一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于圖像、視頻處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體公開了一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，主要解決多高動態(tài)圖像在普通顯示設(shè)備上顯示時出現(xiàn)的圖像失真問題。本發(fā)明中，首先利用基于圖像類型的全局線性壓縮去保存圖像的整體效果，然后利用自適應(yīng)的躲避和燒值技術(shù)對圖像的自然度進一步的加強，最后利用基于雙邊濾波器的局部色調(diào)映射算法提高圖像細節(jié)信息的可視度。本發(fā)明能夠的獲得自然、清晰的低動態(tài)圖像結(jié)果，可廣泛應(yīng)用于圖像、視頻處理的相關(guān)領(lǐng)域中。
【專利說明】一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本方法屬于圖像、視頻處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及高動態(tài)圖像（HDR-highdynamic rangeimage)的壓縮方法，可用于在普通低動態(tài)顯示范圍設(shè)備上高動態(tài)范圍圖像的顯示， 具體是一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高動態(tài)圖像層次非常的豐富，可以得到比普通圖像更逼近現(xiàn)實的光影效果，因此， 高動態(tài)圖像在衛(wèi)星氣象、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用價值，就此，近幾年來，高動態(tài)范 圍圖像越來越受到關(guān)注。圖像的動態(tài)范圍指的是一幅圖像中最亮的像素點的亮度值和最暗 的像素點的亮度值之間的比率。高動態(tài)圖像的獲得往往有兩種常見的方法，一是用光學(xué)仿 真完成的，二是用一系列曝光程度不同的照片制作高動態(tài)范圍圖像。利用不同的曝光時間 拍攝相同的場景，由于曝光度的差別每幅圖像都會展現(xiàn)出了其他圖像展現(xiàn)不出來的細節(jié)。 比如說，太陽光直接照射的部分的真實場景只能在曝光度最低的圖像中顯示出來，而在這 一系列不同曝光的其他照片中這部分的色彩都過度曝光了，而陰影處的細節(jié)在曝光度高的 圖像中才能完整呈現(xiàn)，而在曝光度較低的圖像中卻是模糊一片。由于以上問題，普通照相機 無法在一幅圖像中同時捕捉并展現(xiàn)所有細節(jié)；而對于人類來說，由于人的眼睛會根據(jù)物體 的亮度不同進行自動調(diào)節(jié)，同時感知這些不同曝光度下的細節(jié)，因此照片在視覺體驗方面 總不能完全展現(xiàn)真實且自然的場景，為了在圖像中展示更加真實自然的場景，高動態(tài)圖像 合成技術(shù)就應(yīng)運而生了。然而當高動態(tài)圖像被顯示時，由于普通顯示設(shè)備顯示的動態(tài)范圍 有限，往往不能保證帶給我們對高動態(tài)場景真實感覺再現(xiàn)，為了解決真實場景和傳統(tǒng)顯示 設(shè)備動態(tài)范圍不匹配的矛盾，學(xué)者提出了許多HDR圖像色調(diào)影射算法。
[0003] 高動態(tài)范圍圖像壓縮的目的在于：在高動態(tài)圖像合成方面，利用現(xiàn)有技術(shù)將曝光 度不同的圖片合成一幅高動態(tài)范圍圖像，該圖像的動態(tài)范圍可以高達25, 000:1 ;然而，一 般的顯示設(shè)備的動態(tài)范圍通常低于100:1，因此，如果想要在普通顯示設(shè)備上重構(gòu)出可以 與現(xiàn)實場景真實度相媲美的圖像，必須先對高動態(tài)圖像進行適當?shù)膲嚎s處理。
[0004] 與低動態(tài)范圍圖像相比，_動態(tài)范圍圖像擁有很多優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)圖像，視頻監(jiān)視等 一些應(yīng)用中高動態(tài)范圍圖像尤為重要。然而，高動態(tài)范圍圖像也為顯像技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)：如 今的顯像設(shè)備，如顯示器，打印機等的動態(tài)范圍都遠遠小于真實場景中的動態(tài)范圍，急需解 決的問題就是如何能在盡量保留圖像細節(jié)和視覺內(nèi)容的前提下利用低動態(tài)范圍的顯像設(shè) 備來顯示高動態(tài)范圍的圖像。
