(57)【要約】【課題】  対象物の材質感及び形状の曲率を再現できるデジタル画像の階調圧縮方法及び階調圧縮装置を提供すること。【解決手段】  デジタル画像の階調圧縮方法において、画素の輝度に応じて、デジタル画像の領域を高輝度領域と低輝度領域とに分割する画像領域分割工程３０と、光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により高輝度領域及の画素の輝度を階調圧縮する網膜応答圧縮工程４０とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2008234315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル画像の階調圧縮方法において、
デジタル画像の画素の輝度に応じて、デジタル画像の領域を高輝度領域と低輝度領域とに分割する画像領域分割工程と、
光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により前記高輝度領域の画素の輝度を階調圧縮する網膜応答圧縮工程と、
を備えることを特徴とするデジタル画像の階調圧縮方法。
【請求項２】
前記画像領域分割工程は、デジタル画像の画素の輝度に応じて、デジタル画像の領域を高輝度領域と中輝度領域と低輝度領域とに分割し、
前記網膜応答圧縮工程は、光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により前記高輝度領域及び前記中輝度領域の画素の輝度を階調圧縮し、
前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮される前の第１の輝度と、前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮された後の第２の輝度とを加重平均することにより、前記中輝度領域の画素の輝度を修正する中輝度領域加重平均工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像の階調圧縮方法。
【請求項３】
前記画像領域分割工程によりデジタル画像の領域を分割する前に、デジタル画像の画素の輝度を線形補正する線形補正工程を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のデジタル画像の階調圧縮方法。
【請求項４】
前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮される前の第１の輝度の対数値と前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮された後の第２の輝度の対数値との入出力関係を示す入出力応答曲線の傾きが、前記第１の輝度の対数値と前記第２の輝度の対数値とが同一であるとする入出力不変直線と交差する点において、前記入出力不変直線の傾きと略一致することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のデジタル画像の階調圧縮方法。
【請求項５】
Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間における色のベクトルの方向を維持しつつ、輝度をＸＹＺ色空間で階調圧縮し、色調をＬ＊ａ＊ｂ＊色空間で相対的に保持することを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載のデジタル画像の階調圧縮方法。
【請求項６】
デジタル画像の画素の輝度に応じて、デジタル画像の領域を高輝度領域と低輝度領域とに分割する画像領域分割手段と、
光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により前記高輝度領域の画素の輝度を階調圧縮する網膜応答圧縮手段と、
を備えることを特徴とするデジタル画像の階調圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル画像の階調圧縮方法及び階調圧縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル画像は、ＣＲＴディスプレイモニタ、液晶ディスプレイモニタ、プラズマディスプレイモニタ等の表示デバイス、プリントデバイスにより画像として再現される。しかしながら、ＣＲＴディスプレイモニタ等の表示デバイスやプリントデバイスは、それぞれ表現可能な輝度に限界がある。例えば、汎用のＣＲＴディスプレイモニタ、液晶ディスプレイモニタの各チャンネルは、階調を８ビットで表現する。一方、デジタル画像の各チャンネルは、８ビットを超える、１６ビット、２４ビット等のデータを記録できる。したがって、階調が８ビットを超えるデジタル画像（以下、ＨＤＲ（Ｈｉｇｈ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｇｅ）デジタル画像）を汎用のＣＲＴディスプレイモニタ等で再現するためには、ＨＤＲデジタル画像を８ビット以下のデジタル画像（以下、ＬＤＲ（Ｌｏｗ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｇｅ）デジタル画像）に圧縮する必要がある。また、人間の眼が感知できる輝度の範囲は、汎用の表示デバイス、プリントデバイスが再現可能な輝度を遥かに超える高輝度領域まで及ぶ。したがって、汎用のＣＲＴディスプレイで再現されたＬＤＲデジタル画像の映像を見ると、違和感を覚えることがある。
