技术特征：
1.一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：通过数据获取模块获取眼底图像和显示设备亮度；将所述眼底图像提取亮度分量和色度分量，对所述亮度分量进行双边滤波层分解，得到亮度分量背景纹理层和亮度分量细节层；对所述亮度分量背景纹理层进行分段直方图剪切补偿处理，得到直方图处理结果；对所述显示设备亮度估算背景纹理层平均亮度和标准差，并求解相应映射曲线；基于所述映射曲线实现图像亮度分量背景纹理层的动态范围扩展；将所述动态范围扩展的图像亮度分量背景纹理层与所述亮度分量细节层叠加，再与色度分量融合，得到最终输出眼底图像。2.根据权利要求1所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，对所述亮度分量进行预处理，得到亮度分量背景纹理层和亮度分量细节层，具体为：对所述亮度分量进行双边滤波，分解为亮度分量背景纹理层和亮度分量细节层；所述亮度分量背景纹理层为亮度分量的大尺度纹理信息的背景纹理层，所述亮度分量细节层为亮度分量细小变化的细节层。3.根据权利要求2所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，所述将所述眼底图像提取亮度分量和色度分量，具体为：a1)定义输入的眼底图像为i，用户显示设备亮度值为l
d
，图像红、绿、蓝三个色彩通道的数据分别为r，g，b，则定义i的亮度分量l
w
为：l
w
＝0.299r+0.587g+0.114ba2)定义双边滤波器为bf：其中，||p-q||是图像上p位置与q位置之间的欧几里得距离；i
p
表示图像上p位置的亮度，i
q
表示图像上q位置的亮度；|i
p-i
q
|则表示图像上p位置与q位置亮度之差的绝对值；与均表示二维高斯核；w
p
为归一化因子，确保了像素权重和为1：参数σ
s
和σ
r
，分别控制了空间权重和幅度权重函数的形状：加大空间权重σ
s
，双边滤波器将平滑掉更多的图像细节纹理，加大幅度权重σ
r
，双边滤波器将近似于高斯滤波；而g
σ
(x,y)是二维高斯核：其中，σ为标准差，x、y为图像空间坐标；a3)利用双边滤波器的特性将输入图像的亮度分量分解为背景纹理层和细节层：b＝bf[log l
w
]d＝log l
w-b其中，b为大尺度纹理信息背景纹理层，d为细小变化的细节层；bf为双边滤波器，l
w
为亮度分量；
a4)将背景纹理层与细节层回复为正常图像：b＝10exp(b)d＝10exp(d)得到分离后的大尺度纹理背景纹理层与细小变化的细节层图像。4.根据权利要求3所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，所述对所述亮度分量背景纹理层进行直方图处理，得到直方图处理结果，具体为：b1)对步骤a4)获得的大尺度纹理背景纹理层图像b进行直方图统计，定义直方图为h(i)：h(i)＝|{l
b
(x,y)|l
b
(x,y)＝i}|其中，i＝0,...,l-1，|
·
|表示图像b的元素个数，l-1表示图像b的最大亮度值；b2)定义由步骤b1)得到的直方图h(i)的平均值μ：其中，m,n分别为图像b的高和宽，i为亮度级别；b3)定义由步骤b1)得到的直方图h(i)的标准差σ：其中，m,n分别为图像b的高和宽，i为亮度级别；b4)定义t1和t2为直方图h(i)的两个分割点：其中，表示向下取整，t1和t2将直方图h(i)分割为三段独立的直方图，分别定义为h
l
(i)、h
m
(i)和h
u
(i)：h
l
(i)＝h(i),0≤i＜t1h
m
(i)＝h(i),t1≤i＜t2h
u
(i)＝h(i),t2≤i＜l其中，i为亮度级别；定义r1，r2和r3分别表示各段直方图在整体直方图中的比例：分别表示各段直方图在整体直方图中的比例：分别表示各段直方图在整体直方图中的比例：其中，m,n分别为图像b的高和宽；b5)对第一段直方图h
l
进行裁剪补偿，定义裁剪阈值为t
l
：t
l
＝median(h
l
