TWI538474B - 影像資料轉換的方法與設備 - Google Patents

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安德斯 布列斯泰德
安德瑞 寇斯汀
葛高里 華德
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杜比實驗室特許公司
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Description

影像資料轉換的方法與設備 [相關申請案的交叉參考]
本案主張申請於2011年3月15日美國臨時專利申請案61/453,107號及申請於2011年12月7日之美國臨時專利申請案61/567,784，該兩案係併入作為各目的之整體參考。
本案也關係於申請於2011年3月2日的美國臨時專利申請案61/448,606名為”局部多尺度色調映圖運算子”。該案係併入作為參考。
本發明關係於顯示及處理影像。本發明尤其關係於涉及色調及/或色彩範圍映圖的方法與設備。於此所述之方法與設備可以應用以在目的顯示器上提供品質影像，同時保留創作意圖。本發明可以例如實施於電子顯示器中，例如電視機、電腦監視器、媒體播放器、視訊可攜式電話及其他可攜式裝置、特殊顯示器，例如虛擬實境顯示器、廣告顯示器等等，及上游影像處理設備，例如機頂盒、接取點等等。
於本發明之一般領域中之專利公開案包含以下：US20010050757；US20020075136；US20020080245；US20070127093；US20080094515；US20080170031；US20080186707；US20090201309；US20090267876；US20100007599；US201000118008；US7158673；US6989859；US5276779；及JP2002092655。
視訊播放或其他影像的創作者(例如導演、配色師等等)可以設定在影像中之像素的色調及色彩，使得當觀看時，影像具有想要的外觀，以配合創作者的創作意圖。例如，創作者可以想要部份場景暗些、較其他者暗沉。創作者可能想要在一場景中描繪某些特性，以顯示或較不顯著。調整影像中之像素的色調及色彩可以包含對來源視訊資料執行色彩調色(或’色彩調光’)。色彩調色可以使用硬 體/軟體系統加以執行，以允許使用者以各種方式改變視訊資料，以完成想要的外觀。
現在有各種顯示技術。例如，有電漿顯示器、LCD顯示器，其係為各種類型光源，例如各類型的LED、螢光燈或高強度白熾燈作為背光、CRT-為主顯示器、數位電影顯示器等。一特定顯示器組合顯示硬體與視訊信號處理元件，其接收視訊信號並驅動顯示硬體以顯示該視訊信號的視訊內容。
不同顯示器可以相對於特性有很顯著變化，例如：‧顯示器所可播放的色彩範圍；‧最大可完成之亮度；‧對比比率；‧解析度；‧可接受輸入信號格式；‧色彩深度；‧白位準；‧黑位準；‧白點；‧灰階；‧等等。
因此，當相同影像內容於不同顯示器上播放時看起來不同。當符合創作者創作意圖的影像內容在其他顯示器上觀看時，顯示在部份顯示器上時可能以一或更多方式偏離開創作者的創作意圖。
部份現行顯示器可以功能上於一或更多方面優於當某些內容被建立時的時點的顯示器。例如，新的顯示器可以較舊顯示器能提供較高亮度、較大對比及/或較寬色彩範圍的影像。吾人想要利用這些改良能力的優點，而不顯著偏離實施在被觀看中之內容的創作意圖。
也可能想要播放所創作之視訊內容，以在傳統顯示器或具有低能力的顯示器上播放高效顯示。吾人也想要提供適應視訊及其他影像顯示在不同顯示器之外觀的方法與設備，以儘可能保留實施在影像資料中之創作意圖。
色彩及亮度的觀察可能為環境狀況所影響。在戲院狀態(低環境照明)下可以為觀看者所觀察到所呈現的視訊或其他影像與當具有明亮環境光之情況看到時所觀察到的相同視訊或其他影像係顯著不同。再者，環境光的特徵(例如色溫)可能影響觀看者對視訊內容的觀察。吾人想要顯示視訊或其他影像時，將環境列入考量，其中，內容係被觀看以儘可能保留實施在視訊或其他影像中之創作意圖。
有需要提供觀看者影像(包含靜態及/或視訊影像)，其具有觀看經驗，其開發用以觀看影像的顯示器的能力。仍有需要設備及方法，其可以應用以調整影像資料，使得編碼於影像資料中之視訊或其他影像內容於播放時具有想要外觀。
本發明之有一範圍之態樣。這些包含但並不限制於設 備，其包含色彩範圍轉換功能；色彩範圍轉換方法、用以適應顯示內容的顯示以考量環境照明狀況的方法；包含電腦可讀碼的程式產品，該等碼當為資料處理器所執行時，使得資料處理器可執行依據本發明之方法。
一非限定態樣提供包含像素座標映圖單元的設備，該像素座標映圖單元係被架構以依據轉移函數轉換影像資料。轉移函數係特徵於多數錨點與一自由參數。該轉移函數具有為該自由參數所控制之中間範圍斜率。在錨點的轉換並不為該自由參數所影響。此設備可以有用於轉換調色內容，來用於例如在一特定目標顯示器上之顯示。
在一些實施例中，本設備包含可以自環境光感應器接收信號及一電路連接以自環境光感應器接收一環境照明信號，並架構以根據至少部份該環境照明信號控制自由參數與錨點之一的座標的一或更多。
在一些實施例中，影像資料包含在影像中之像素的像素值組。該等像素值組包含色彩值，用於各個多數原色(例如，對應於紅、綠及藍原色的值)。該設備包含多數像素座標映圖單元，各個連接以轉換該等色彩值的一對應色彩值。在不同座標映圖單元中之轉移函數的參數可以相同或不同。適當選擇不同參數，轉換可以執行色彩校正及色彩範圍轉譯。
