專利名稱：一種暗環(huán)境下人眼視覺系統(tǒng)感知效果的合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺與計(jì)算機(jī)圖像處理相結(jié)合的交叉學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，涉及圖像 的頻譜重建、顏色調(diào)節(jié)和銳度調(diào)節(jié)技術(shù)，涉及一種基于圖像的夜晚環(huán)境下(尤其是昏暗環(huán) 境下)人眼視覺系統(tǒng)感知效果的合成方法。
背景技術(shù)：
夜間環(huán)境光線條件通常比較復(fù)雜，既包含來自天空的自然光，也包含來自路燈等 人造光源的光線。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，人眼視覺系統(tǒng)在這樣的光照環(huán)境中的感知效果與 在明亮環(huán)境中的感知效果有很大區(qū)別。在夜間環(huán)境中，人眼視覺系統(tǒng)的感知效果往往較明 亮環(huán)境下的感知效果出現(xiàn)亮度變化，飽和度降低，細(xì)節(jié)分辨能力降低等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象是由 于人眼視網(wǎng)膜內(nèi)視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的性質(zhì)不同而造成的，視網(wǎng)膜可自動適應(yīng)光照環(huán)境的 變化。在傳統(tǒng)膠片電影業(yè)中，一項(xiàng)被稱為“白夜”(Day-for-Night)的技術(shù)(Samuelson D W. Motion Picture Camera Techniques, second ed. ,Focal Press, 1984.)曾被用于在白天 取得夜晚環(huán)境的拍攝效果。此項(xiàng)技術(shù)通過在攝影機(jī)鏡頭前放置一個藍(lán)色濾鏡實(shí)現(xiàn)色調(diào)的改 變，并通過刻意的曝光不足營造昏暗環(huán)境中的銳度損失效果。類似的數(shù)字圖像處理方法也 被用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中以仿真夜晚環(huán)境中的視覺感知效果，例如Thompson等(Thompson W B,Shirley P,Ferwerda J A. A SpatialPost-Processing Algorithm for Images of Night Scenes. Journal ofGraphics Tools, 2002，7 (1) :1_12.)。一些圖像影調(diào)調(diào)節(jié)工具也可用于 實(shí)現(xiàn)較為逼真的“白夜”效果，但由于它們并非專門為這一目的而設(shè)計(jì)，所以使用時(shí)的參數(shù) 調(diào)節(jié)過程相對較繁瑣。另一類方法則是基于物理模型進(jìn)行仿真。盡管有關(guān)人眼視覺系統(tǒng)的 環(huán)境適應(yīng)機(jī)理的研究中尚有部分未解決的問題，前人工作中已經(jīng)基于大量的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù) 提出了多個經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。圖像影調(diào)處理的相關(guān)工作可分為兩類基于物理模型的仿真方法，和面向用戶的 影調(diào)調(diào)節(jié)函數(shù)?；谖锢砟Ｐ头椒ǖ哪繕?biāo)為對在光照、記錄媒介、場景內(nèi)容等不同條件發(fā)生 改變時(shí)的影調(diào)變化進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，得到非常逼真的結(jié)果。這類方法的例子有I^ttanaik 等，Shin等和Haro等的方法。Pattanaik等的方法(Pattanaik S N,Tumblin J，Yee H，etal. Time-Dependent Visual Adaptation for Fast Realistic Image Display. Proceedings of the 27th annual conference on Computer graphics andinteractive techniques, New York, NY, USA =ACM Press, 2000. 47-54.)提出的用于實(shí)時(shí)交互用途的快速視覺適應(yīng)函 數(shù)。Shin等(Shin J,Matsuki N,Yaguchi H,et al. A Color Appearance Model Applicable inMesopic Vision. Optical Review, 2004,11 (4) :272-278.)提出的基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過渡 視覺模型。Haro 等(Haro G, Bertalm' I ο M，Caselles V. Visual Acuity in Day for Night. International Journal of Computer Vision, 2006,69 (1) :109-117.)