【０００３】
従来のＨＤＲデジタル画像の階調圧縮方法を２種類に大別すると、ＨＤＲデジタル画像の全ての画素に対して同じ圧縮関数を用いて処理するグローバルオペレータと、ＨＤＲデジタル画像の画素毎に圧縮関数が変化するローカルオペレータとがある。グローバルオペレータは、ＨＤＲデジタル画像の画素の輝度を所定の輝度値の範囲に分けて輝度ヒストグラムを作成し、この輝度ヒストグラムに基づきＨＤＲデジタル画像の画素の輝度を圧縮する（例えば、非特許文献１参照）。一方、ローカルオペレータは、ＨＤＲデジタル画像の輝度成分とその低周波成分とを用いることにより、アナログ写真技術で用いられる覆い焼き、焼き込みに類似した効果を得る（例えば、非特許文献２参照）。
【非特許文献１】“Ａ  Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ  Ｔｏｎｅ  Ｒｅｐｒｏｄｕｔｉｏｎ  Ｏｐｅｒａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｇｅ  Ｓｃｅｎｅｓ”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｇｒａｐｈｉｃｓ，  １９９７，  Ｖｏｌ．３，  Ｎｏ．４，  Ｐ２９１−３０６
【非特許文献２】“Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｔｏｎｅ  Ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｅｓ”  ＡＣＭ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ，  ＪＵＬＹ  ２００２，  Ｖｏｌ．２１，  Ｎｏ．３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、グローバルオペレータによりＨＤＲデジタル画像を階調圧縮すると、デジタル画像のハイライト部分（入射光の正反射ベクトルと視覚ベクトルとがなす角度が０°〜１０°付近の部分）の大きさが変動する。ハイライト部分の大きさは、対象物の材質感及び形状の曲率に影響を与える。例えば、ハイライト部分の大きさが比較的小さくなると、対象物が金属質ではなくゴム質であるかのように表現される。また、ハイライト部分の大きさが比較的大きくなると、画素が白飛びし、対象物の形状の曲率が表現できなくなる。また、グローバルオペレータによりＨＤＲデジタル画像を階調圧縮すると、デジタル画像のシェード部分（入射光の正反射ベクトルと視覚ベクトルとがなす角度が３０°以上の部分）の輝度の階調が変動する。シェード部分の輝度の階調は、対象物の形状の曲率に影響を与える。例えば、輝度の階調が緩やかになると、形状の曲率が緩やかな印象を与える。また、輝度の階調が急になると、形状の曲率が急な印象を与える。
【０００５】
ローカルオペレータによりＨＤＲデジタル画像を階調圧縮すると、ハイライト部分の輝度のバランスが崩れ、対象物の形状の曲率に影響を与える。また、シェード部分の輝度の階調が全体的に変動し、対象物の形状の曲率に影響を与える。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、対象物の材質感及び形状の曲率を再現できるデジタル画像の階調圧縮方法及び階調圧縮装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、第１の発明は、デジタル画像の階調圧縮方法において、
デジタル画像の画素の輝度に応じて、デジタル画像の領域を高輝度領域と低輝度領域とに分割する画像領域分割工程と、
光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により前記高輝度領域の画素の輝度を階調圧縮する網膜応答圧縮工程と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に係るデジタル画像の階調圧縮方法において、前記画像領域分割工程は、デジタル画像の画素の輝度に応じて、デジタル画像の領域を高輝度領域と中輝度領域と低輝度領域とに分割し、
