专利名称：基于区的色调映射的制作方法
技术领域：
本发明涉及在低动态范围(LDR)显示器上色调再现高动态范围(HDR)内容，其也已知为色调映射问题。具体地，至少一个实施例包括以下方法，其(1)从与HDR场景的人类感知匹配的HDR数据自动生成可显示LDR图像以及( 提供用户友好控制用于手动调整。
背景技术：
色调映射问题涉及在低动态范围(LDR)显示器上色调再现高动态范围(HDR)内容。在多数应用中，色调映射处理应当通常满足两个要求保留图像细节，例如局部对比度； 以及保持相对亮度的出现。对于色调映射的当前已知工作集中在第一个要求并且简单地忽略通常是从艺术家的观点最重要的第二个要求。此外，当前可用色调映射算法不允许操纵画面的不同部分的色调并且由此经常不能与原始HDR内容的感觉匹配。高动态范围(HDR)作为数字成像的替代格式近年已经受到很多关注。设计传统低动态范围(LDR)图像格式用于与ITU-R推荐BT 709 (a. k. a. Rec709)兼容的显示器，其中仅可以实现两个数量级的动态范围。然而，真实世界场景具有高得多的在白天约10个数量级的动态范围，而人类视觉系统(HVS)能够同时感知5个数量级。HDR格式可用的视觉内容量正在增长数字传感器和胶片(film stock)的最新发展允许内容创作者以很高的动态范围捕获图像，以及计算机生成图形(例如，动画片、视觉效果以及游戏)允许以基本无限动态范围创作视觉内容。然而HDR显示器尚不是主流设备； 几种HDR显示设备已经可用作样机以及最高级的HDTV，但是这样的显示器的数量相比广泛使用的LDR显示器仍很少。为了在LDR显示设备上显示HDR图像，利用色调方法来将通常可用作辐射的HDR 图像映射为8位RGB索引数。色调映射处理不是显而易见的，因为它必须模拟在HVS中发生的处理，使得色调映射LDR图像可以骗取HVS相信其足够接近原始HDR图像。这要求色调映射算法能够保持局部对比度以及感知亮度二者。近些年在计算机图形以及图像/视频处理领域中已经研究HDR图像的色调映射。 大约来说，色调映射方法可以分类为两个主要种类全局色调映射和局部色调映射。全局色调映射使用全局曲线来将辐射映射为图像强度。虽然其具有诸如低复杂性和容易手动控制之类的优点，但是当到达相当高动态范围时其不能保留全部细节。因此，全局色调映射不适合要求很高质量输出的应用(类似后期制作)。另一方面，局部色调映射方法通过根据局部图像特性压缩每个单个像素提供更高质量结果。具体地，这些方法试图仿真发生在HVS中的视觉适配，但是实际上它们中的多数不明确模仿HVS的行为。而是，它们进行关于HVS的简单假定并且然后试图使用这些假定压缩图像的动态范围，以获得视觉美观结果。即使利用局部色调映射方法的仔细微调，能够生成相对宽范围的HDR图像的令人信服的结果，视觉适应的理解仍远没有完成。因此，没有行为类似人类眼睛的算法。此外，这些方法不提供色调映射处理的良好手动控制，严重限制典型涉及色调校正处理的创造力。色调映射不仅仅由图像处理研究者研究而且由画家以及电影摄影师研究。他们面对使用有限动态范围媒体(即，画家的油画布以及摄影师的打印纸)来表示高动态范围场景的相同问题。参照图1，在此我们察看作为Ansel Adams以及Fred Archer制定的摄影技术的“区系统(Zone System)” 100。区系统向不同感知亮度分配从0到10的数字，0代表黑，5代表中灰以及10代表纯白。这些值已知为区。在区系统的理论中，摄影师首先在场景中标识关键元素并且将这些元素放置在期望区。该处理依赖场景的感知而不是辐射的测量。然后光度计(light meter)用于测量场景中每个关键元素的辐射。因为可以每个照片仅有的单个曝光值，所以选取曝光值使得最重要的元素映射到期望区。结果，其他(也重要)元素可能映射到“错误”区，变得过暗或者过亮。以后，在打印处理中，该问题由应用作为打印技术的“减淡(dodge)和加深(burn)” 操作(其中在显影期间从打印部分抑制一些光(减淡)，或者向该区域(region)添加更多光(加深))来解决。因此映射到比所期望的更低的区的关键元素将在光中被曝光得比图像的剩余部分更长。类似地，映射到比所期望的更高的区的关键元素将被更少地曝光。该局部处理将保证画面的关键元素映射到最终输出的期望区中。换言之，这些关键元素的感知亮度保持与它们在现实生活中看上去的样子一致。这个途径可以用于数字图像，但是不存在同时在用户辅助模式中提供直观控制的自动模式中具有良好性能的方法。
发明内容
提供一种将用于显示的高动态范围图像色调映射到低动态范围显示器上的方法， 其中，首先访问高动态范围图像。然后将高动态范围图像分段(segment)成不同区域，使得每个区域由矩阵表示，其中矩阵的每个元素是像素的权重或者概率。确定或者计算每个区域的曝光并且响应于权重或者概率将曝光值应用到区域。然后将不同区域融合在一起以获得最终色调映射图像。本方法还包括以下步骤，对于高动态范围图像或者最终色调映射图像标识或者建立不同感知亮度等级。此外，该方法可以包括任何以下步骤响应于照度(luminance)数据确定区域；建立锚值，其中，每个锚值建立区域之一；以及基于各个色彩通道执行色调映射。可以基于照度通道执行色调映射并且通过后处理将其应用到色彩通道，以及可以基于各个色彩通道执行色调映射。
