一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法
【专利摘要】本发明属于图像、视频处理【技术领域】，具体公开了一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，主要解决多高动态图像在普通显示设备上显示时出现的图像失真问题。本发明中，首先利用基于图像类型的全局线性压缩去保存图像的整体效果，然后利用自适应的躲避和烧值技术对图像的自然度进一步的加强，最后利用基于双边滤波器的局部色调映射算法提高图像细节信息的可视度。本发明能够的获得自然、清晰的低动态图像结果，可广泛应用于图像、视频处理的相关领域中。
【专利说明】一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法
【技术领域】
[0001] 本方法属于图像、视频处理【技术领域】，特别涉及高动态图像（HDR-highdynamic rangeimage)的压缩方法，可用于在普通低动态显示范围设备上高动态范围图像的显示， 具体是一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法。
【背景技术】
[0002] 高动态图像层次非常的丰富，可以得到比普通图像更逼近现实的光影效果，因此， 高动态图像在卫星气象、医疗、军事等领域都有巨大的应用价值，就此，近几年来，高动态范 围图像越来越受到关注。图像的动态范围指的是一幅图像中最亮的像素点的亮度值和最暗 的像素点的亮度值之间的比率。高动态图像的获得往往有两种常见的方法，一是用光学仿 真完成的，二是用一系列曝光程度不同的照片制作高动态范围图像。利用不同的曝光时间 拍摄相同的场景，由于曝光度的差别每幅图像都会展现出了其他图像展现不出来的细节。 比如说，太阳光直接照射的部分的真实场景只能在曝光度最低的图像中显示出来，而在这 一系列不同曝光的其他照片中这部分的色彩都过度曝光了，而阴影处的细节在曝光度高的 图像中才能完整呈现，而在曝光度较低的图像中却是模糊一片。由于以上问题，普通照相机 无法在一幅图像中同时捕捉并展现所有细节；而对于人类来说，由于人的眼睛会根据物体 的亮度不同进行自动调节，同时感知这些不同曝光度下的细节，因此照片在视觉体验方面 总不能完全展现真实且自然的场景，为了在图像中展示更加真实自然的场景，高动态图像 合成技术就应运而生了。然而当高动态图像被显示时，由于普通显示设备显示的动态范围 有限，往往不能保证带给我们对高动态场景真实感觉再现，为了解决真实场景和传统显示 设备动态范围不匹配的矛盾，学者提出了许多HDR图像色调影射算法。
[0003] 高动态范围图像压缩的目的在于：在高动态图像合成方面，利用现有技术将曝光 度不同的图片合成一幅高动态范围图像，该图像的动态范围可以高达25, 000:1 ;然而，一 般的显示设备的动态范围通常低于100:1，因此，如果想要在普通显示设备上重构出可以 与现实场景真实度相媲美的图像，必须先对高动态图像进行适当的压缩处理。
[0004] 与低动态范围图像相比，_动态范围图像拥有很多优点，在医学图像，视频监视等 一些应用中高动态范围图像尤为重要。然而，高动态范围图像也为显像技术带来了挑战：如 今的显像设备，如显示器，打印机等的动态范围都远远小于真实场景中的动态范围，急需解 决的问题就是如何能在尽量保留图像细节和视觉内容的前提下利用低动态范围的显像设 备来显示高动态范围的图像。
[0005] 由于商动态图像本身特有的特点，目如为止，关于商动态图像的压缩和显不问题， 人们已经做了大量的研究工作，一直没有较大的突破，直到2002年ACM会议上，基于快速双 边滤波器的色调映射算法，自适应的对数函数映射算法和梯度域的色调映射算法的提出， 其中基于快速双边滤波器的色调映射算法可以得到比较理想的低动态图像，在此基础上学 者做了一系列改进工作，其中J.W.Lee，R. -H.Park和S.Chang提出的运用亮度压缩和自适 应的色彩饱和度调整系数的局部色调映射算法，不仅保证了图像细节信息的重建，而且得 到自然地色彩外观。传统的色调影射算法往往包括两个部分：图像亮度信息的压缩和图像 彩色信息的重建。亮度信息的压缩是色调影射的第一步，压缩的效果直接影响着后续图像 色彩重建效果。现在已经存在很多高动态图像的色调映射算法，主要分为全局映射算法和 局部映射算法两大类。一般意义上来说，全局映射方法可以较好的保存图像的整体效果，但 往往是以牺牲图像的局部信息为代价的，而局部映射算法往往关注图像处理的局部对比度 和细节增强，忽略图像的整体质量。