前記網膜応答圧縮工程は、光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により前記高輝度領域及び前記中輝度領域の画素の輝度を階調圧縮し、
前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮される前の第１の輝度と、前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮された後の第２の輝度とを加重平均することにより、前記中輝度領域の画素の輝度を修正する中輝度領域加重平均工程を備えることを特徴とする。
【０００９】
このように、前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮される前の第１の輝度と、前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮された後の第２の輝度とを加重平均し、前記中輝度領域の画素の輝度を修正することにより、階調圧縮後の輝度の階調を連続的につなぐことができる。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係るデジタル画像の階調圧縮方法において、前記画像領域分割工程によりデジタル画像の領域を分割する前に、デジタル画像の画素の輝度を線形補正する線形補正工程を更に含むことを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１〜第３いずれかの発明に係るデジタル画像の階調圧縮方法において、  前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮される前の前記第１の輝度の対数値と前記網膜応答圧縮工程により階調圧縮された後の前記第２の輝度の対数値との入出力関係を示す入出力応答曲線の傾きが、前記第１の輝度の対数値と前記第２の輝度の対数値とが同一であるとする入出力不変直線と交差する点において、前記入出力不変直線の傾きと略一致することを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１〜第４いずれかの発明に係るデジタル画像の階調圧縮方法において、  Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間における色のベクトルの方向を維持しつつ、輝度をＸＹＺ色空間で階調圧縮し、色調をＬ＊ａ＊ｂ＊色空間で相対的に保持することを特徴とする。
【００１３】
このように、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間における色のベクトルの方向を維持しつつ、輝度をＸＹＺ色空間で階調圧縮し、色調をＬ＊ａ＊ｂ＊色空間で相対的に保持することにより、対象物の色の印象を再現できる。また、完全拡散反射面の輝度（Ｙ＝１００）を閾値として利用できる。
【００１４】
第６の発明は、デジタル画像の階調圧縮装置において、デジタル画像の画素の輝度に応じて、デジタル画像の領域を高輝度領域と低輝度領域とに分割する画像領域分割手段と、
光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により前記高輝度領域の画素の輝度を階調圧縮する網膜応答圧縮手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、人間の眼が光を感じる過程をデジタル画像の階調圧縮に適用することにより、対象物の材質感及び形状の曲率を再現できるデジタル画像の階調圧縮方法及び階調圧縮装が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１７】
図１は、本発明に係る画像階調圧縮方法の一実施例の工程を示す工程図である。これらの工程は、例えば、マイクロコンピュータにより実現される。本実施例の画像階調圧縮方法は、図１に示すように、前処理工程１０と、線形補正工程２０と、画像領域分割工程３０と、網膜応答圧縮工程４０と、中輝度領域加重平均工程５０と、色調階調圧縮工程６０とからなる。本実施例の画像階調圧縮方法は、人間の眼が光を感じる過程をデジタル画像の階調圧縮方法に適用する。以下、各工程について詳説するが、最初に、人間の眼が光を感知する過程と本実施例の各工程の対応関係について説明する。
【００１８】
人間の眼は、明るい環境下では眼に入る光量を減らすため瞳孔が小さくなり、暗い環境下では眼に入る光量を増やすため瞳孔が大きくなる。線形補正工程２０は、人間の眼が環境により瞳孔の直径を調整し眼に入る光量を調整する過程に対応する。
【００１９】