本發明之另一態樣包含方法，用以映圖用以顯示之影像資料於目標顯示器上。該等方法包含依據轉移函數將該影像資料的像素值轉換為對應轉換像素值。該轉移函數係 特徵於多數錨點與一自由參數。該轉移函數具有為該自由參數所控制之中間範圍斜率。對應於錨點的像素值的轉換並不為該自由參數所影響。在一些實施例中，自由參數及中間範圍錨點之位置之一或更多係考量環境照明及/或觀看者視覺系統的適應而自動地改變。
另一態樣包含藉由組合全域色調映圖轉換與局部多尺度色調映圖操作，而在目標顯示器上顯示影像資料的方法。
另一態樣提供色彩調處設備。該設備可以包含工作站，用以例如修改靜態或視訊影像。該設備可以應用以修改在影像資料中之色彩值。該色彩調處設備包含用以源影像資料之第一記憶體或輸入，及用於修改影像資料的第二記憶體或輸出。像素座標映圖單元係連接以存取該第一記憶體或輸入，並架構以依據轉移函數轉換該源影像資料，該轉移函數係特徵在於多數錨點及一自由參數。轉移函數具有為該自由參數所控制的中間範圍斜率，其中在該等錨點的轉換並未為該自由參數所影響，以得到修改影像資料並提供修改影像資料至該第二記憶體或輸出。一使用者輸入係被架構以自使用者接收用於該自由參數的值。一顯示器被連接以顯示該修改影像資料。使用者可以調整該自由參數的值，以取得顯示在該顯示器上的影像的想要外觀。
本發明之進一步態樣與本發明之特定實施例的特性係描述如下。
本發明所附之附錄形成本案之一部份。
20‧‧‧視訊分配管線
22‧‧‧原始視訊資料
23‧‧‧編輯處
24‧‧‧原始視訊播放
26‧‧‧調光站
27‧‧‧調光視訊播放
30‧‧‧顯示器
40‧‧‧設備
41‧‧‧目標顯示器
42‧‧‧輸入
43‧‧‧視訊資料
44‧‧‧螢幕
46‧‧‧色彩空間轉譯器
48R，G，B‧‧‧值
50R，G，B‧‧‧映圖單元
55‧‧‧轉移函數
附圖將例示本發明之非限制實施例。
圖1為視訊分佈管線的示意描繪圖。
圖2為依據本發明例示實施例之設備。
圖3顯示一例示轉移函數。
圖4為一流程圖，顯示一方法，其使用有關目標顯示器及輸入影像資料的資訊，以決定定義轉移函數的參數的適當值。
圖5為一流程圖，顯示一方法，用以依據例示實施例處理影像資料。
圖6顯示一流程圖，描繪一方法，其依據一例示實施例組合全域色調映圖運算子與局部多尺度色調映圖運算子。
整個以下說明、特定細節係被說明，以提供對本發明之更全盤了解。然而，本發明可以在沒有這些特定細節下加以實施。在其他例子中，已知元件並未顯示或詳細描述，以避免不必要地阻礙本發明。因此，說明書及圖式係被視為例示而不是限制用。
圖1示意顯示出視訊分配管線20。原始視訊資料22被取得及在編輯處23編輯，以提供原始視訊播放24。在原始視訊播放中之色調及/或色彩係被配色師(例如使用為調光台所提供之工具的人，藉由適當使用者介面)在調光 台26調整，以完成調光視訊播放27。調光站26包含專門監視器30，其上配色師觀看視訊播放。使用為調光站26所提供之工具與控制，配色師調整影像的所有或部份的色調及/或色彩，這作成視訊播放以完成整體外觀，當在顯示器30上觀看時，匹配配色師的藝術意圖。
如果調光視訊播放27的所有觀看者看到顯示器上的視訊播放相同於在環境狀態下之顯示器30，相同於配色師所經歷者，除了在影像的人類觀察中之個人變動之外，該等觀看者將整個看到視訊播放與配色師者所意圖一致(即，對配色師的藝術意圖為真的方式)。假定顯示器使用很寬範圍，則期待觀看者將具有相同顯示甚至不同觀看者所看的顯示器將具有類似特徵，例如最大亮度、黑階及色彩範圍將不實際。
本發明之一態樣提供映圖方法與設備，其可以自動適用，以映圖來自影像資料的色調及/或色彩，例如用以顯示調光視訊播放27至特定目的地顯示器，以接近地複製配色師的觀看經驗。
在一些實施例中，映圖方法與設備提供以下之一或多者之直接控制：-平均影像亮度(適應點)；-中間-色調局部對比；-色彩飽和；-輸入黑顯示的位準；及-輸入白顯示的位準。
這些參數影響觀看經驗。
圖2顯示依據本發明例示實施例之設備40。在此例子中，設備40具有輸入42，用以接收予以顯示在目標顯示器41的螢幕44上的視訊資料43，用以為觀看者V所觀看。視訊資料43可以包含實施創作者意圖的調光視訊資料。設備40包含色彩空間轉譯器46，其將用於視訊資料43的像素值轉譯為目標顯示器41的本地色彩空間。在所示之例示實施例中，目標顯示器41的本地色彩空間為RGB色彩空間，其以目標顯示器41的原色的強度表示，來指明色彩。
色彩空間轉譯器46可以包含例如矩陣乘法器，其將在視訊資料43中之像素值的向量乘以3×3矩陣，以得到目標顯示器41本地色彩空間值(例如，RGB值)的向量。轉移矩陣可以指定考量目標顯示器41的原色及白點。在一些實施例中，色彩空間轉譯器46可以被架構以應用一色彩空間轉換矩陣，而不必縮放峰值亮度。如下所解釋，這可以使得用於隨後影像處理操作的參數的選擇更直覺。
在以下例子中，在視訊資料43中之像素值係被以XYZ色彩空間表示及色彩空間轉譯器46執行由XYZ色彩空間至正RGB值的轉譯。本發明並不限於以XYZ色彩空間表示之色彩資料。視訊資料43也可以以任何適當色彩空間表示。
