[發明專利]基于高階統計模型的圖像最優化顯示方法

有效

• 申請號: 201710497220.3
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107369138B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 牛毅;李宜烜;石光明
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發明公開了一種基于高階統計模型的最優化顯示算法，主要解決現有高動態圖像低動態映射時信息損失較大，易造成重要信息細節丟失的問題。其實現步驟為：1)統計待映射圖像中像素點對的出現概率；2)定義降階顯示過程中造成的對比度失真；3)根據像素點對的出現概率和降階顯示過程中造成的對比度失真建立整體失真模型；4)定義最大的色調誤差；5)通過高階動態規劃求解最小對比度失真，進而求取最優映射函數；6)根據最優化映射函數，完成映射操作。本發明可有效降低圖像低動態映射時信息的損失，通過加入色調誤差保護機制，確保重要語義信息的細節不會損失，且運算復雜度低并行性好，易于實時實現，可用于高動態圖像的低動態映射及顯示。

技術領域

本發明屬于數字圖像處理技術領域，特別設計一種圖像的最優化顯示方法，可用于完成高動態數字圖像的低動態顯示過程。

背景技術

真實世界場景的亮度動態范圍能夠達到10的14次方數量級，而普通顯示器由于受著背光強度,控制精度等物理條件的制約，所能呈現的亮度動態范圍僅僅只有256個數量級。因此在普通顯示器上顯示高動態圖像會造成嚴重的信息丟失。不但影響的主觀質量，更重要的是很可能會對圖像的判讀和分析產生嚴重的影響。例如，在衛星圖像和醫學圖像中，細節的損失很可能是蘊含大量信息的關鍵目標，如艦艇，武器，局部病變等。如果在忽略這些關鍵信息，很可能會引發漏警，誤判等不可估量的后果。因此在高動態顯示算法的設計中，信息損失應該作為算法的設計的首要準則。

目前為止，已提出的色調映射算法主要有以下幾種：

湯姆森特許公司提出的專利申請“基于區的色調映射”，專利申請 201080029221，公開了一種用于將高動態范圍圖像色調映射到低動態范圍顯示器上的方法。該方法首先訪問高動態范圍圖像，并將圖像分段成不同區域，每個區域由矩陣表示，其中矩陣的每個元素是像素的權重或者概率。隨后，計算每個區域的曝光值并將其應用到每個區域。最后，將不同區域融合到一起以得出最終的映射圖像。然而，該算法是根據特定的函數曲線，將高動態圖像直接映射至低動態，并沒有考慮到圖像的細節信息以及最優顯示問題。

惠普開發有限公司提出的專利申請“用于色調映射圖像的方法”，專利申請號為200980160696，公開了一種用于色調映射的數字圖像方法。該方法首先將多個線性強度值從線性空間映射至非線性空間，隨后基于當前高位深度強度值選擇邊界區間值，將所選擇的邊界區間值中的每一個映射到較低位深度非線性空間中，最后將被映射的所選擇的邊界區間值存儲到計算機可讀介質上。然而，該算法是通過使用伽馬函數來完成將圖像從高動態范圍映射至低動態的非線性空間中，因而，其映射后，低動態圖像的顯示效果并不是很好。

綜上所述，上述兩種技術均是簡單的采用固定形式的映射函數將高動態圖像直接映射至低動態，雖然對過亮或過暗的單峰圖像有較好的顯示效果，但映射函數形式單一，可調節范圍僅僅是映射函數的相關參數，無法對所有圖像進行有效顯示，尤其是對包括有過亮區域和過暗區域的多峰圖像進行有效顯示。其次，上述顯示方法并沒有考慮到圖像整體的信息論意義，沒有顯式的最優映射表達式。最后，上述顯示方法由于沒有色調誤差保護機制，在映射的過程中會不加區分地丟棄所有統計特征不明顯的內容，若這些內容中包含有語義信息顯著的重要內容，如小目標及隱藏目標等，則會導致重要信息的丟失。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術中的不足，提出一種基于高階統計模型的圖像最優化顯示方法，以減少高動態圖像映射成低動態圖像時信息的損失，得到效果最優的低動態圖像。

本發明的技術思路是：根據統計待映射圖像中像素點對的出現概率，利用圖論對M階到K階顯示亮度級的映射函數的整體失真進行建模，采用高階動態規劃方法，設計并求解最優映射函數，使得整體對比度失真達到最小，在保證細節信息的前提下，對圖像中的元素進行非線性映射。具體步驟包括如下：

(1)通過統計高動態場景中的相鄰像素點對(x,y)在待映射圖像中出現的次數，建立圖像的二維直方圖，遍歷待映射圖像所有的像素點對，統計出每個類別的出現概率p(x,y)；