專利名稱：自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理中的圖像表達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高動(dòng)態(tài)范圍圖像的動(dòng)態(tài)范圍壓縮技術(shù)。
背景技術(shù)：
近幾年，高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range，HDR)圖像在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域開始有越來(lái)越多的應(yīng)用。圖像中象素的最大亮度和最小亮度的比值稱為圖像的動(dòng)態(tài)范圍。傳統(tǒng)24位RGB圖像由于使用8位整數(shù)來(lái)表示每個(gè)顏色分量，因此其動(dòng)態(tài)范圍只有100∶1，而實(shí)際場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍可以高達(dá)100,000,000∶1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了24位RGB圖像的表達(dá)范圍。高動(dòng)態(tài)范圍圖像用實(shí)數(shù)來(lái)表示圖像的每個(gè)顏色分量，不僅能夠完全表達(dá)實(shí)際場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍，而且其表示的亮度值與實(shí)際場(chǎng)景的亮度成正比，因此高動(dòng)態(tài)范圍圖像比傳統(tǒng)圖像具有很大的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)字圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用前景。
早期高動(dòng)態(tài)范圍圖像主要來(lái)源于模擬光線和基于物理光照模型合成的圖像。數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍也十分有限，無(wú)法直接捕獲高動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)景。Debevec等在文獻(xiàn)“Recovering high dynamic range radiance maps fromphotographs”(Debevec P.E.，and Malik J..Proc.ACM SIGGRAPH’97.369-378)中提出了一種方法，通過(guò)拍攝多張不同曝光度的圖像來(lái)分別捕獲不同亮度范圍的細(xì)節(jié)，然后將這些圖像合成一張高動(dòng)態(tài)范圍的圖像，此方法可以獲得自然場(chǎng)景的高動(dòng)態(tài)范圍圖像。隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)的數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)可以直接捕獲高動(dòng)態(tài)范圍的圖像和視頻。
普通顯示設(shè)備如CRT顯示器、打印機(jī)等，能夠顯示的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)小于高動(dòng)態(tài)范圍圖像，因此要在普通顯示設(shè)備上顯示高動(dòng)態(tài)范圍圖像必須先進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍壓縮，其關(guān)鍵是如何盡可能多地保留圖像對(duì)比度和圖像細(xì)節(jié)。
現(xiàn)有的高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法可以按照映射方式分為兩大類全局映射和局部映射。雙面濾波器方法、梯度域壓縮方法、Level Set方法等屬于局部映射，每個(gè)象素的映射不僅與自身亮度有關(guān)，還與其周圍象素的亮度有關(guān)，相同亮度值的象素可以映射到不同的值。這類方法能夠較好的保留圖像細(xì)節(jié)，但速度比全局映射的方法慢，而且容易引入有害紋理。直方圖調(diào)整、自適應(yīng)指數(shù)映射等屬于全局映射，其特點(diǎn)是映射關(guān)系與象素的位置無(wú)關(guān)，一旦確定，只需作用于每個(gè)象素即可，因此這類方法速度較快，而且由于保留了象素間的相對(duì)亮度，因此不會(huì)引入有害紋理。
早期全局映射的方法效果不如局部映射方法，文獻(xiàn)“Adaptive LogarithmicMapping For displaying High Contrast Scenes”(Drago F.，Myszkowski K.，Annen T.，and Chiba N，EUROGRAPHICS2003.Vol.22，No.3，419-426)利用人類視覺(jué)系統(tǒng)中描述人眼對(duì)實(shí)際場(chǎng)景發(fā)光度L的響應(yīng)的對(duì)數(shù)定律B＝k1ln(L/L0)，其中L0為背景發(fā)光度，k1為常數(shù)，引入bias函數(shù)來(lái)自適應(yīng)的改變對(duì)數(shù)的底數(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種快速高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法，達(dá)到了與局部映射方法類似的效果，但其需要對(duì)每個(gè)象素計(jì)算bias函數(shù)，計(jì)算量仍較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用人類視覺(jué)系統(tǒng)中描述人眼對(duì)實(shí)際場(chǎng)景發(fā)光度L的響應(yīng)的指數(shù)定律B＝kLn，實(shí)現(xiàn)了一種快速高質(zhì)量的高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法。