負RGB值可以造成在色彩範圍外(例如，色彩不能使用為該顯示器所用的原色的可用組合重製)的像素值的組 合的轉譯。任何為色彩空間轉譯器46所產生之負RGB值可以附在低的非負值上。或者，色彩範圍外的像素值可以在轉譯之前映圖至色彩範圍內的像素值(例如，依據視訊資料43的色彩空間內的映圖)。這可以為分離的映圖單元或例如色彩空間轉譯器46的一元件所執行。
在為色彩空間轉譯器46所處理後，視訊資料43包含值48R、48G及48B，其個別對應於目標顯示器41的紅、綠及藍(RGB)原色。
各個值48R、48G及48B被映圖單元50所獨立地映圖至一新值。映圖單元50R、50G及50B被顯示。各個映圖單元映圖自色彩空間轉譯器46接收的對應輸入值為轉換值。在所示實施例中，轉換值係個別為48R’、48G’及48B’所表示。
各個映圖單元50將其輸入值依據一轉移函數55映圖至輸出值。有利地，轉移函數55可以特徵有多數固定點，其可以稱為’錨點’，及一自由參數，其調整在中間範圍區中之該轉移函數的斜率。此斜率對應於中間範圍對比。自由參數的調整提供用以控制中間範圍對比的手段。轉移函數可以為線性或在中間範圍區域中接近線性。
圖3顯示一例示轉移函數。在圖3中，輸入值係被表示於水平軸及輸出值係被表示為垂直軸。各個軸具有對數規格。轉移函數55可以特徵有一最大值56A，用於輸出值、一最小值56B，用於輸出值及一實質線性中間色調區域56C。為映圖單元50A、50B及50C所應用至紅、藍及 綠通道的轉移函數55R、55G及55B可以相同或不同。映圖單元50A、50B及50C可以完全地獨立或可以共用硬體及/或軟體元件。
在例示實施例中，轉移函數55係由以下式所給定：
其中C1、C2及C3為常數，V為色彩通道的輸入值，V’為色彩通道的輸出值，及n為參數。式(1)的轉移函數係為參數化雙彎曲色調曲線函數例。
其他參數化轉移函數可以在另一例中使用。在一些實施例中，轉移函數包含參數，其提供對該轉移函數在上及下端的滾降的下端斜率、上端斜率、及”尖銳性”之一或更多提供控制。
在一特定例中之式(1)的參數的建立值的方法係為圖4的方法70所例示。方法70使用有關目標顯示器的資訊及有關用於調光或許可輸入視訊資料(調光顯示器)的顯示器之資訊，以決定在式(1)的參數的適當值。方塊71指明曲線55上的三個亮度錨點。第一錨點57A具有水平及垂直座標，分別等於調光顯示器及目標顯示器的黑位準。在一些實施例中，有關調光顯示器的資訊係由輸入信號推論。例如，用於調光顯示器的黑位準可以由該輸入信號推論，藉由取用在輸入信號的亮度通道之一小百分比(例如0.1百分位值)。用於目標顯示器之黑位準係為用於目標顯示器的黑位準。
第二錨點57B具有一白位準作為水平座標用於調光顯 示器，及作為垂直座標，用於目標顯示器的白點。例如，用於調光顯示器的白點可以由輸入信號推論為在輸入信號的任意色彩通道中之最大值。
中間錨點57C的位置影響顯示影像的整體亮度(例如，影像的”色調”)。中間色調錨點57C的適當選擇促成輸入影像被觀察為在目標顯示器上的適當亮度。
點57C的水平位準可以以各種方式加以設定，這些包含以下：‧計算輸入亮度的幾何平均；‧選擇將在調色環境中觀察到之固定值作為適當中間值。例如，在一些實施例中，此值將被設定為位準，例如10。
用於點57C的垂直值可以根據對應於目標顯示器的中間灰階的亮度位準。例如，在可以產生在1cd/m2及400cd/m2間之亮度值的顯示器中，中間灰階係大約20cd/m2(其為於1及400cd/m2間之對數一半)。對於點57C的適當值可以因此為對應中間灰階(在此例子中約20cd/m2)的值。在色彩空間轉譯器46係被架構以應用至色彩空間轉換矩陣沒有縮放峰值亮度的實施例中，20的值將對應於20cd/m2的中間灰階。
在一些實施例中，中間色調錨點57C係被選擇，以使得中間色調錨點的座標對白錨點座標的比例對於轉移函數的輸入及輸出在一想要因數內。
在一些實施例中，用於各個RGB座標的不同轉移函 數也可以用以提供轉換，使得視訊資料的白點被轉換以匹配目標顯示器及/或目標觀看環境的白點。達成此之一方式為以色度座標(例如CIEx，y色度座標)表達輸入視訊資料的白點並轉換成為下式所給定之已縮放XYZ值：
Y=1 (3)
這些XYZ值可以隨後被轉換為用於目標顯示器的RGB色彩空間，以得到用於輸入資料的白點，其可以被標示為(R、G、B)wp’in。當源與目標白點為相同時，兩白點在正規化RGB座標中應為(111)。對於紅、綠及藍的錨點57A、57B、57C的座標然後可以藉由將亮度錨值乘以白點值取得如下：(R,G,B) min,in =Y min,in (R,G,B) wp.in (5)
(R,G,B) max,in =Y max,in (R,G,B) wp.in (6)
(R,G,B) mid,in =Y mid,in (R,G,B) wp.in (7)
(R,G,B) min,out =Y min,out (R,G,B) wp.out (8)
(R,G,B) mid,out =Y mid,out (R,G,B) wp.out (9)
(R,G,B) max,out =Y max,out (R,G,B) wp.out (10)
其中下標’in’表示輸入影像資料，下標’out’表示輸出 資料(即正傳送用以顯示的資料)；(Ymax,in，Ymax,out)係錨點57B的未調整座標；(Ymin,in，Ymin,out)為錨點57A的未調整座標；及(Ymid,in，Ymin,out)為錨點57C的未調整座標；及(R，G，B)wp,out為目標顯示器的白點的RGB座標。