提出的數(shù)字 “白夜”系統(tǒng)等。另外還可以將物理模型嵌入渲染工具中，進(jìn)行夜晚場景的渲染。因其結(jié)果 的高度科學(xué)性，這類方法常被應(yīng)用于圖像顯示硬件和渲染結(jié)果校正中。不過這類基于物理模型的仿真方法往往參數(shù)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，不便于用戶對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的操控。大部分圖像影調(diào)調(diào)節(jié)方法也可用于夜晚光照效果合成，包括交互式色調(diào)映射和和 交互式局部色調(diào)調(diào)節(jié)等。交互式色調(diào)映射的典型文獻(xiàn)為=Durand F,Dorsey J. Interactive tone mapping. Proceedings of 1IthEurographics Workshop on Rendering, Brno, Czech R印ublic :Springer-Verlag，2000. 219-230。交互式局部色調(diào)調(diào)節(jié)的典型文獻(xiàn)為 Lischinski D,Farbman Z,Uyttendaele M,et al. Interactive LocalAdjustment of Tonal Values. ACM Transactions on Graphics, 2006, 25 (3) :646_653。這類方法使用用戶交互取 代實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)對參數(shù)進(jìn)行控制，其參數(shù)量也大都明顯少于基于物理模型的方法。不過，由 于這類工具并非特別為夜晚光照效果合成的目的定制，所以為獲取可得到較為逼真的合成 效果的適合參數(shù)，用戶往往需要耗費(fèi)大量精力于參數(shù)調(diào)節(jié)過程中。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的目的是提出一個基于圖像的方法實(shí)現(xiàn)人眼視 覺系統(tǒng)在暗環(huán)境下感知效果的合成。為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種暗環(huán)境下人眼視覺系統(tǒng)感知效果的合成方 法，該方法的步驟如下將輸入的正常日照條件下的源圖像自動處理為目標(biāo)夜晚光照效果的步驟包括步驟1 計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在源光照環(huán)境下的響應(yīng)，根據(jù)輸入的源圖像重建源圖 像的顏色頻譜數(shù)據(jù)；步驟2 根據(jù)人眼視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的特性，計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán) 境中的響應(yīng)，對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色調(diào)節(jié)，生成中間結(jié)果圖像；步驟3 根據(jù)視銳度函數(shù)計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán)境中的響應(yīng)，對中間結(jié) 果圖像進(jìn)行銳度調(diào)節(jié)，生成目標(biāo)光照環(huán)境下的視覺效果圖像；步驟4 對視覺效果圖像根據(jù)其圖像內(nèi)容進(jìn)行后處理，輸出最終結(jié)果圖像。其中，所述重建源圖像的顏色頻譜是使用一個線性模型重建源圖像的場景反射系 數(shù)頻譜，并選擇顏色空間系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)色彩匹配函數(shù)作為重建基函數(shù)；正常色覺來源于視網(wǎng) 膜內(nèi)錐體細(xì)胞上的三種類型的光接收器對色光的不同吸收能力的比較；將任意一個顏色刺 激按照在這三種類型光接收器上的接收比例建立一個三維顏色空間。其中，所述計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán)境中的響應(yīng)ξ丨是使用加性系統(tǒng)
權(quán)利要求
1.一種暗環(huán)境下人眼視覺系統(tǒng)感知效果的合成方法，其特征在于，將輸入的正常日照 條件下的源圖像自動處理為目標(biāo)夜晚光照效果的步驟包括步驟1 計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在源光照環(huán)境下的響應(yīng)，根據(jù)輸入的源圖像重建源圖像的 顏色頻譜數(shù)據(jù)；步驟2:根據(jù)人眼視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的特性，計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán)境中 的響應(yīng)，對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色調(diào)節(jié)，生成中間結(jié)果圖像；步驟3:根據(jù)視銳度函數(shù)計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán)境中的響應(yīng)，對中間結(jié)果圖 像進(jìn)行銳度調(diào)節(jié)，生成目標(biāo)光照環(huán)境下的視覺效果圖像；步驟4:對視覺效果圖像根據(jù)其圖像內(nèi)容進(jìn)行后處理，輸出最終結(jié)果圖像。