[0005] 由于商動態(tài)圖像本身特有的特點，目如為止，關(guān)于商動態(tài)圖像的壓縮和顯不問題， 人們已經(jīng)做了大量的研究工作，一直沒有較大的突破，直到2002年ACM會議上，基于快速雙 邊濾波器的色調(diào)映射算法，自適應(yīng)的對數(shù)函數(shù)映射算法和梯度域的色調(diào)映射算法的提出， 其中基于快速雙邊濾波器的色調(diào)映射算法可以得到比較理想的低動態(tài)圖像，在此基礎(chǔ)上學(xué) 者做了一系列改進工作，其中J.W.Lee，R. -H.Park和S.Chang提出的運用亮度壓縮和自適 應(yīng)的色彩飽和度調(diào)整系數(shù)的局部色調(diào)映射算法，不僅保證了圖像細節(jié)信息的重建，而且得 到自然地色彩外觀。傳統(tǒng)的色調(diào)影射算法往往包括兩個部分：圖像亮度信息的壓縮和圖像 彩色信息的重建。亮度信息的壓縮是色調(diào)影射的第一步，壓縮的效果直接影響著后續(xù)圖像 色彩重建效果。現(xiàn)在已經(jīng)存在很多高動態(tài)圖像的色調(diào)映射算法，主要分為全局映射算法和 局部映射算法兩大類。一般意義上來說，全局映射方法可以較好的保存圖像的整體效果，但 往往是以犧牲圖像的局部信息為代價的，而局部映射算法往往關(guān)注圖像處理的局部對比度 和細節(jié)增強，忽略圖像的整體質(zhì)量。
[0006] 現(xiàn)在提出了許多高效的色調(diào)映射算法，在名為"一種基于直方圖均衡化的色調(diào) 映射方法"的專利N0.CN201310179268. 1中公開了一種高動態(tài)圖像的壓縮方法，在這個 方法中對圖像直方圖進行分段后差異化設(shè)置兩段映射參數(shù)，對于明亮背景使之盡可能地 線性映射，減少高亮部分細節(jié)的丟失，對于前景部分仍進行直方圖均衡化處理，擴展圖 像的對比度。在該種方法中用到了直方圖均衡化處理，如果系數(shù)設(shè)置不當會存在亮度飽 和度現(xiàn)象。在名為"基于混合色階映射及壓縮系數(shù)的高動態(tài)范圍圖像重構(gòu)方法"的專利 NO. CN201310280327. 4中公開了高動態(tài)圖像的壓縮方法，在這個方法中根據(jù)高動態(tài)圖像范 圍和色調(diào)值計算出圖像的亮度因子，用亮度因子對原始圖像進行全局色階映射獲取圖像的 整體色調(diào)，然后對全局色階映射的圖像進行梯度域的局部色階映射以補償細節(jié)。但是該方 法在圖像色彩信息和圖像自然度的保存上有些不足。最后通過研究發(fā)現(xiàn)大部分的壓縮方法 存在，圖像細節(jié)保存不是很完整，圖像整體對比度不好，圖像的亮度不自然，重建的低動態(tài) 圖像顏色發(fā)生失真等一系列問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，針對上述高動態(tài)圖像壓縮問題進行深 入研究，通過基于高動態(tài)圖像類型的全局線性壓縮算法來保證圖像的整體效果和自適應(yīng)的 "躲避和燒錄"技術(shù)來保證圖像更加自然的外觀，以及基于雙邊濾波器技術(shù)的局部壓縮算法 來保證圖像的局部信息重建，大大提高圖像細節(jié)的重現(xiàn)和圖像色彩重建的自然度。
[0008] 為此，本發(fā)明提出一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，其技 術(shù)方案是：一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，包括如下步驟：
[0009] 1)輸入一幅高動態(tài)范圍圖像；
[0010] 2)由步驟1)中輸入圖像的R，G，B三個通道像素值，計算出高動態(tài)范圍圖像的亮 度信息值Lworld ;