また、人間の眼は、視野の中に輝度の高い高輝度領域と輝度の低い低輝度領域とが存在すると、高輝度領域が映る部分の網膜細胞において光の輝度に対する感度が低下する所謂部分順応が起きる。部分順応が起きると、高輝度領域が映る部分の網膜細胞だけではなく、近接する網膜細胞でも、光の輝度に対する感度が低下する。すなわち、高輝度領域と低輝度領域との境目となる中輝度領域が映る部分の網膜細胞も、部分順応の影響を受ける。画像領域分割工程３０は、部分順応が起きる高輝度領域と部分順応の影響を受ける中輝度領域と部分順応が起きない低輝度領域とに画像の領域を分割する。また、網膜応答圧縮工程４０は、光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により、部分順応が起きる高輝度領域及び部分順応の影響を受ける中輝度領域の画素の輝度を階調圧縮する。また、中輝度領域加重平均工程５０は、中輝度領域が受ける部分順応の影響を緩和する。以下、各工程について詳説する。
【００２０】
前処理工程１０は、後の各工程で必要となるデータを作成する。まず、ＨＤＲデジタル画像の色のデータを、ＸＹＺ表色系及びＬ＊ａ＊ｂ＊表色系の両方の表色系で用意する。ＸＹＺ表色系においては、Ｙの値が輝度、（Ｘ，Ｚ）のベクトルの方向が色相、（Ｘ，Ｚ）のベクトルの大きさが彩度を表現する。ＸＹＺ表色系は、完全拡散反射面（Ｐｅｒｆｅｃｔ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ）の輝度Ｙを１００として正規化されている。また、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系においては、Ｌ＊の値が明度、（ａ＊，ｂ＊）のベクトルの方向が色相、（ａ＊，ｂ＊）のベクトルの大きさが彩度を表現する。ＸＹＺ表色系とＬ＊ａ＊ｂ＊表色系との間の色変換式は、ＪＩＳＺ８７２９が規定する式を適用する。ここで、後の説明を簡略化するため、前処理工程１０により作成したＸＹＺ表色系の色のデータとＬ＊ａ＊ｂ＊表色系の色のデータを、それぞれ、（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）、（Ｌ＊０，ａ＊０，ｂ＊０）と表現する。
【００２１】
線形補正工程２０は、前述したように、人間の目が環境により瞳孔の直径を調整し目に入る光量を調整する過程に対応する。
【００２２】
人間の目が対象物を見るとき、瞳孔の直径がｄ０からｄ１へ変化すると、瞳孔の面積は（ｄ０／２）２πから（ｄ１／２）２πへ変化する。このとき、人間の目に入る光量は、瞳孔の面積に比例するため、瞳孔の直径が変化する前の光量のｄ１２／ｄ０２になる。瞳孔の直径がｄ０からｄ１へ変化した後の各画素の輝度Ｙ１は、数式１により算出できる。
【００２３】
【数１】
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線形補正工程２０は、数式１から明らかなように、瞳孔の直径ｄ１をｄ０より大きく設定すると、各画素の輝度を高く補正し、瞳孔の直径ｄ１をｄ０より小さく設定すると、各画素の輝度を低く補正する。尚、瞳孔の直径ｄ１は、ユーザが適当な値を入力できる。
【００２４】
瞳孔の直径ｄ０は、線形補正工程２０により補正される前のＨＤＲデジタル画像の光量をＬｂｋとすると、瞳孔の直径と光量との関係を示すクロフォードの式（数式２参照）から算出できる。
【００２５】
【数２】
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また、線形補正工程２０により補正される前のＨＤＲデジタル画像の光量Ｌｂｋは、ＨＤＲデジタル画像の各画素の輝度Ｙ０を算出平均（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  Ａｖｅｒａｇｅ）する式（数式３参照）、又はＨＤＲデジタル画像の各画素の輝度Ｙ０を幾何平均（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ  Ａｖｅｒａｇｅ）する式（数式４参照）から算出できる。尚、数式３及び数式４において、ｎはＨＤＲデジタル画像の画素の総数、δは対数値が発散することを防ぐための微少な値である。
【００２６】
【数３】
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【００２７】
【数４】
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数式４は、各画素の輝度Ｙ０の対数を平均化するため、各画素の輝度Ｙ０を直接平均化する数式３と比較して、輝度が異常に高い画素が存在する場合であっても、その影響を低減できる。
【００２８】
以上のように、本実施例の線形補正工程２０は、瞳孔の直径ｄ１をユーザが入力すると、数式１に従って、ＨＤＲデジタル画像の各画素の輝度Ｙ０をＹ１へ補正する。また、ユーザは、瞳孔の直径ｄ１を入力することの代わりに、瞳孔の直径を変更しないこと、つまり各画素の輝度Ｙ０を補正しないことを選択できる。尚、以下の説明では、説明を簡略化するため、ユーザが各画素の輝度Ｙ０を補正しないことを選択した場合であっても、各画素の輝度をＹ０ではなくＹ１と表現する。