式(5)至(10)提供一組三錨點給每一色彩通道。例如，用於紅色彩通道的錨點57A係由(Rmax,in，Rmax,in)所給定及用於紅色彩通道的錨點57B係為(Rmin,in，Rmin,out)所給定；及用於紅色彩通道的錨點57C係為(Rmid,in，Rmid,out)所給定。其中用於輸入視訊資料及目標顯示器的白點並不相同，該組錨點將不同，這造成每一色彩通道不同的轉移函數。
用於為式(1)所提供之形式之各個色彩通道的轉移函數可以藉由執行以下計算由相關錨點的座標取得，
其中x1，x2及x3係由下式給定：
及y1、y2及y3係由下式給定：
上述轉移函數的一特性為n保持為自由參數。這允許中間色調對比被設定至任何想要位準。應注意的是，在中 間色調錨點的log-log斜率將略微不同於n的值，如果中間色調錨點並未對中於輸入及輸出範圍的話。然而，中間色調對比可以藉由調整n的值。用於中間色調對比參數n的良好開始點為1。用於n的此值確保映圖場景具有實質類型中間範圍局部對比於目標顯示器上及在原始場景中。
以上述給定轉移函數，用於各個紅、綠及藍色通道的顯示器線性亮度值可以表示如下：
這些值可以用以驅動目標顯示器以顯示影像。在一些實施例中，這些值可以在被用以驅動目標顯示器之前，對目標顯示器的回應校正為線性輸入值(例如正規化)。
在一些實施例中，用於目標顯示器的正規化驅動值(Rnorm，Gnorm，Bnorm)係使用下列關係式加以計算：
正規化值可以縮放至用於目標顯示器的驅動信號的範圍(例如，對於8位元目標顯示器之範圍0-255)。
或者，影像色彩可以藉由增加色彩飽和來加強。例如，這可以使用以下關係式完成：
在式(20)中之a，b及c的值可以參考對應於該逆色彩空間轉譯器46的逆轉換矩陣M的元件加以定義([X，Y，Z]T=M*[R，G，B]，明確地說，a可以由a=M(2，1)給定，b可以為b=M(2，2)給定，及c可以為c=M(2，3)給定。在式(20)，(21)及(22)中，S為自由參數。對於S的值大於1將使色彩飽和增加。對於S的值小於1將使得色彩飽和減少(即將使得色彩變得更去飽和)。
當需要或想要時，正規化驅動值可以為伽瑪校正。例如，這可以藉由以下關係式完成：
其中γ為顯示回應。γ在一些目標顯示器中大約2.2。當正規化驅動值被再飽和時，伽瑪校正可以執行於再飽和驅動值上(R’、G’及B’)。
在部份實施例中，影像色彩係被再飽和以回復由於色 調壓縮造成之至少大約的飽和損失。當於影像中之色調範圍內，色調壓縮並不是常數時，應用至不同色調的色調壓縮的不同位準造成不同色彩被去飽和至不同程度。通常，色調壓縮的量愈大，則去飽和的量愈大。色調壓縮的量可以藉由色調曲線的log-log斜率量化。如例示例子所示，雙彎曲色調曲線函數在圖3中被繪成曲線55，在實質線性中間色調區域56C中將較其在最大值56A及最小值56B附近具有更陡的log-log斜率。因此，相較於實質線性中間色調區域56C，由輸入(水平座標)至輸出(垂直座標)的色調壓縮係大於值56A及56B的附近。
應用全域再飽和技術可以再飽和所有像素，而無關於為色調壓縮所造成之去飽和的量。一些實施例依據轉換影像資料像素的色調壓縮量，再飽和轉換影像資料像素。假定色調壓縮量對應於色調曲線的log-log斜率，則用於輸入值Lin的色調壓縮的量可以被決定為轉移函數Lout=f(Lin)在輸入值Lin的導數。此轉移函數的log-log斜率可以藉由設定Lin=ex及Lout=ey並解開dy/dx加以決定，其代表log-log斜率。對於依據上式(1)的色調曲線，y可以表示為：y=log(c 1+c 2 e nx )-log(1+c 3 e nx ) (26)
及在曲線上的任何點的log-log斜率c(Lin)可以被計算為在Lin相對於x的y的導數
對於色彩通道R，G及B，再飽和驅動值(Rre-sat，Gre- sat，Bre-sat)針對正規化驅動值可以決定如下：
其中f(c)係給定為：
及k1與k2為常數。在一些實施例中，k1=1.6774。在一些實施例中，k1=1.677。在一些實施例中，k1=1.68。在一些實施例中(包含非限制一些實施例，其中k1=1.6774、k1=1.677或k1=1.68)k2=0.9925。在一些實施例中(包含非限制一些實施例，其中k1=1.6774、k1=1.677或k1=1.68)k2=0.992。在一些實施例中(包含非限制一些實施例，其中k1=1.6774，k1=1.677或k1=1.68)k2=0.99。可以了解的是，可接受結果可以使用其他值k1及k2加以取得。將了解的是，再飽和驅動值Rre-sat、Gre-sat及Bre-sat可以根據用於各個紅、綠及藍通道的顯示線性亮度值(Rout，Gout，Bout)加以計算。
可以了解的是，用於色調壓縮相關再飽和的上述技術可以以參數無關的方式(自動)加以實施。
圖5為一流程圖，顯示依據另一例示實施例之方法80。方法80加入若干選用步驟，在方塊81中，方法80將影像資料轉換為目標顯示器的色彩空間。在所例示例子 中，目標顯示器具有紅-綠-及藍-原色及色彩空間係為RGB色彩空間。方塊81可以包含執行轉換，其將目標顯示器的白點與原色列入考量。方塊81在影像資料已經在目標顯示器的本地色彩空間中時為選用。
方塊82決定用於源及目標的色白點。白點可以例如在任何適當色彩空間中被表示為色度座標並被轉換為目標顯示器的本地色彩空間。
方塊83建立用於轉移函數的初始黑位準及白位準錨點。初始錨點可以根據用於源及目標顯示器的黑及白位準加以設定。