[0011] 3)根據(jù)高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值Lworld，計算出高動態(tài)范圍圖像的鑰匙值 AverageLumFactor,然后對高動態(tài)范圍圖像亮度信息值做基于圖像類型的全局線性壓縮， 得到后續(xù)處理的基礎(chǔ)圖Ld ;
[0012] 4)利用自適應(yīng)的躲避和燒值技術(shù)對步驟3)得到的基礎(chǔ)圖Ld從低像素端和高像素 端同時做補償處理，得到更加自然的基礎(chǔ)圖像Q;
[0013] 5)利用基于雙邊濾波器的局部色調(diào)映射算法對步驟4)的壓縮結(jié)果Q進行局部對 比度的增強和細節(jié)信息的加強，來得到高動態(tài)范圍圖像亮度信息的最終壓縮結(jié)果1。(x)，然 后利用自適應(yīng)的色彩飽和度參數(shù)對圖像做顏色重建，得到低動態(tài)彩色顯示圖像；
[0014] 6)把5)中得到的低動態(tài)彩色顯示圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像進行顯示。
[0015] 上述步驟1)所述的高動態(tài)范圍圖像，是格式為.hdr的高動態(tài)范圍圖像。
[0016] 上述步驟2)所述的計算出高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值Lworld，按如下公式計 算：
[0017] Lworld = 0. 27 ? R+0. 67 ? G+0. 06 ? B
[0018] 其中Lworld是高動態(tài)圖像的亮度信息，R，G和B是輸入的高動態(tài)圖像的R，G，B三 個顏色通道的像素值。
[0019] 上述步驟3)所述的基于圖像類型的全局線性壓縮，通過如下公式進行：
[0020] Ld = Lworld ? AverageLumFactor
[0021] 其中Lworld指的是高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值，AverageLumFactor指的 是高動態(tài)范圍圖像的鑰匙值，用來判斷高動態(tài)范圍圖像的類型：如果該鑰匙值的范圍在 0. 00-0. 30,則高動態(tài)圖像屬于高亮度類型，若在0. 31-0. 60,則高動態(tài)圖像屬于正常亮度類 型，若在0. 61-1. 00,則高動態(tài)圖像屬于低亮度類型，其計算過程如下：
[0022] 首先

【權(quán)利要求】
1. 一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，其特征在于，包括如下步 驟： 1) 輸入一幅商動態(tài)范圍圖像； 2) 由步驟1)中輸入圖像的R，G，B三個通道像素值，計算出高動態(tài)范圍圖像的亮度信 息值Lworld; 3) 根據(jù)高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值Lwor1d，計算出高動態(tài)范圍圖像的鑰匙值 AverageLumFactor,然后對高動態(tài)范圍圖像亮度信息值做基于圖像類型的全局線性壓縮， 得到后續(xù)處理的基礎(chǔ)圖Ld ; 4) 利用自適應(yīng)的躲避和燒值技術(shù)對步驟3)得到的基礎(chǔ)圖Ld從低像素端和高像素端同 時做補償處理，得到更加自然的基礎(chǔ)圖像Q; 5) 利用基于雙邊濾波器的局部色調(diào)映射算法對步驟4)的壓縮結(jié)果1^進行局部對比度 的增強和細節(jié)信息的加強，來得到高動態(tài)范圍圖像亮度信息的最終壓縮結(jié)果1。(x)，然后利 用自適應(yīng)的色彩飽和度參數(shù)對圖像做顏色重建，得到低動態(tài)彩色顯示圖像； 6) 把5)中得到的低動態(tài)彩色顯示圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像進行顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，其 特征在于，其中步驟1)所述的高動態(tài)范圍圖像，是格式為.hdr的高動態(tài)范圍圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，其 特征在于，其中步驟2)所述的計算出高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值Lworld，按如下公式計 算： Lworld= 0. 