【００２９】
画像領域分割工程３０は、上述したように、人間の眼の網膜細胞が部分順応する過程の一部に対応する。すなわち、画像領域分割工程３０は、部分順応が起きる高輝度領域と、部分順応の影響を受ける中輝度領域と、部分順応が起きない低輝度領域とを分割する。そこで、画像領域分割工程３０は、以下のステップにより、各画素を高輝度領域と、中輝度領域と、低輝度領域とに分割する。
【００３０】
第１のステップでは、数式５に従って、各画素の輝度Ｙ１を閾値Ｌｅｘｔでオフセットした値ＬＨを算出する。ここで、Ｌｅｘｔは、画像全体に対する低輝度領域の占める割合を示すパラメータである。Ｌｅｘｔが大きくなるほど、低輝度領域の占める割合が増える。Ｌｅｘｔの値は、ユーザが適当な値を入力できるが、経験的に完全拡散反射面の輝度（１００）とすることが好ましい。
【００３１】
【数５】
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第２のステップでは、数式６に従って、ＬＨからＬＡを算出する。尚、数式６において、σは、ユーザが適当な値を入力でき、高輝度領域及び中輝度領域の広がりを表現する。σの値が大きくなるほど、画像全体に対する低輝度領域の占める割合が減る。
【００３２】
【数６】
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第３のステップでは、第２のステップで算出したＬＡに応じて、高輝度領域、中輝度領域、低輝度領域を決める。具体的には、ＬＡの値が０の領域を低輝度領域、ＬＡの値が０超ｂ以下の領域を中輝度領域、ＬＡの値がｂ超の領域を高輝度領域とする。中輝度領域と高輝度領域とを分割する閾値ｂは、ユーザが適当な値を入力できるが、経験的にＬｅｘｔの１／１０倍の値とすることが好ましい。つまり、Ｌｅｘｔの値として完全拡散反射面の輝度（１００）を使用した場合、ｂの値は１０が好ましい。
【００３３】
また、画像領域分割工程３０は、高輝度領域、中輝度領域、低輝度領域以外の第４の領域を設定することができる。例えば、ＨＤＲデジタル画像が工業製品の意匠デザインである場合、色を表現する各チャンネルとは別に、αチャンネルをＨＤＲデジタル画像に設定することにより、工業製品以外の領域、つまり背景の領域を第４の領域に設定できる。具体的には、工業製品の領域をα＝１とし、背景の領域をα＝０とする補助データをＨＤＲデジタル画像に記録することにより、α＝０の領域を第４の領域とする。この第４の領域は、部分順応の影響を受けない領域とし、ＬＡの値を０とする。第４の領域を部分順応の影響を受けない領域とした理由は、工業製品の意匠デザインにおいては、ユーザが工業製品の材質感、形状の曲率に着目し、背景の材質感、形状の曲率には着目しないからである。このように、αチャンネルを設定することにより、後述する網膜応答圧縮工程４０の対象となる領域を減らし、計算速度を向上できる。
【００３４】
図２は、画像領域分割工程３０によりＨＤＲデジタル画像の領域を分割する過程の一例を示す図である。図２（ａ）は、本実施例の工業製品の意匠デザインである。図２（ｂ）は、ＬＨの分布を示す図である。図２（ｃ）は、ＬＡの分布を示す図である。図２（ｄ）は、高輝度領域、中輝度領域、低輝度領域、第４の領域を示す図である。
【００３５】
以上のように、本実施例の画像分割領域工程３０は、第１〜第３のステップにより、各画素を少なくとも高輝度領域と、中輝度領域と、低輝度領域とに分割する。
【００３６】
網膜応答圧縮工程４０は、前述のように、人間の眼の網膜細胞が部分順応する過程の一部に対応する。すなわち、網膜応答圧縮工程４０は、光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により、部分順応が起きる高輝度領域及び部分順応の影響を受ける中輝度領域の画素の輝度Ｙ１を階調圧縮する。
【００３７】
人間の目の網膜細胞の応答特性は、網膜細胞の応答電圧をＲとし、その網膜細胞の応答電圧Ｒの最大値、最小値をＲｍａｘ、Ｒｍｉｎとし、網膜細胞が受ける刺激強度をＩとすると、近似的に数式７で表現できる。尚、数式７において、σはＲｍｉｎとＲｍａｘとの幾何平均である準飽和定数（ｓｅｍｉ−ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）、ｎは刺激強度Ｉに対する網膜細胞の応答電圧Ｒの増加指数である。増加指数ｎの値は、個人差、環境差があるが、一般的に０．７〜２．０である。
【００３８】
【数７】
2008234315.tif 000009