[0006] 现在提出了许多高效的色调映射算法，在名为"一种基于直方图均衡化的色调 映射方法"的专利N0.CN201310179268. 1中公开了一种高动态图像的压缩方法，在这个 方法中对图像直方图进行分段后差异化设置两段映射参数，对于明亮背景使之尽可能地 线性映射，减少高亮部分细节的丢失，对于前景部分仍进行直方图均衡化处理，扩展图 像的对比度。在该种方法中用到了直方图均衡化处理，如果系数设置不当会存在亮度饱 和度现象。在名为"基于混合色阶映射及压缩系数的高动态范围图像重构方法"的专利 NO. CN201310280327. 4中公开了高动态图像的压缩方法，在这个方法中根据高动态图像范 围和色调值计算出图像的亮度因子，用亮度因子对原始图像进行全局色阶映射获取图像的 整体色调，然后对全局色阶映射的图像进行梯度域的局部色阶映射以补偿细节。但是该方 法在图像色彩信息和图像自然度的保存上有些不足。最后通过研究发现大部分的压缩方法 存在，图像细节保存不是很完整，图像整体对比度不好，图像的亮度不自然，重建的低动态 图像颜色发生失真等一系列问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，针对上述高动态图像压缩问题进行深 入研究，通过基于高动态图像类型的全局线性压缩算法来保证图像的整体效果和自适应的 "躲避和烧录"技术来保证图像更加自然的外观，以及基于双边滤波器技术的局部压缩算法 来保证图像的局部信息重建，大大提高图像细节的重现和图像色彩重建的自然度。
[0008] 为此，本发明提出一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，其技 术方案是：一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，包括如下步骤：
[0009] 1)输入一幅高动态范围图像；
[0010] 2)由步骤1)中输入图像的R，G，B三个通道像素值，计算出高动态范围图像的亮 度信息值Lworld ;
[0011] 3)根据高动态范围图像的亮度信息值Lworld，计算出高动态范围图像的钥匙值 AverageLumFactor,然后对高动态范围图像亮度信息值做基于图像类型的全局线性压缩， 得到后续处理的基础图Ld ;
[0012] 4)利用自适应的躲避和烧值技术对步骤3)得到的基础图Ld从低像素端和高像素 端同时做补偿处理，得到更加自然的基础图像Q;
[0013] 5)利用基于双边滤波器的局部色调映射算法对步骤4)的压缩结果Q进行局部对 比度的增强和细节信息的加强，来得到高动态范围图像亮度信息的最终压缩结果1。(x)，然 后利用自适应的色彩饱和度参数对图像做颜色重建，得到低动态彩色显示图像；
[0014] 6)把5)中得到的低动态彩色显示图像转化为灰度图像进行显示。
[0015] 上述步骤1)所述的高动态范围图像，是格式为.hdr的高动态范围图像。
[0016] 上述步骤2)所述的计算出高动态范围图像的亮度信息值Lworld，按如下公式计 算：
[0017] Lworld = 0. 27 ? R+0. 67 ? G+0. 06 ? B
[0018] 其中Lworld是高动态图像的亮度信息，R，G和B是输入的高动态图像的R，G，B三 个颜色通道的像素值。
[0019] 上述步骤3)所述的基于图像类型的全局线性压缩，通过如下公式进行：
[0020] Ld = Lworld ? AverageLumFactor
[0021] 其中Lworld指的是高动态范围图像的亮度信息值，AverageLumFactor指的 是高动态范围图像的钥匙值，用来判断高动态范围图像的类型：如果该钥匙值的范围在 0. 00-0. 30,则高动态图像属于高亮度类型，若在0. 31-0. 60,则高动态图像属于正常亮度类 型，若在0. 61-1. 00,则高动态图像属于低亮度类型，其计算过程如下：
[0022] 首先
【权利要求】
1. 一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，其特征在于，包括如下步 骤： 1) 输入一幅商动态范围图像； 2) 由步骤1)中输入图像的R，G，B三个通道像素值，计算出高动态范围图像的亮度信 息值Lworld; 3) 根据高动态范围图像的亮度信息值Lwor1d，计算出高动态范围图像的钥匙值 AverageLumFactor,然后对高动态范围图像亮度信息值做基于图像类型的全局线性压缩， 得到后续处理的基础图Ld ; 4) 利用自适应的躲避和烧值技术对步骤3)得到的基础图Ld从低像素端和高像素端同 时做补偿处理，得到更加自然的基础图像Q; 5) 利用基于双边滤波器的局部色调映射算法对步骤4)的压缩结果1^进行局部对比度 的增强和细节信息的加强，来得到高动态范围图像亮度信息的最终压缩结果1。(x)，然后利 用自适应的色彩饱和度参数对图像做颜色重建，得到低动态彩色显示图像； 6) 把5)中得到的低动态彩色显示图像转化为灰度图像进行显示。