现在将通过参考附图的示例的方式描述本发明，在附图中图1是已知区系统缩放的图。图2是根据本发明的基于区的色调映射方法的流程图；图3是图2的方法用于彩色HDR图像的应用的流程图；图4是图2的方法用于彩色HDR图像的另一应用的流程图5是示出使用图2的方法的LDR图像的色调校正的流程图；以及图6示出一对样品图像，其中一个已经根据本发明的方法被增强。
具体实施例方式类似于用于传统手动色调映射的影视摄影中开发的“区系统”的概念，可以以下四个步骤大体上描述本发明a.标识画面中的关键元素；b.将每个关键元素分别映射到区；c.测量每个关键元素的辐射；d.决定全局曝光值；以及e.在打印处理中减淡和加深，使得每个关键元素是在最终打印的正确区。为了更加详细地描述该方法，可以首先定义色调映射问题的输入和输出。首先，假定该输入是具有已知主色彩的已知色彩空间中的场景辐射。该辐射数据可以是绝对辐射或者线性缩放辐射(当未校准HDR数据时的情形)。输出是色调映射图像。可以从HDR数据计算照度图像。如果HDR数据在XYZ色彩空间，则Y分量可以用作照度图像。如果HDR数据使用相同的主色彩作为Rec. 709，则从RGB色彩空间的转换可以如下完成L(i, j) = 0. 2126*R(i，j)+0. 7152*G(i，j)+0. 0722*B(i，j)可以依赖输入画面的格式来使用RGB(或者其他色彩空间)和照度图像之间的其他转换。下面定义色调映射的最简单形式单个曝光。在不失一般性的情况下，假设HDR数据仅仅具有一个色彩通道，其可以是照度图像。在线性缩放的情况下，规定“锚点”。如果像素的照度超过锚点，则该像素将是饱和的并且映射到1，否则其将映射到值0和1之间。因此，线性缩放单个曝光可以定义为
权利要求
1.一种将用于显示的高动态范围图像色调映射到低动态范围显示器上的方法，包括以下步骤访问高动态范围图像；将高动态范围图像分段成不同区域，使得每个区域由矩阵表示，其中矩阵的每个元素是像素的权重或者概率；确定或者计算每个区域的曝光；响应于权重或者概率将曝光值应用到区域；以及将不同区域融合到一起以获得最终色调映射图像。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤，为高动态范围图像标识或者建立不同感知亮度等级。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤，为最终色调映射图像标识或者建立不同感知亮度等级。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤，响应于照度数据确定区域。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括建立锚值，其中，每个锚值建立区域之一。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，基于照度通道执行色调映射并且然后通过后处理将色调映射应用于色彩通道。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，基于各个色彩通道执行色调映射。
8.一种将用于显示的高动态范围图像色调映射到低动态范围显示器的方法，包括以下步骤访问高动态范围图像；将高动态范围图像分段成不同区域，使得每个区域由矩阵表示，其中矩阵的每个元素是像素的权重或者概率；确定或者计算每个区域的曝光；响应于权重或者概率将曝光值应用于区域；将不同区域融合到一起以获得最终色调映射图像；以及向用户提供用户接口以调整步骤中的参数。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤，为高动态范围图像标识或者建立不同感知亮度等级。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤，为最终色调映射图像标识或者建立不同感知亮度等级。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤，响应于照度数据确定区域。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括建立锚值，其中，每个锚值建立区域之一。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，基于照度通道执行色调映射并且然后通过后处理将色调映射应用于色彩通道。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，基于各个色彩通道执行色调映射。
全文摘要
一种将用于显示的高动态范围图像色调映射到低动态范围显示器上的方法，其中，首先访问高动态范围图像。将高动态范围图像分段成不同区域，使得每个区域由矩阵表示，其中矩阵的每个元素是像素的权重或者概率。确定或者计算每个区域的曝光并且响应于权重或者概率将曝光值应用到区域。然后将不同区域融合到一起以获得最终色调映射图像。
文档编号G06T5/40GK102473295SQ201080029221
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年6月29日
发明者J.拉克, 翟杰夫 申请人:汤姆森特许公司