網膜応答圧縮工程４０は、数式７を利用して、高輝度領域及び中輝度領域の画素の輝度Ｙ１を圧縮する。すなわち、数式７における網膜細胞が受ける刺激強度Ｉを、網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮される前の第１の輝度Ｙ１に置き換え、数式７における網膜細胞の応答電圧Ｒを、網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮された後の第２の輝度Ｙ２に置き換える。このように数式７を利用することにより、高輝度領域及び中輝度領域の各画素の輝度Ｙ１をＹ２へ圧縮する数式８を得る。尚、数式８において、Ｙｍａｘ、Ｙｍｉｎは、それぞれ、網膜細胞の応答電圧Ｒの最大値Ｒｍａｘ、最小値Ｒｍｉｎに対応し、ユーザが適当な値を入力できる。また、増加指数ｎの値は、０．７〜２．０の範囲内でユーザが適当な値を選択できる。
【００３９】
【数８】
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図３は、網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮される前の第１の輝度Ｙ１の対数値と、網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮された後の第２の輝度Ｙ２の対数値との入出力関係を示す曲線（以下、入出力応答曲線）の一例を示す図である。図３では、Ｙｍａｘ＝２００、Ｙｍｉｎ＝１の入出力応答曲線を、増加指数ｎ＝０．５、ｎ＝０．８４８７、ｎ＝１．０の３つの場合について図示した。また、図３では、入出力応答曲線に加えて、第１の輝度Ｙ１の対数値と第２の輝度Ｙ２の対数値とが同一であるとする入出力不変直線を図示した。尚、Ｙｍａｘ＝２００、Ｙｍｉｎ＝１のとき、σの値は、数式７から１４．１４となる。
【００４０】
網膜応答圧縮工程４０においては、光の刺激を対数的に感知する網膜細胞の応答特性により、輝度を階調圧縮する。このとき、入出力応答曲線は、階調圧縮前後でデジタル画像の対象物の材質感、及び形状の曲率を維持するため、入出力不変直線に対して漸近することが好ましい。そこで、増加指数ｎの値は、以下で説明するステップにより、算出する。
【００４１】
第１のステップでは、入出力応答曲線と入出力不変直線とが交差する点（第１の輝度Ｙ１＝σ近傍）における入出力応答曲線の傾きｇを、数式９を用いて最小二乗法により算出する。傾きｇは、図３から明らかなように、増加指数ｎの関数である。尚、数式９において、Ｓはサンプリング数である。
【００４２】
【数９】
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第２のステップでは、入出力応答曲線と入出力不変直線とが交差する点で両方の傾きが略一致するときの増加指数ｎの値を最急降下法により算出する。すなわち傾きｇが略１になるときの、増加指数ｎの値を、最急降下法により算出する。最急降下法による算出では、「ｇ−１」の絶対値が０．００１以下、より好ましくは０．０００１以下になるまで計算を繰り返す。
【００４３】
このように、第１〜第２のステップにより、入出力応答曲線が入出力不変直線に漸近するときの増加指数ｎの値を算出する。例えば、Ｙｍａｘ＝２００、Ｙｍｉｎ＝１の場合、増加指数ｎの値は、図３から明らかなように、０．８４８７である。
【００４４】
以上のように、本実施例の網膜応答圧縮工程４０は、数式８に従って、部分順応の影響を受ける高輝度領域及び中輝度領域の各画素の輝度Ｙ１をＹ２へ対数的に階調圧縮する。
【００４５】
中輝度領域加重平均工程５０は、前述のように、人間の眼の細胞が部分順応する過程の一部に対応する。すなわち、中輝度領域加重平均工程５０は、中輝度領域が受ける部分順応の影響を緩和することに対応する。
【００４６】
具体的には、中輝度領域について、網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮される前の第１の輝度Ｙ１と、網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮された後の輝度Ｙ２とを加重平均し、中輝度領域における部分順応の影響を緩和する。部分順応の影響を緩和した後の第３の輝度Ｙ３は、数式１０により算出できる。
【００４７】
【数１０】
2008234315.tif 000012
中輝度領域加重平均工程５０は、数式１０から明らかなように、同じ中輝度領域内の画素であっても、輝度が高い画素は、部分順応の影響を比較的大きく受け、輝度が低い画素は、部分順応の影響を比較的小さく受けるように修正する。このように、中輝度領域の画素の輝度を修正することにより、階調圧縮後の輝度の階調を連続的につなぐことができる。
【００４８】
以上のように、本実施例の中輝度加重平均工程５０は、数式１０に従って、中輝度領域が受ける部分順応の影響を緩和する。
【００４９】
色調階調圧縮工程６０は、高輝度領域の各画素の輝度Ｙ２、中輝度領域の各画素の輝度Ｙ３、低輝度領域の各画素の輝度Ｙ１を用いて、後述する各ステップによりＨＤＲデジタル画像の色調を階調圧縮する。
【００５０】