(i))其中，median(
·
)表示中位值，定义裁剪后的直方图为h
l’(i)：
5.根据权利要求4所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，还包括：为了不改变h’l
(i)在整个直方图中的比例，需要将裁剪多出的部分补偿到直方图中，定义补偿后的直方图为h”l
(i)：(i)：其中，inc
l
(i)表示第一段直方图各灰度值补偿的像素个数函数，用于提升暗部亮度；res
l
为第一段直方图所裁剪像素值个数之和；b6)对第二段直方图h
m
进行裁剪补偿，定义裁剪阈值为t
m
：t
m
＝median(h
m
(i)其中，median(
·
)表示中位值；定义裁剪后的直方图为h
m’(i)：为了不改变h’m
(i)在整个直方图中的比例，需要将裁剪多出的部分补偿到直方图中，定义补偿后的直方图为h”m
(i)：其中，res
m
为第二段直方图所裁剪像素值个数之和，该段为平均补偿，t1和t2为直方图h(i)的两个分割点；b7)对第三段直方图h
u
(i)进行裁剪补偿，定义裁剪阈值为t
u
：t
u
＝median(h
u
(i))其中，median(
·
)表示中位值，定义裁剪后的直方图为h’u
(i)：为了不改变h’u
(i)在整个直方图中的比例，需要将裁剪多出的部分补偿到直方图中，定义补偿后的直方图为h”u
(i)：(i)：其中，inc
u
(i)表示第三段直方图各灰度值补偿的像素个数函数，用于压制亮部亮度；
res
u
为第三段直方图所裁剪像素值个数之和；b8)定义经过裁剪与补偿的直方图h”(i)：6.根据权利要求5所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，所述对所述显示设备亮度估算平均亮度和标准差，具体为：c1)定义亮度分量大尺度纹理图像b直方图的分割点t1和t2映射到输出大尺度纹理图像b’的分割点为t1’
和t2’
，定义估计输出图像b’的模型平均亮度μ
m
和标准差σ
m
，通过迭代求解方程得到分割点t1’
；c2)根据估计模型列出计算分割点t’1,k
的方程f1(
·
)：其中，μ
m,k
表示当前第k次迭代时的平均亮度；而σ
m,k
为当前第k次迭代时的标准差；r1,r2,r3表示分别表示各段直方图在整体直方图中的比例；t’1,k
表示当前第k次迭代时的第一个分割点；c3)标准差σ
m,k
的方程：其中μ
m,k-1
表示第k-1次迭代的平均亮度；σ
m,k-1
表示第k-1次迭代的标准差；i表示亮度级别；t
2,k’表示当前第k次迭代时的第二个分割点；c4)根据估计模型列出计算分割点t’2,k
的方程：t
′
2,k
＝t
′
1,k
+2σ
m,k
c5)迭代结束时，令t
′1＝t
′
1,k
t
′2＝t
′
2,k
从而可得到映射到输出大尺度纹理图像b’的分割点为t1’
和t2’
。7.根据权利要求6所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，迭代求解输出图像直方图的新分割点，具体包括：d1)获取细节层图像d的平均亮度l
d
及其最高亮度值l
maxd
：l
d
＝mean(d)l
maxd
＝max(d)其中，mean(
·
)表示平均亮度值，max(
·
)为最高亮度值，则可得大尺度纹理背景纹理层图像b的输出图像b’的平均亮度μ
m
与最高亮度值ω
l
分别为：μ
m
＝l
d-l
d
ω
l
＝255-l
maxd
其中，l
d
为所述的用户显示设备平均亮度值；d2)定义迭代计数器k＝1，定义最大迭代次数k＝120，定义预设误差δ<10-3
，定义初始标准差σ
m,0
＝σ，输出图像b’平均亮度初始值为μ
m,0
＝μ
m
，计算t’1,0
＝f1(μ
m,0
,σ
m,0
)，迭代开始；d3)计算输出图像的标准差σ
m,k
＝f2(t’1,k-1
,σ
m,k-1
)；d4)为适配所述显示设备亮度，定义方程δ：其中，l’maxb
表示输出背景纹理图像b’的最大亮度值，μ
m,k-1