27 ?R+0. 67 ?G+0. 06 ?B 其中Lworld是高動態(tài)圖像的亮度信息，R，G和B是輸入的高動態(tài)圖像的R，G，B三個顏 色通道的像素值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，其 特征在于，其中步驟3)所述的基于圖像類型的全局線性壓縮，通過如下公式進行： Ld =Lworld?AverageLumFactor 其中Lworld指的是高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值，AverageLumFactor指的是高動態(tài) 范圍圖像的鑰匙值，用來判斷高動態(tài)范圍圖像的類型：如果該鑰匙值的范圍在0. 〇〇-〇. 30， 則高動態(tài)圖像屬于高亮度類型，若在0.31-0. 60,則高動態(tài)圖像屬于正常亮度類型，若在 0. 61-1. 00,則高動態(tài)圖像屬于低亮度類型，其計算過程如下： 首先，
其中Lworld(x，y)代表高動態(tài)范圍圖像在像素（x，y)處的亮度信息值，N是高動態(tài)范 圍圖像的所有像素個數(shù)，S是一個極小數(shù)值，其值在0.0003以下，它被用來防止在黑色像 素值處進行計算時奇異值的產(chǎn)生； 然后，
其中AverageLumFactor指的是高動態(tài)范圍圖像的鑰匙值，用來判斷圖像的類型，Lmax 和Lmin分別是高動態(tài)范圍圖像最大亮度信息值和最小亮度信息值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，其 特征在于，其中步驟4)所述的自適應(yīng)的躲避和燒值技術(shù)如下所述：
其中Lworld是高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值，來自步驟2)，Ld是基于圖像類型的全 局線性壓縮結(jié)果，其描述在步驟3)，Q。是雙邊濾波器的輸出，此時雙邊濾波器的輸入是 LworlcL
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混合色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍圖像壓縮方法，其 特征在于，步驟5)所述的基于雙邊濾波器的局部色調(diào)映射算法具體如下：
其中/f(x)，//(x)分別代表高動態(tài)圖像亮度信息在像素x處的基層信息和細節(jié)層信息， 它們是利用雙邊濾波器得到的，濾波器的輸入是步驟4)的結(jié)果Q，濾波器的輸出作為基層 信息f(0是壓縮函數(shù)，可以是對數(shù)函數(shù)，伽馬函數(shù)或者線性函數(shù)，在此利用伽馬函數(shù) 進行處理，w(x)被定義為像素x的自適應(yīng)壓縮權(quán)值，其中k用來調(diào)整輸出圖像細節(jié)信息的 加強程度， 其中W(x)的具體定義如下：
這里
?li(x)是高動態(tài)圖像處理后的亮度信息Li，來自 步驟（4)，a是一個常數(shù)因子，它被定義為：
圖像細節(jié)的調(diào)整系數(shù)k作如下的定義：
其中/f(i)是原始高動態(tài)圖像的亮度信息的細節(jié)層，a和0是兩個常數(shù)值，通過變形的Sigmoid函數(shù)調(diào)整后，k的范圍是（a，a+旦）； 利用自適應(yīng)顏色飽和度參數(shù)對圖像做顏色重建，以此來得到彩色的低動態(tài)顯示圖像，
其中smax代表最大的色調(diào)飽和度系數(shù)，這里取值為2, 1。〇〇是高動態(tài)范圍圖像亮度信 息的最終壓縮結(jié)果，a是一個常數(shù)因子，這里取值為1 ; 然后利用保存顏色比例的色彩重建公式對顯示圖像進行顏色重建，
其中，cjx)是輸出的經(jīng)過壓縮后低動態(tài)圖像，Ci(x)是輸入的高動態(tài)范圍圖像，其中C=R，G，B，li(x)是輸入的高動態(tài)范圍圖像的亮度信息值。
【文檔編號】G06T9/00GK104408752SQ201410765414
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】鄭喆坤, 焦李成, 王曉珂, 房瑩, 崔玉, 孫天 申請人:西安電子科技大學(xué)