第１のステップでは、高輝度領域の各画素の輝度Ｙ２、中輝度領域の各画素の輝度Ｙ３、低輝度領域の各画素の輝度Ｙ１を、ＸＹＺ表色系からＬ＊ａ＊ｂ＊表色系に変換する。ＸＹＺ表色系とＬ＊ａ＊ｂ＊表色系との間の色変換式は、ＪＩＳＺ８７２９が規定する式を適用する。ここで、後の説明を簡略化するため、第１のステップにより作成したＬ＊ａ＊ｂ＊表色系の輝度をＬ＊１と表現する。
【００５１】
第２のステップでは、前処理工程１０により用意した各画素の色調（ａ０＊，ｂ０＊）から階調圧縮後の色調を求める。ここでは、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間が球状の均等色空間であることを利用し、（Ｌ０＊，ａ０＊，ｂ０＊）の色のベクトルの方向を保ちつつ、彩度を変更する。すなわち、輝度がＬ＊０からＬ＊１へ階調圧縮されたことに伴い、（ａ０＊，ｂ０＊）のベクトルの方向、つまり色相を維持しつつ、（ａ０＊，ｂ０＊）のベクトルの大きさ、つまり彩度をＬ＊１／Ｌ＊０倍に変更する。このように、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間における色のベクトルの方向を維持しつつ、輝度をＸＹＺ色空間で階調圧縮し、色調をＬ＊ａ＊ｂ＊色空間で相対的に保持することにより、対象物の色の印象を再現できる。また、完全拡散反射面の輝度（Ｙ＝１００）を閾値として利用できる。
【００５２】
第３のステップでは、第２のステップにより作成したＬ＊ａ＊ｂ＊表色系のデータをＸＹＺ表色系のデータに変換する。ＸＹＺ表色系とＬ＊ａ＊ｂ＊表色系との間の色変換式は、ＪＩＳＺ８７２９が規定する式を適用する。ＸＹＺ表色系に変換することにより、汎用のＣＲＴディスプレイ等でＬＤＲデジタル画像のデータとして利用できる。
【００５３】
図４は、本実施例により作成したＬＤＲデジタル画像と比較例により作成したＬＤＲデジタル画像とを比較した図である。ここで、比較例のＨＤＲデジタル画像の階調圧縮方法には、非特許文献２に記載の階調圧縮方法を用いた。図４（ａ）は、本実施例及び比較例で階調圧縮に用いた工業用製品の意匠デザインである。図４（ｂ）は、本実施例により作成したＬＤＲデジタル画像の図４（ａ）の線Ａ−Ａ’における画素の輝度分布を示した図である。図４（ｃ）は、比較例により作成したＬＤＲデジタル画像の図４（ａ）の線Ａ−Ａ’における画素の輝度分布を示した図である。
【００５４】
図４から明らかなように、比較例により作成したＬＤＲデジタル画像の輝度分布は、ハイライト部分において輝度のバランスが維持できておらず、かつシェード部分において輝度の階調が全体的に高くなっている。これに対し、本実施例により作成したＬＤＲデジタル画像の輝度分布は、ハイライト部分において輝度のバランスが維持できており、かつシェード部分において輝度の階調が一致している。
【００５５】
以上のように、本実施例の階調圧縮方法によりデジタル画像を階調圧縮すれば、比較例の場合と比較して、対象物の材質感及び形状の曲率を再現できた。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００５７】
例えば、本実施例のデジタル画像の階調圧縮は、ＨＤＲデジタル画像をＬＤＲデジタル画像に階調圧縮したが、デジタル画像の階調を圧縮することに用いる限り、例えば、２４ビットのＨＤＲデジタル画像を１６ビットのＨＤＲデジタル画像に階調圧縮することに用いることもできる。
【００５８】
また、本実施例の線形補正工程２０は、瞳孔の直径の値ｄ１をユーザが入力できる設定としたが、瞳孔の直径の二乗の比ｄ１２／ｄ０２の値をユーザが入力できる設定としても良い。瞳孔の直径の二乗の比ｄ１２／ｄ０２をユーザが入力することにより、ｄ０を算出するステップを省略し、計算速度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る画像階調圧縮方法の一実施例の工程を示す工程図である。
【図２】画像領域分割工程３０によりＨＤＲデジタル画像の領域を分割する過程の一例を示す図である。
【図３】網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮される前の第１の輝度Ｙ１の対数値と、網膜応答圧縮工程４０により階調圧縮された後の第２の輝度Ｙ２の対数値との入出力関係を示す曲線の一例を示す図である。
【図４】本実施例により作成したＬＤＲデジタル画像と比較例により作成したＬＤＲデジタル画像とを比較した図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０    前処理工程
２０    線形補正工程
３０    画像領域分割工程
４０    網膜応答圧縮工程
５０    中間領域加重平均工程
６０    色調圧縮工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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