数は、
前記カラーボリュームマッピング関数を適用する工程は、
- 前記(1−S*α)および(1−S*β)の値は、ゼロより常に大きくなるようにクランプされる、請求項10に記載の方法。
- 前記出力Ex、前記出力Ey、前記重みW MSE および前記重みW MS で表される前記Eの出力値はさらに、0と1の間に納まるようにクランプされる、請求項12に記載の方法。
- 前記カーネルHは、2に等しい標準偏差による5×11ガウシアンフィルタを含む、請求項12または請求項13に記載の方法。
- 前記カーネルHはローパスフィルタを含む、請求項12〜14のいずれかに記載の方法。
- プロセッサを含んでおり、かつ請求項1〜15に記載の方法のいずれかを実行するように構成された装置。
- 請求項1〜15のいずれかによる方法を実行するためのコンピュータ実行可能命令を格納した、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
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