方塊84建立用於轉移函數的初始中間色調錨點。中間色調錨點可以透過源影像資料(例如藉由決定源影像資料的亮度的幾何平均值)的分析並決定目標顯示器的特徵(或目標顯示器的特徵及在目標顯示器的現行觀看環境)加以決定。
方塊85根據在方塊82中決定的白點(應用例如式(5)至(10))加以調整錨點。
方塊86使用為在方塊85中所決定的調整錨點所指明的轉移函數映圖影像資料。
方塊87根據來自方塊86的映圖影像資料，計算用於目標顯示器的驅動值。
選用方塊88調整色彩飽和(方塊88，例如應用式(20)至(22)或(28)至(30))。
方塊89伽瑪校正驅動值。
透過方法80的應用所產生之驅動值可以被應用以驅動目標顯示器，以顯示影像及/或儲存或傳送供隨後顯示在目標顯示器上。
於此所述之設備與方法可以用以針對特定環境觀看狀態以最佳化目標顯示器。上述之一般類型之轉移函數可以動態地移位以容許在環境照明上之改變及人類視覺系統(HVS)的所得變化適應位準。用於目標顯示器的理想亮度中點可以為環境光的函數。中間色調錨點的垂直元件可以根據環境照明狀態加以選擇。
在一些實施例中，固定中間錨點57C係根據部份環境照明或觀看者的眼部的評估適應(其本身可以根據至少部份量測得之環境照明或量測環境照明及過去顯示器內容的組合)及目標顯示器的特徵加以完成。例如，點57C的垂直座標可以根據在目標顯示器附近之環境照明加以調整。例如，如果顯示器係在暗環境照明狀態(或觀看者的眼部係被評估為適應暗)，則垂直座標可以降低至一較低亮度值，以及，當顯示器係在具有高環境照明的環境(或觀看者的眼部係被評估為適應較亮狀態)，則該值可以增加。
在一些實施例中，(例如依據式(20)、(21)及(22)及式(28)、(29)及(30))飽和調整的量係根據至少部份環境照明或觀看者眼部的評估適應(其本身係根據至少部份量測環境照明或量測照明與過去顯示器內容的組合)及目標顯示器的特徵。例如，參數S可以根據目標顯示器的附近之環境照明或量測環境照明及過去顯示內容的組合加以調整。 例如，如果顯示器在暗環境照明狀態(或觀看者的眼部係被評估為暗適應)，則參數S的值可以相對被設定為較低，當目標顯示器係在具有高環境照明的環境(或觀看者眼部係評估為適應較亮狀態)，則該值被設定為相對較高。部份實施例提供再飽和控制單元，其接收來自環境光感應器的信號及/或包含過去影像內容的信號及/或表示過去顯示內容的整體亮度的信號。該再飽和控制單元可以被架構以設定用於一參數的新值(例如參數S)，其根據該等接收信號影響該再飽和的量。
在部份實施例中，環境照明的頻譜特徵係被列入考量。例如，在各個色彩通道之轉移函數中之點57C的位置可以分離地根據部份在對應於色彩通道的頻譜範圍中之環境照明的量，加以設定。
另外或者，轉移函數的斜率可以根據環境照明(或觀看者的眼部的適應的評估)加以控制。當環境光愈亮時，來自顯示表面的反射傾向於上升黑位準。這有效降低目標顯示器的範圍。在高環境照明狀況下(觀看者的眼部係被評估為光適應)，在中間色調範圍中之轉移曲線的斜率可以降低，以在環境狀態下，提供加強觀看經驗。例如，對於低(暗)環境照明狀態，對比百分比降低。這造成影像呈現”平淡”。因此，轉移函數的中間色調部的斜率係由1：1增加至較大斜率，例如到達1：1.5等等(例如1.3的斜率)，以增加用於暗適應眼部的對比位準。這可以藉由改變自由參數n的值加以完成，其中式(1)所例示之類型的 轉移函數係被應用。該斜率可以回應於來自環境光感應器的輸入加以控制。
在一些實施例中，設有光適應電路，以回應於可能包含來自環境光感應器、代表加權平均或歷史影像內容等亮度的其他表示的信號的輸入，而評估人類視覺系統的適應位準。該光適應電路可以例如根據人類視覺系統的模型。用以評估人類視覺系統的適應位準的各種演算法係為本技藝中所知。光適應電路可以以任何適當方式實施此等演算法，包含軟體執行一或更多可程式資料處理器、固定邏輯電路、或其組合。用於中間色調對比及/或轉移函數中之點57C的位置之值可以回應於自光適應電路輸出加以自動控制。
在一些實施例中，轉移函數係被設立一次用於一目標顯示器。該轉移函數可以例如被建立於目標顯示器中並實施為一或更多可程式處理器的形式，其執行韌體或其他軟體，以依據上述轉移函數；實施上述轉移函數的查看表；設立以根據上述轉移函數提供輸出的硬體接線或可架構邏輯電路等等執行映圖。
在部份實施例中，用於目標顯示器的紅、綠及藍通道的驅動值係被轉換為匹配顯示器的位元深度。例如，顯示器可以使用8位元驅動值。如果轉換函數係被用浮動點或其他較高準確度計算，則轉換可以例如捨去驅動值至最接近對應8位元值。
在前述實施例中，用於輸入視訊資料的最小及最大亮 度值可以個別映圖至用於顯示器的像素的最小及最大亮度值。再者，來自輸入視訊信號的選擇中間色調點可以作成映圖至用於顯示器的選擇中間色調點。中間色調對比保持一自由參數。上述轉移函數的另一特性為它們提供低及高值的壓縮或放大，同時，保留局部對比在中間色調範圍內。
在一些實施例中，特定影像(例如，特定視訊框或順序視訊框)係相對地低平均亮度(重色調)，而其他影像(例如框或框群)可以被專門作成具有相對高平均亮度(淡色調)。在一些實施例中，有關於影像的意圖色調的資訊係被提供於元資料的形式中。該元資料可以例如在調色操作時相關於影像資料加以建立。例如，元資料可以實施於或相關於承載色彩調色視訊資料的信號。在一些實施例中，如元資料所指示之影像的色調可以用以決定用於轉移函數的中間色調錨點。其中元資料表示暗色調影像，該錨點的垂直座標可以被移動至較低值，因此，在該目標顯示器中重建該色調。