本發(fā)明通過(guò)指數(shù)映射以及截?cái)嗔炼葍啥讼笏孛芏刃〉牟糠?，?shí)現(xiàn)對(duì)亮度的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮，然后通過(guò)各顏色分量與亮度的比值來(lái)計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍壓縮后的各顏色分量。此方法也屬于全局映射，效果與自適應(yīng)對(duì)數(shù)映射方法的效果類似，但由于包含的計(jì)算量更少，因此速度更快。
本發(fā)明的高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法，包括以下步驟1)根據(jù)輸入的高動(dòng)態(tài)范圍圖像的各個(gè)顏色通道，計(jì)算其亮度L；2)對(duì)亮度L進(jìn)行指數(shù)映射B＝kLn；3)截?cái)嗔炼葍啥讼笏孛芏刃〉牟糠郑?)將剩余部分線性縮放到0到255；5)根據(jù)映射前后的亮度，計(jì)算映射后的各個(gè)分量，Cout＝(Cin/L)s×B，其中飽和度控制參數(shù)s由指數(shù)映射中的指數(shù)n決定，s＝1.8n/(1+0.8n)，Cin為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的各個(gè)通道，Cout為高動(dòng)態(tài)范圍壓縮后的各個(gè)通道。
在步驟2)和3)中，通過(guò)分析圖像在亮度域的分布情況來(lái)自動(dòng)確定其中的參數(shù)。LαLβLλ為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的亮度，亮度小于Lα的象素個(gè)數(shù)占總象素個(gè)數(shù)的比例為α；亮度小于Lβ的象素個(gè)數(shù)占總象素個(gè)數(shù)的比例為β；亮度小于Lλ的象素個(gè)數(shù)占總象素個(gè)數(shù)的比例為λ；α、β、λ可以由用戶指定，一般可以取為α＝0.002，β＝0.98，λ＝0.1。小于Lα或者大于Lβ的象素將在步驟3)中被截?cái)唷２襟E2)中的指數(shù)映射將Lβ映射到255，Lλ指數(shù)映射后的值是Lβ映射后的值的一半，從而可以確定指數(shù)映射中的指數(shù)n和比例系數(shù)k。
本發(fā)明無(wú)需手工干預(yù)，可以自動(dòng)完成。如果在步驟2)中，直接由使用者給定指數(shù)n和比例系數(shù)k，則可以得到不同曝光效果的圖像。指數(shù)n固定時(shí)，比例系數(shù)k越大曝光度越大。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明圖1是本發(fā)明所述的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮流程圖；圖2是本發(fā)明所述的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮的示意圖；圖3是本發(fā)明所述的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮與其他高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法效果比較圖；圖4是用本發(fā)明所述方法獲得的不同曝光效果的圖像；圖5是幾個(gè)本發(fā)明所述自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮的結(jié)果圖像。
具體實(shí)施例方式
下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)地描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
圖1給出了本發(fā)明自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮的流程圖，主要有以下步驟1)根據(jù)輸入的高動(dòng)態(tài)范圍圖像的各個(gè)通道，計(jì)算其亮度L，其計(jì)算公式為L(zhǎng)＝0.299×R+0.587×G+0.114×B，R、G、B為彩色高動(dòng)態(tài)范圍圖像的三個(gè)分量。
2)找出LαLβLλ，其中Lx為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的亮度，亮度小于Lx的象素個(gè)數(shù)占總象素個(gè)數(shù)的比例為x，x代表α、β、λ，其值由使用者給定，一般可以取α＝0.002，β＝0.98，γ＝0.1。我們將圖像的亮度范圍分為10000份，然后統(tǒng)計(jì)其直方圖，從而求的近似的LαLβLλ。
3)規(guī)定Lβ映射到255，Lλ映射到Lβ映射值的一半，可以計(jì)算n＝log 2/(logLβ-logLλ)和k＝255/Lβn；
4)進(jìn)行指數(shù)映射，計(jì)算B’＝kLn和Bα’＝kLαn；5)截?cái)嗔炼葍啥讼笏孛芏刃〉膮^(qū)域，并將剩余部分線性縮放到0到255。計(jì)算B＝bound((B′-Bα′)/(255-Bα′)×255)，其中bound函數(shù)截?cái)嘈∮?和大于255部分；6)根據(jù)映射前后的亮度，計(jì)算映射后的各個(gè)分量，Cout＝(Cin/L)s×B，其中飽和度控制參數(shù)s＝1.8n/(1+0.8n)，Cin為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的各個(gè)通道，Cout為高動(dòng)態(tài)范圍壓縮后的各個(gè)通道。
