一種高動態(tài)范圍圖像可視化算法

摘要：提出的自適應(yīng)HDR圖像可視化算法中，輸入圖像被分解為基本層和細(xì)節(jié)層。該算法將整體明暗效果的顯示看做整體問題，對表示亮度的基本層采用基于整體統(tǒng)計(jì)信息的直方圖調(diào)整算法處理；可視細(xì)節(jié)信息的保持作為局部問題，算法采用自適應(yīng)細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法處理細(xì)節(jié)層。通過定義映射圖對細(xì)節(jié)增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行最終映射，將兩方面結(jié)合起來得到最終結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能對HDR圖像進(jìn)行較高視覺質(zhì)量的顯示。

關(guān)鍵詞：高動態(tài)范圍圖像；圖像顯示；圖像映射

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)11-0303-03

0引言

真實(shí)場景所展現(xiàn)的亮度值具有非常寬廣的動態(tài)范圍。從夜空中的星光到耀眼的太陽，場景發(fā)出的亮度幅度涵蓋了超過九個(gè)數(shù)量級（109 cd/m2）的動態(tài)范圍。人眼視覺系統(tǒng)能夠同時(shí)感知約五個(gè)數(shù)量級范圍的場景亮度，人眼通過動態(tài)調(diào)整機(jī)制來感知真實(shí)世界。隨著成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，高動態(tài)范圍圖像（high dynamic range image，HDR）已經(jīng)可以通過光譜記錄儀器或多幅同一場景具有不同曝光時(shí)間的圖像序列合成而獲得。這種圖像可以同時(shí)記錄處于場景中非常亮和非常暗的區(qū)域中的可視細(xì)節(jié)信息，這些細(xì)節(jié)信息在普通低對比度圖像中很容易丟失。然而，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)顯示設(shè)備（如CRT顯示器）僅能顯示約兩個(gè)數(shù)量級動態(tài)范圍的亮度。在標(biāo)準(zhǔn)顯示設(shè)備上顯示這些高動態(tài)范圍圖像之前，必須對它們進(jìn)行對比度壓縮。現(xiàn)有的HDR圖像可視化方法主要分為兩種[1]，即全局映射[2~4]和局部映射[5~10]。全局映射算法通過像素間點(diǎn)到點(diǎn)的對應(yīng)函數(shù)（曲線）對HDR圖像中的每個(gè)像素進(jìn)行映射。這種映射是一對一的，即原HDR圖像中取值相同的像素映射為同一結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算速度快，能夠保持良好的整體明暗效果；但是，全局映射會造成細(xì)節(jié)信息的嚴(yán)重?fù)p失。局部映射算法比全局映射更靈活，它不是一對一映射，像素的映射結(jié)果取決于其空間相鄰的像素。現(xiàn)有的局部映射結(jié)果傾向于增強(qiáng)局部較小的對比度，壓縮相對較大的對比度，從而能保持幾乎所有的可視細(xì)節(jié)信息，而場景的整體明暗效果往往沒有作為關(guān)注的重點(diǎn)。由于局部映射沒有保持原場景圖像中的像素亮度大小順序，許多算法結(jié)果中均出現(xiàn)了不同程度的噪聲，如在較強(qiáng)邊緣附近出現(xiàn)暈輪現(xiàn)象。這類算法的運(yùn)算復(fù)雜度也比全局映射要高。

理想的HDR圖像顯示算法應(yīng)當(dāng)追求顯示效果盡可能接近真實(shí)場景帶給人眼的視覺感受，因此要兼顧可視細(xì)節(jié)信息的保持和整體明暗對比度的體現(xiàn)。這兩方面是相互矛盾的，算法應(yīng)當(dāng)自適應(yīng)地達(dá)到這兩方面的平衡。

