[發明專利]一種基于混合色調映射算法的高動態范圍圖像壓縮方法

在審

• 申請號: 201410765414.3
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN104408752A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 鄭喆坤;焦李成;王曉珂;房瑩;崔玉;孫天
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06T9/00
• 分類號: G06T9/00;G06T5/00
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司 61108
• 代理人: 張恒陽

技術領域

本方法屬于圖像、視頻處理技術領域，特別涉及高動態圖像(HDR-high?dynamic?range?image)的壓縮方法，可用于在普通低動態顯示范圍設備上高動態范圍圖像的顯示，具體是一種基于混合色調映射算法的高動態范圍圖像壓縮方法。

背景技術

高動態圖像層次非常的豐富，可以得到比普通圖像更逼近現實的光影效果，因此，高動態圖像在衛星氣象、醫療、軍事等領域都有巨大的應用價值，就此，近幾年來，高動態范圍圖像越來越受到關注。圖像的動態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。高動態圖像的獲得往往有兩種常見的方法，一是用光學仿真完成的，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出了其他圖像展現不出來的細節。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，而陰影處的細節在曝光度高的圖像中才能完整呈現，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所有細節；而對于人類來說，由于人的眼睛會根據物體的亮度不同進行自動調節，同時感知這些不同曝光度下的細節，因此照片在視覺體驗方面總不能完全展現真實且自然的場景，為了在圖像中展示更加真實自然的場景，高動態圖像合成技術就應運而生了。然而當高動態圖像被顯示時，由于普通顯示設備顯示的動態范圍有限，往往不能保證帶給我們對高動態場景真實感覺再現，為了解決真實場景和傳統顯示設備動態范圍不匹配的矛盾，學者提出了許多HDR圖像色調影射算法。

高動態范圍圖像壓縮的目的在于：在高動態圖像合成方面，利用現有技術將曝光度不同的圖片合成一幅高動態范圍圖像，該圖像的動態范圍可以高達25,000:1；然而，一般的顯示設備的動態范圍通常低于100:1,因此，如果想要在普通顯示設備上重構出可以與現實場景真實度相媲美的圖像，必須先對高動態圖像進行適當的壓縮處理。

與低動態范圍圖像相比，高動態范圍圖像擁有很多優點，在醫學圖像，視頻監視等一些應用中高動態范圍圖像尤為重要。然而，高動態范圍圖像也為顯像技術帶來了挑戰：如今的顯像設備，如顯示器，打印機等的動態范圍都遠遠小于真實場景中的動態范圍，急需解決的問題就是如何能在盡量保留圖像細節和視覺內容的前提下利用低動態范圍的顯像設備來顯示高動態范圍的圖像。

由于高動態圖像本身特有的特點，目前為止，關于高動態圖像的壓縮和顯示問題，人們已經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映射算法，自適應的對數函數映射算法和梯度域的色調映射算法的提出，其中基于快速雙邊濾波器的色調映射算法可以得到比較理想的低動態圖像，在此基礎上學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的色彩飽和度調整系數的局部色調映射算法，不僅保證了圖像細節信息的重建，而且得到自然地色彩外觀。傳統的色調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影射的第一步，壓縮的效果直接影響著后續圖像色彩重建效果。現在已經存在很多高動態圖像的色調映射算法，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注圖像處理的局部對比度和細節增強，忽略圖像的整體質量。

現在提出了許多高效的色調映射算法，在名為“一種基于直方圖均衡化的色調映射方法”的專利NO.CN201310179268.1中公開了一種高動態圖像的壓縮方法，在這個方法中對圖像直方圖進行分段后差異化設置兩段映射參數，對于明亮背景使之盡可能地線性映射，減少高亮部分細節的丟失，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，如果系數設置不當會存在亮度飽和度現象。在名為“基于混合色階映射及壓縮系數的高動態范圍圖像重構方法”的專利NO.CN201310280327.4中公開了高動態圖像的壓縮方法，在這個方法中根據高動態圖像范圍和色調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，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。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。最后通過研究發現大部分的壓縮方法存在，圖像細節保存不是很完整，圖像整體對比度不好，圖像的亮度不自然，重建的低動態圖像顏色發生失真等一系列問題。