上述步驟演示了高動(dòng)態(tài)范圍壓縮全部步驟和過(guò)程，根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法，無(wú)需手工干預(yù)，能夠自動(dòng)完成，較好的保留了高動(dòng)態(tài)范圍圖像的圖像細(xì)節(jié)和對(duì)比度；由于包含的計(jì)算量少，因此計(jì)算速度很快。通過(guò)手動(dòng)的設(shè)定指數(shù)n和比例系數(shù)k，可以獲得不同曝光效果的圖像。
圖2是本發(fā)明所述的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮的示意圖，其中最上面的圖為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的直方圖；經(jīng)過(guò)指數(shù)映射后直方圖如中間圖所示，兩端很少的象素占了很大部分亮度范圍；最下面的圖為經(jīng)過(guò)截?cái)鄡啥讼笏孛芏刃〉膮^(qū)域并縮放到0到255之后結(jié)果圖像的直方圖。
圖3是本發(fā)明所述的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮與其他高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法效果比較，(a)為本發(fā)明方法，(b)為自適應(yīng)指數(shù)映射方法，(c)為雙邊濾波器方法，(d)為梯度域方法，由圖中可以看出，這幾種方法效果基本差不多。
下表所示是本發(fā)明所述的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮與其他高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法速度比較 表中單位為秒，各個(gè)方法都是在2GHz PentiumIV 512M內(nèi)存的PC上運(yùn)行。從表中可以看出，本發(fā)明的速度比其他方法中最快的方法要快30％左右。
圖4是用本發(fā)明所述方法獲得的不同曝光效果的圖像。其中指數(shù)n和系數(shù)k直接指定，n＝0.45，(a)k＝400；(b)k＝800；(c)k＝1600；(d)k＝3200。
圖5是幾個(gè)本發(fā)明所述自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮的結(jié)果圖像。圖中各個(gè)圖像的參數(shù)都是由本發(fā)明方法自動(dòng)設(shè)定的，分別為(a)AtrimNight，n＝0.223，s＝0.341.(b)Bigfog.n＝0.176，s＝0.278.(c)Synagogue，n＝0.199，s＝0.309。
盡管為說(shuō)明目的公開了本發(fā)明的具體實(shí)施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法，包括以下步驟1)根據(jù)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的各個(gè)顏色通道，計(jì)算其亮度L；2)對(duì)亮度L進(jìn)行指數(shù)映射B＝KLn，其中指數(shù)n和系數(shù)k通過(guò)圖像象素在亮度域的分布決定；3)截?cái)嗔炼葍啥讼笏孛芏刃〉牟糠郑?)將剩余部分線性縮放到0到255；5)根據(jù)映射前后的亮度，計(jì)算映射后的各個(gè)分量，Cout＝(Cin/L)s×B，其中飽和度控制參數(shù)s由指數(shù)映射中的指數(shù)n決定，s＝1.8n/(1+0.8n)，Cin為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的各個(gè)通道，Cout為高動(dòng)態(tài)范圍壓縮后的各個(gè)通道。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)指數(shù)映射高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法，在第2)步中，n和k的值可以由使用者直接指定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像的動(dòng)態(tài)范圍壓縮技術(shù)。此技術(shù)通過(guò)自適應(yīng)指數(shù)映射來(lái)對(duì)圖像亮度的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮，保留了圖像細(xì)節(jié)，然后截?cái)嗔炼葍啥讼笏孛芏刃〉膮^(qū)域來(lái)保留圖像的對(duì)比度，最后根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍壓縮前后的亮度，計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍壓縮后的各個(gè)顏色分量。本發(fā)明的高動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法與現(xiàn)有的幾個(gè)效果最好的方法相比，效果類似，但速度更快。此技術(shù)能夠自動(dòng)完成，無(wú)需手工干預(yù)，而通過(guò)手工設(shè)定參數(shù)，可以獲得不同曝光效果的圖像。
文檔編號(hào)G06T9/00GK1866296SQ20051001172
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2005年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月16日
發(fā)明者章衛(wèi)祥, 安維華, 周秉鋒 申請(qǐng)人:北京大學(xué)