對於不同參考顯示器，可以調色不同視訊內容。當在上述方法之後，吾人想要取決於執行調色的參考顯示器的特徵，而不同地映圖內容在任何特定目標顯示器上。指明參考顯示器或其特徵的資訊可以例如被承載內建於或相關於影像資料的元資料中。目標顯示器可以儲存用於多數的不同組轉移函數的參數。不同組轉移函數可以對應於或用於視訊資料，其已經使用不同參考顯示器加以調光者。
例示轉移函數的另一特性具有為式(1)所提供的形式，在於相同轉移函數可以取決於所選擇的參數，提供在範圍的高及低端壓縮或放大。例如，當目標顯示器具有較輸入資料為大的亮度值時，則目標顯示器可以被架構以轉移函數，其放大影像資料的範圍以匹配或更接近目標顯示器的範圍。
於此所述之依據一些實施例之方法與設備的優點為映圖係被執行於目標顯示器的RGB色彩空間中。這可以節省大量的計算及/或降低執行映圖所需之硬體的複雜度。
映圖可以即時執行。
依據一些實施例之方法提供對以下之各個之直接控制：1)平均影像亮度(“適應點”)，2)中間色調局部對比(由色調曲線斜率所設定)，3)輸入黑映圖至最小顯示亮度，及4)輸入白映圖至最大顯示亮度。這些變數已經被認為是提供影像的基礎，其重建實施在原始影像資料中之創作意圖。在例示實施例中，這些變數明確地對應於分開參數。此等方法隨後提供單一有效方式以執行色彩映圖，其取原始影像資料(其可以例如包含高動態範圍(HDR)資料及/或調色影像資料)並映圖原始影像資料至特有輸出顯示器的有限3維色彩範圍。
於此所述之色彩映圖方法與設備也可以或者用於調色/內容創作中。配色師可以提供一濾色器，其實施上述之轉換。該濾色器可以具有控制，其允許配色師以直接設定 轉移函數的直接設定參數。該配色師可以使用這些控制，例如，以調整黑位準等等。在一些實施例中，控制包含控制，以允許對以下之一或更多者作直接設定：用於白位準錨點、黑位準錨點及中間位準錨點(例如分別57A、57B及57C)的一或更多之座標及中間位準對比(例如參數n)。此等控制可以允許配色師設定白位準、黑位準及色調，而不必顯著影響中間色調斜率及反之亦然。
在一些實施例中，該設備係用以自動決定可以接近配色師所想要的參數的開始組。這些開始參數可以例如根據特徵化輸入視訊內容的資訊(例如像素色彩/亮度座標的最小值及最大值)及特徵化目標顯示器的資訊(例如白位準、黑位準及選用元資料(例如表示被處理的影像資料的色調的元資料)加以產生。
創作不同版本的顯示器的視訊播放具有較大及較小能力。例如，標準動態範圍(SDR)調色可以執行以產生，用以處理顯示在傳統顯示器上的視訊。於此所述之工具可以應用以自動建立視訊的SDR版。配色師可以導引工具的操作，以產生最佳結果。
再者，當配色師已經設定參數以提供一版本以在較低能力顯示器上觀看時，則於具有中間能力顯示器上執行映圖所用的參數可以為配色師所選擇的參數值決定用於低能力顯示器。這可以例如藉由內插為配色師所建立的參數值加以完成，以顯示較顯示器具有中間能力為高及為低能力的顯示器。
於此所述之方法與設備並未被限制於使用有關於專業等級調光。用於調光的工具可為業餘者所取得，甚至當調光係對未校正監視器(例如，家用電腦顯示器、電視等等)執行時，於此所述之方法及設備可以轉譯用以在未校正監視器上所建立的內容至另一顯示器(例如，藉由評估未校正調光顯示器的能力)。於此所述之技術也可應用至未色彩調光的信號。
組合全域色調映圖運算子與局部多尺度色調映圖運算子
於此所述之色彩映圖方法與設備可以組合其他色調映圖技術，例如，局部色調映圖運算子(TMO)。圖6描繪一例示實施例，其中，全域色調映圖運算子如於此所述係被組合局部多尺度色調映圖運算子，如於美國臨時申請案61/448，606之G.J.Wardin的”局部多尺度色調映圖運算子”所述者(以下稱”Ward”參考案)，該案整個係併入參考，如附錄形成本案的整體部份。例示實施例組合全域TMO的可預測性及穩定性與當使用局部多尺度運算子(MS TMO)時的保留高亮度(highlight)及色彩傳真度的能力。
如在圖6中所描繪，方法60藉由存取輸入影像或視訊資料，而在步驟62開始。這些資料可以儲存或傳送於各種色彩格式，例如YCbCr、RGB、XYZ等等。在步驟63，吾人可以由輸入資料抽出亮度成份，例如Y。取決於輸入資料的格式(例如，RGB)，此步驟可能需要色彩轉換(例如RGB至XYZ)。步驟64可能應用如式(1)所述之全域 色調映圖運算子55至輸入資料的Y色彩成份。在一例示實施例中，全域TMO55的錨點可以被選擇使得輸入資料的亮度範圍係映圖至[4*LdMin，1/2*LdMax]，其中LdMin及LdMax表示目標顯示器的最小及最大亮度。4及½的縮放因數為典型，但可調。
在例示實施例中，步驟64的輸出可以被表示為全域色調映圖亮度資料YTM。在步驟65中，也可以應用一局部多尺度色調映圖運算子(MS TMO)(稱為”Ward”)至YTM資料。例如，首先，計算全域對數比影像
定義為全域色調映圖亮度資料的對數除以原始亮度像素。假定全域對數比影像RL如上所述為Ward，則MS TMO的輸出(步驟65)可以為局部色調映圖亮度影像，表示為YMS。使用YMS，可以計算
及
在步驟66中，XMS、YMS及ZMS資料可以被轉換回到RMS、GMS及BMS(RGBMS)資料，具有為目標顯示器所決定的原色、白、及黑階。負或色彩範圍外RGBMS值可以使用任何已知色彩範圍映圖演算法，附接很小正值或可以再映圖至色彩範圍內RGB值。