表示当前第k次迭代时的平均亮度；而σm,k为当前第k次迭代时的标准差；r1,r2,r3表示分别表示各段直方图在整体直方图中的比例；t’1,k表示当前第k次迭代时的第一个分割点；该式子基于最大熵提出，当δ＝0时的μ
m,k
是使得映射后的图像b’获得局部最大熵的亮度，用数值方法求解该方程的复杂度很大，考虑到μ
m,k
是范围在0到l
maxb’的离散值，并且抛弃掉低亮度和高亮度的选择结果，所以定义μ
m,k
在30到180范围内寻找δ最接近于0的值；此时的μ
m,k
为自适应亮度方法得到的结果；d5)更新t’1,k
＝f1(μ
m,k
,σ
m,k
)；d6)若满足或k>k，迭代结束，输出最终的分割点t1’
＝t’1,k
，t2’
＝t1’
+2σ
m,k
；否则令k＝k+1，转到步骤d3)。8.根据权利要求7所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，所述求解相应映射曲线，具体为：e1)定义直方图的累计密度函数cdf(
·
)：其中，i为灰度等级；e2)定义从大纹理背景纹理层动态范围[0,d-1]的图像b映射到新的动态范围[0,ω
l
]的输出背景纹理图像b’的映射曲线函数t(
·
)：其中，t1和t2为直方图h(i)的两个分割点；ω
l
为输出背景纹理图像b’的最高亮度e3)定义映射后的输出图像l
b’(
·
)：l
b'
(x,y)＝t(l
b
(x,y))，其中，l
b
(x,y)表示原背景纹理图像b的每一个像素的灰度值。9.根据权利要求8所述的一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，其特征在于，所述将所述动态范围扩展的图像亮度分量背景纹理层与所述亮度分量细节层叠加，再与色度分量融合，得到最终输出眼底图像，具体为：
f1)定义扩展动态范围后的大纹理背景纹理层图像b’与细节层图像d叠加后的新的亮度分量图像为l
w’：l'
w
＝l
b'
+l
d
其中，l
b’表示扩展动态范围后的大纹理基本图像，l
d
表示细节层图像；f2)将步骤f1)求得扩展动态范围后的亮度分量图像l
w’与色度、饱和度分量融合后，得到一幅亮度匹配用户显示设备亮度值且细节保持的扩展动态范围眼底图像。10.一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展系统，其特征在于，包括：数据获取模块，用于获取眼底图像和显示设备亮度；预处理模块，将所述眼底图像提取亮度分量和色度分量，对所述亮度分量进行双边滤波层分解，得到亮度分量背景纹理层和亮度分量细节层；直方图处理模块，对所述亮度分量背景纹理层进行直方图剪切补偿处理，得到直方图处理结果；估算模块，对所述显示设备亮度估算背景纹理层图像的平均亮度和标准差；映射曲线求解模块，用于求解相应映射曲线，基于所述映射曲线实现图像亮度分量背景纹理层的动态范围扩展；最终输出模块，将所述动态范围扩展的图像亮度分量背景纹理层与所述亮度分量细节层叠加，再与色度分量融合，得到最终输出眼底图像。
技术总结
本发明公开了一种亮度可控细节保持眼底图像动态范围扩展方法，包括以下步骤：通过数据获取模块获取眼底图像和显示设备亮度；将眼底图像提取亮度分量和色度分量，对亮度分量进行双边滤波层分解，得到亮度分量背景纹理层和亮度分量细节层；对亮度分量背景纹理层进行分段直方图剪切补偿处理，得到直方图处理结果；对显示设备亮度估算背景纹理层平均亮度和标准差，并求解相应映射曲线；基于映射曲线实现图像亮度分量背景纹理层的动态范围扩展；将动态范围扩展的图像亮度分量背景纹理层与所述亮度分量细节层叠加，再与色度分量融合，得到最终输出眼底图像；本发明所提出算法的时间复杂度低，运算效率高，能够满足实时计算场合，提高眼底图像识别率。高眼底图像识别率。高眼底图像识别率。
技术研发人员：朱雄泳 彭俊丰 陆许明 梁亚妃
受保护的技术使用者：广东第二师范学院
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2022/7/1