人眼對場景中細(xì)節(jié)的關(guān)注是非常敏感的。只有人眼視網(wǎng)膜中央凹處視覺最敏銳，這種敏感性是限制在視場中很小的局部范圍內(nèi)的。可視細(xì)節(jié)的保持是個(gè)局部性的問題。現(xiàn)有局部映射方法利用了圖像中局部鄰域的空間信息，即每個(gè)像素的映射結(jié)果與它鄰域內(nèi)的信息有很大關(guān)系，這種靈活的映射方式有利于可視細(xì)節(jié)信息的保持。在接受場景的整體明暗對比度刺激時(shí)，人眼則不可能僅僅依賴視網(wǎng)膜中央凹處的成像來獲得整體印象，整個(gè)視網(wǎng)膜在產(chǎn)生總體視覺印象中發(fā)揮作用。筆者將這一方面看做整體問題，顯然，通過圖像的整體統(tǒng)計(jì)信息來解決HDR圖像整體明暗對比度的顯示問題更加合理。基于以上的分析，本文提出了空間信息與統(tǒng)計(jì)信息相結(jié)合的自適應(yīng)HDR圖像顯示算法。

1本文算法

本文算法首先是將圖像分解為細(xì)節(jié)層和基本層。細(xì)節(jié)層表示局部細(xì)節(jié)信息，基本層表示整體明暗亮度，分解后的圖像可以進(jìn)行分別處理。利用統(tǒng)計(jì)信息對基本層進(jìn)行直方圖調(diào)整，得到全局映射的映射曲線。本文算法選擇了文獻(xiàn)[4]中提出的線性限制直方圖調(diào)整算法，實(shí)際上也可采用其他能夠產(chǎn)生滿意的整體明暗視覺效果的調(diào)整算法。將這種全局映射關(guān)系通過映射圖記錄下來，根據(jù)映射曲線斜率，對原輸入圖像中的細(xì)節(jié)進(jìn)行自適應(yīng)增強(qiáng)，以保持可視細(xì)節(jié)信息。細(xì)節(jié)增強(qiáng)后的圖像由映射圖映射得到最終結(jié)果。映射圖記錄了映射曲線所反映的全局映射關(guān)系，但在最終映射中映射是根據(jù)空間位置而不是像素值進(jìn)行的。這樣可以在具體像素值被細(xì)節(jié)增強(qiáng)過程改變的情況下，保持全局映射產(chǎn)生的總體明暗效果。算法在圖像分解中利用了局部空間信息，基本層映射中應(yīng)用了全局統(tǒng)計(jì)信息，而在自適應(yīng)細(xì)節(jié)增強(qiáng)中結(jié)合應(yīng)用了空間信息和統(tǒng)計(jì)信息。

1．1圖像分解

圖像分解的主要目的是將圖像分解為表示局部細(xì)節(jié)信息的細(xì)節(jié)層和表示整體亮度變化的基本層。算法采用了F. Durand等人[8]提出的快速雙向?yàn)V波器對輸入圖像進(jìn)行對數(shù)域分解：



3結(jié)束語

本文算法利用空間局部信息通過雙向?yàn)V波器將圖像分解為細(xì)節(jié)層和基本層，利用直方圖中的統(tǒng)計(jì)信息處理圖像的整體明暗對比度。自適應(yīng)細(xì)節(jié)增強(qiáng)是整體統(tǒng)計(jì)信息與局部空間信息相結(jié)合的應(yīng)用。整個(gè)算法本質(zhì)上體現(xiàn)了空間信息與統(tǒng)計(jì)信息的結(jié)合、局部方法與整體方法的結(jié)合，這兩方面的結(jié)合更好地適應(yīng)了人眼視覺系統(tǒng)的感知方式。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明，本文算法能夠保持HDR圖像豐富的可視細(xì)節(jié)信息，同時(shí)展現(xiàn)接近真實(shí)場景的整體明暗視覺感受。該算法的不足是，雖然采用了快速雙向?yàn)V波器算法，但是計(jì)算復(fù)雜度仍然比較高，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工作。這是局部映射算法共同面臨的問題。

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