假定來自步驟66及67的色彩範圍內RGBMS資料可 以再施加全域色調映圖運算子55至所有色彩成份，以輸出全域色調映圖校正資料RGBG-MS。第二全域色調映圖運算的應用保證MS TMO的輸出係在目標顯示器的範圍內。最後，在步驟68，在顯示影像資料前(步驟69)，RGBG-MS資料可以如所需地伽瑪校正用於輸出顯示。
本發明之某些實施包含電腦處理器，其執行軟體指令，以造成處理器執行本發明之方法。例如，在一顯示器中一或更多處理器、調色台、機頂盒、轉碼器等等可以實施影像資料換方法，如上所述，藉由執行在處理器可得之程式記憶體之軟體指令。本發明也可以提供為程式產品的格式。程式產品可以包含任何媒體，其承載一組電腦可讀取信號，其包含指令，其當為資料處理器所執行時，使得資料處理器執行本發明之方法。依據本發明之程式產品可以為各種的任意形式。程式產品可以包含例如實體媒體，例如磁資料儲存媒體，包含軟碟、硬碟機、光資料儲存媒體，包含CD-ROM、DVD，電子資料儲存媒體，包含ROM、快閃RAM等等。在程式產品中之電腦可讀取信號可以選用地壓縮或加密。
當有上述元件(例如，軟體模組、處理器、組件、裝置、電路等等時)，除非特別指出該元件(包含指出為”手段”)應被解釋為該元件的等效，及任意元件其執行該所述元件的功能(即功能上等效)，包含元件在結構上並不等效於所揭示之結構，其執行在本發明所示例示實施例之功能。
一些非限定實施例可以(例如取決於環境)提供一或更多之以下的優點：‧依據色調映圖曲線，以黑點錨映圖可以避免暗輸入內容的過量色調壓縮；‧依據色調映圖曲線，以黑點及/或白點錨映圖可以用較沒有此一或兩者錨點之曲線的色調映圖，利用目標顯示器的更多亮度範圍；‧最大化亮度範圍色彩通道特定映圖功能可以應用至目標顯示器的RGB色彩空間(例如，在由輸入色彩空間轉換至目標顯示器RGB色彩空間)；及‧用於目標顯示器的輸出視訊資料的白點、亮度、及/或中間對比可以以轉移函數調整(而不是依據一轉移函數在映圖之前或之後調整)。
一些實施例可能未提供上述任一優點；一些實施例可以提供不同優點(例如不同或補充於上述優點)。
可以為熟習於本技藝者所了解，針對前述揭示，很多替換及修改係在實施本發明於不脫離本發明的精神與範圍下加以完成。因此，本發明之範圍係想要依據以下申請專利範圍所定義的物質加以建構。
55‧‧‧轉移函數

Claims (29)

  1. 一種影像資料轉換的設備，包含：像素座標映圖單元，被架構以依據一參數化轉移函數以轉換影像資料，該轉移函數特徵在於多數錨點與一自由參數，該參數化轉移函數具有為該自由參數所控制之中間範圍斜率，其中在該等錨點的轉換並未為該自由參數所影響；其中該等錨點包含黑階及白階錨點與中間色調錨點，該黑階錨點對應於由參考顯示器的黑階至用於顯示該轉換影像資料的目標顯示器的黑階之轉換，該白階錨點對應於由該參考顯示器的白階至該目標顯示器的白階的轉換；其中該參考顯示器的該黑階與該目標顯示器的該黑階不同，及/或該參考顯示器的該白階與該目標顯示器的該白階不同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該影像資料包含多組像素值，用於影像中之像素，該等組像素值包含用於各個該多數原色的色彩值及該設備包含多數該像素座標映圖單元，各個連接以轉換該等色彩值中的對應色彩值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，更含電子影像顯示器，其中該等色彩值各個對應於為該電子影像顯示器所原生的原色。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該色彩值包含用於紅(R)、綠(G)及藍(B)原色的值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之設備，包含電子影像 顯示器，其中該R、G及B原色係原生於該電子影像顯示器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之設備，更包含影像資料轉換器，架構以將影像資料由輸入影像資料格式轉換為用於該電子影像顯示器的原生RGB影像格式。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該自由參數係依據至少部份環境照明信號加以控制。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該等錨點包含黑階及白階錨點，該黑階錨點對應於由該影像資料的黑階至目標顯示器的黑階的轉換，該白階錨點對應於由該影像資料的白階至該目標顯示器的白階的轉換。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該等錨點包含中間色調錨點，該中間色調錨點將該影像資料的代表中間值轉換為用於目標顯示器的中間值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該代表中間值包含該影像資料亮度的幾何平均值及該設備更包含處理器，架構以計算該影像資料亮度的該幾何平均值。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該代表中間值為設定在該設備中的固定值。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該設備被架構以接收對應於該影像資料的元資料並根據至少部份該影像資料，設定該中間色調錨點的位置。