2. 根据权利要求1所述的一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，其 特征在于，其中步骤1)所述的高动态范围图像，是格式为.hdr的高动态范围图像。
3. 根据权利要求1所述的一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，其 特征在于，其中步骤2)所述的计算出高动态范围图像的亮度信息值Lworld，按如下公式计 算： Lworld= 0. 27 ?R+0. 67 ?G+0. 06 ?B 其中Lworld是高动态图像的亮度信息，R，G和B是输入的高动态图像的R，G，B三个颜 色通道的像素值。
4. 根据权利要求1所述的一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，其 特征在于，其中步骤3)所述的基于图像类型的全局线性压缩，通过如下公式进行： Ld =Lworld?AverageLumFactor 其中Lworld指的是高动态范围图像的亮度信息值，AverageLumFactor指的是高动态 范围图像的钥匙值，用来判断高动态范围图像的类型：如果该钥匙值的范围在0. 〇〇-〇. 30， 则高动态图像属于高亮度类型，若在0.31-0. 60,则高动态图像属于正常亮度类型，若在 0. 61-1. 00,则高动态图像属于低亮度类型，其计算过程如下： 首先，
其中Lworld(x，y)代表高动态范围图像在像素（x，y)处的亮度信息值，N是高动态范 围图像的所有像素个数，S是一个极小数值，其值在0.0003以下，它被用来防止在黑色像 素值处进行计算时奇异值的产生； 然后，
其中AverageLumFactor指的是高动态范围图像的钥匙值，用来判断图像的类型，Lmax 和Lmin分别是高动态范围图像最大亮度信息值和最小亮度信息值。
5. 根据权利要求1所述的一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，其 特征在于，其中步骤4)所述的自适应的躲避和烧值技术如下所述：
其中Lworld是高动态范围图像的亮度信息值，来自步骤2)，Ld是基于图像类型的全 局线性压缩结果，其描述在步骤3)，Q。是双边滤波器的输出，此时双边滤波器的输入是 LworlcL
6. 根据权利要求1所述的一种基于混合色调映射算法的高动态范围图像压缩方法，其 特征在于，步骤5)所述的基于双边滤波器的局部色调映射算法具体如下：
其中/f(x)，//(x)分别代表高动态图像亮度信息在像素x处的基层信息和细节层信息， 它们是利用双边滤波器得到的，滤波器的输入是步骤4)的结果Q，滤波器的输出作为基层 信息f(0是压缩函数，可以是对数函数，伽马函数或者线性函数，在此利用伽马函数 进行处理，w(x)被定义为像素x的自适应压缩权值，其中k用来调整输出图像细节信息的 加强程度， 其中W(x)的具体定义如下：
这里
?li(x)是高动态图像处理后的亮度信息Li，来自 步骤（4)，a是一个常数因子，它被定义为：
图像细节的调整系数k作如下的定义：
其中/f(i)是原始高动态图像的亮度信息的细节层，a和0是两个常数值，通过变形的Sigmoid函数调整后，k的范围是（a，a+旦）； 利用自适应颜色饱和度参数对图像做颜色重建，以此来得到彩色的低动态显示图像，
其中smax代表最大的色调饱和度系数，这里取值为2, 1。〇〇是高动态范围图像亮度信 息的最终压缩结果，a是一个常数因子，这里取值为1 ; 然后利用保存颜色比例的色彩重建公式对显示图像进行颜色重建，
其中，cjx)是输出的经过压缩后低动态图像，Ci(x)是输入的高动态范围图像，其中C=R，G，B，li(x)是输入的高动态范围图像的亮度信息值。
【文档编号】G06T9/00GK104408752SQ201410765414
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】郑喆坤, 焦李成, 王晓珂, 房莹, 崔玉, 孙天 申请人:西安电子科技大学