Ты смотришь на саму гистограмму что ли

на интеграл (cumsum) смотри гистограммы. Сама гистограмма - это сколько точек имеет какой цвет. А кумулятивная гистограмма (интеграл) - это сколько точек имееют цвет меньший либо равный К.
У тебя гистограмма референса ровная. 9000/220 - выходит 40

.
Возьми нормализованные графики
интегралов гистограм. Это будут монотонно растущие функции в пределах [0..255, 0..1]. Цвет 240 имеет значение 0.15 ( то есть 9000 это 15% от общего количества точек- следовательно размер картинки 60К пикселов). Идешь на гистограмму референса смотришь где есть 0.15 - и конвертишь 240 в тот цвет. Смотришь цвет 241 - у него значениие будет уже 0.3 (хотя точек с цветом 241 столько (9000) же как и 240). Смотришь на
интеграле гистограмы референса 0.3 - ставишь этот цвет. Тогда получиться что в процентном отношении цвета референса и оригинала совпадут (не учитывая ошибок квантизаации) - то что ты и искал.