  13. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該用於該映圖單元的轉移函數彼此不同。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之設備，其中該設備被架構以至少部份根據該輸入影像資料及該電子影像顯示器的白點，設定該等錨點的座標。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該像素座標映圖單元被架構以依據下式執行轉換 其中V為輸入座標值，V’為輸出座標值，C1、C2及C3為對應於錨點的參數及n為該自由參數。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該設備係被架構以依據該轉換影像資料像素的色調壓縮量，再飽和該轉換影像資料像素。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之設備，其中該設備係架構以依據在該轉換像素值的該轉移函數的該斜率，再飽和該轉換影像資料像素。
  18. 一種用以映圖影像資料於目標顯示器上顯示的方法，該方法包含依據參數化轉移函數將該影像資料的像素值轉換為對應轉換像素值，該參數化轉移函數的特徵在於多數錨點與一自由參數，該參數化轉移函數具有為該自由參數所控制之中間範圍斜率，其中對應於該等錨點的像素值的轉換並不為該自由參數所影響；其中該等錨點包含黑階與白階錨點與中間色調錨點，該黑階錨點對應於參考顯示器的黑階至目標顯示器的黑階的轉換，該白階錨點對應於由該參考顯示器的白階至該目標顯示器的白階的轉換；其中該中間色調錨點的座標係根據至少部份環境照明信號 加以控制；其中該環境照明信號係表示在該目標顯示器附近的環境照明；其中該參考顯示器的該黑階與該目標顯示器的該黑階不同及/或該參考顯示器的該白階與該目標顯示器的該白階不同。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該影像資料包含色彩調色內容。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中對於各個像素，該等像素值包含一組多數值，分別對應於多數原色及該方法包含分開轉換對應於各個該多數原色的該像素值。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該等不同原色的該轉換並不全部相同。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中該轉換完成色彩範圍(gamut)映圖及色彩校正。
  23. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該自由參數係根據至少部份表示環境照明的信號加以控制。
  24. 如申請專利範圍第18至23項中任一項所述之方法，其中該轉移函數係由下式給定： 其中V為輸入像素值，V’為轉換像素值，C1、C2及C3為對應於多數錨點的參數及n為該自由參數。
  25. 如申請專利範圍第18項所述之方法，更包含依據該轉換像素值的色調壓縮量，再飽和該轉換像素值。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該轉換 像素值的再飽和的量係依據在該轉換像素值的該轉移函數的該斜率。
  27. 一種色彩調處設備，用以修改在影像資料中之色彩值，該色彩調處設備包含：用於源影像資料的第一記憶體或輸入；用於修改影像資料的第二記憶體或輸出；像素座標映圖單元，連接以存取該第一記憶體或輸入並架構以依據參數化轉移函數轉換該源影像資料，該參數化轉移函數特徵在於多數錨點及一自由參數，該參數化轉移函數具有為該自由參數所控制之中間範圍斜率，其中在該等錨點的轉換並不為該自由參數所影響，以得到該修改影像資料並提供該修改影像資料給該第二記憶體或輸出，其中該等錨點包含黑階及白階錨點與中間色調錨點，該黑階錨點對應於由調光顯示器的黑階至目標顯示器的黑階的轉換，該白點錨點對應由該調光顯示器的白階至該目標顯示器的白階的轉換；其中該中間色調錨點的座標係根據至少部份環境照明信號加以控制；其中該環境照明信號係表示在該目標顯示器附近的環境照明；其中該調光顯示器的該黑階與該目標顯示器的該黑階不同及/或該調光顯示器的該白階與該目標顯示器的該白階不同；使用者輸入，架構以自使用者接收用於該自由參數的值；及顯示器，連接以顯示該修改影像資料。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之色彩調處設備，其 中該影像資料包含多數色彩通道，該設備包含多數該像素映圖單元，用於各個該等色彩通道及該使用者輸入的一個像素映圖單元係架構以自該使用者接收用於各個該等色彩通道的該自由參數的分離值。
  29. 如申請專利範圍第27項所述之色彩調處設備，其中該使用者輸入係被架構以自使用者接收指明該等錨點之至少之一的位置的資訊。
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