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述重建源圖像的顏色頻譜是使用一個線 性模型重建源圖像的場景反射系數(shù)頻譜，并選擇顏色空間系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)色彩匹配函數(shù)作為重 建基函數(shù)；正常色覺來源于視網(wǎng)膜內(nèi)錐體細(xì)胞上的三種類型的光接收器對色光的不同吸收 能力的比較；將任意一個顏色刺激按照在這三種類型光接收器上的接收比例建立一個三維 顏色空間。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán)境中 的響應(yīng)ξ ‘是使用加性系統(tǒng)
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán)境中 的響應(yīng)使用簡化的加性系統(tǒng)ξ ‘ Hc' +hir'，近似計(jì)算人眼視覺系統(tǒng)在目標(biāo)光照環(huán)境下的響應(yīng)，其中ξ ‘ 為目標(biāo)光照環(huán)境下的人眼視覺系統(tǒng)響應(yīng)，ξ。'為目標(biāo)光照環(huán)境下的人眼視錐細(xì)胞的響應(yīng)， ξ/為目標(biāo)光照環(huán)境下的人眼視桿細(xì)胞的響應(yīng)；響應(yīng)權(quán)重函數(shù)a和響應(yīng)權(quán)重函數(shù)b隨光 照環(huán)境的強(qiáng)度變化，分別反映了人眼視錐細(xì)胞和人眼視桿細(xì)胞在總視覺感知效果中所占權(quán) 重。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述顏色調(diào)節(jié)是使用在不同光照強(qiáng)度下人 眼視覺系統(tǒng)的光效率頻譜的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)作為光照適應(yīng)函數(shù)，隨光照強(qiáng)度的變化對色彩匹配函數(shù)進(jìn)行修正，以反映不同光照強(qiáng)度下人眼視覺系統(tǒng)的光效率頻譜的不同。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述銳度調(diào)節(jié)是使用雙邊濾波器對中間結(jié) 果圖像進(jìn)行非均一模糊，制造目標(biāo)光照環(huán)境下的銳度損失效果。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述后處理是對源圖像中的天空、陰影和高 光區(qū)域進(jìn)行處理，使用一個局部高斯函數(shù)改變相應(yīng)區(qū)域在合成結(jié)果中的值，提高合成結(jié)果 的逼真度。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括目標(biāo)夜晚光照效果的圖像處理方法 是通過使用其他光照環(huán)境作為目標(biāo)光照條件，生成不限于夜晚環(huán)境的其他光照環(huán)境下人眼 視覺系統(tǒng)感知效果的合成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種暗環(huán)境下人眼視覺系統(tǒng)感知效果的合成方法，該方法為用戶提供了夜晚環(huán)境下，尤其是昏暗環(huán)境下，人視覺系統(tǒng)感知效果直觀的控制技術(shù)。用戶可通過輸入光照強(qiáng)度和頻譜指定任意的目標(biāo)光照環(huán)境，可自動合成源圖像所示場景在目標(biāo)光照環(huán)境下的人眼視覺系統(tǒng)感知效果。本發(fā)明根據(jù)源圖像重建顏色頻譜，計(jì)算視網(wǎng)膜細(xì)胞在源光照環(huán)境下的響應(yīng)；然后，根據(jù)測量數(shù)據(jù)模擬視網(wǎng)膜細(xì)胞在目標(biāo)光照環(huán)境中的適應(yīng)情況，計(jì)算適應(yīng)后的視網(wǎng)膜細(xì)胞的響應(yīng)；最后，使用雙邊濾波器對圖像進(jìn)行非均一模糊以制造目標(biāo)光照環(huán)境下的銳度損失效果。本發(fā)明的應(yīng)用不僅限于夜晚環(huán)境，也可用于對其他光照環(huán)境下人眼視覺系統(tǒng)感知效果的合成。
文檔編號G06T5/00GK102136132SQ201010102230
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者周寧, 張曉鵬, 董未名, 鮑冠伯 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所