一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法
【專利摘要】本發明公開了一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：獲取高動態范圍圖像的亮度圖像L(x,y)；步驟2：采用導向濾波器對L(x,y)進行導向濾波；步驟3：依據簡化的攝影學色調映射變換公式，對高動態范圍圖像的亮度圖像L(x,y)進行變換；步驟4：用迭代的方法計算Zn+1(x,y)；步驟5：亮度圖像Z(x,y)＝Zn+1(x,y)，計算誤差e，如果e＞T，T為閾值，轉入步驟4，否則，轉入步驟6；步驟6：完成高動態范圍圖像色調映射。本發明一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法可以將高動態范圍圖像在低動態范圍設備上進行顯示輸出，既兼顧了對原圖像的逼近，又能較好的保持原圖像的邊緣信息，顯示的圖像具有對比度高、細節再現效果好的特點。
【專利說明】
一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法
技術領域
[0001] 本發明屬于數字圖像處理技術領域，具體涉及一種邊緣保持最小化的高動態范圍 圖像色調映射方法。
【背景技術】
[0002] 自然場景中的動態范圍通常要跨越1014數量級，隨著成像技術的發展，高動態范圍 圖像的獲取越來越方便，其被廣泛應用于影視、游戲、軍事、天文及醫學檢測等領域。與此同 時，高動態范圍圖像的顯示設備發展還比較緩慢且價格較貴。為了能在低動態范圍的顯示 設備上較好的再現高動態范圍圖像的細節信息，常需要采用一定的方法壓縮高動態范圍圖 像的動態范圍，使之動態范圍能夠匹配低動態范圍的顯示設備，這個過程稱為色調映射 (tone mapping)。
[0003] 目前主流的色調映射方法可以分為兩類：（1)全局(Global)算子；（2)局部(Local) 算子。全局算子對圖像中具有相同像素值的像素應用同一種變換，不考慮其周圍像素;局部 映射算法在進行色調映射時，參考像素的鄰域信息對其進行變換，考慮到了圖像的局部相 關性，因而能取得較好的映射效果，成為目前關注的重點。目前雖然有較多的局部色調映射 方法，但其對細節的保留仍然不夠好。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，解決 了現有局部色調映射方法存在的圖像細節不夠清晰的問題。
[0005] 本發明所采用的技術方案是，一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方 法，具體按照以下步驟實施：
[0006] 步驟1:獲取高動態范圍圖像的亮度圖像L(x，y);
[0007] 步驟2:采用導向濾波器對L(x，y)進行導向濾波，得到濾波后的結果為b(x，y);
[0008] 步驟3:依據簡化的攝影學色調映射變換公式，對高動態范圍圖像的亮度圖像L(x， y)進行變換，變換結果為a(x，y);
[0009] 步驟4:用迭代的方法計算Zn+1(x，y)，n表示迭代的次數；
[0010] 步驟5:亮度圖像Z(x，y) = Zn+1(x，y)，計算誤差e，如果e>T，T為閾值，轉入步驟4， 否則，轉入步驟6;
[0011] 步驟6:完成高動態范圍圖像色調映射。
[0012] 本發明的特點還在于，
[0013] 步驟1獲取高動態范圍圖像的亮度圖像L(x，y)為：
[0014] L(x,y)=0.2126R+0.7152G+0.0722B (1)
[0015] 其中，R、G、B分別為高動態范圍圖像在像素點(x，y)處的紅、綠、藍顏色值。
[0016] 步驟2中在對L(x，y)進行導向濾波時需要設置兩個參數:窗口半徑r和正則化因子 ε〇
[0017]步驟3根據遮光-增光原理，將攝影學色調映射變換公式進行簡化，對高動態范圍 圖像的亮度圖像L(x，y)進行變換，變換結果a(x，y)為：
[0019]步驟4具體為:通過下式的最小化求得壓縮后的亮度圖像Z(x，y):
[0021]其中，λ為正則化參數；
[0022]迭代的計算公式為：
[0024]其中η表示迭代的次數；
[0025]迭代時取初始值Z°(X，y) = L(X，y)。
[0026] 正則化參數λ取值范圍為1~2。
[0027] 步驟5具體為：
[0028]亮度圖像 2(、7)=211+1&，7)，誤差6為 ：
[0030]如果e > Τ，Τ為閾值，轉入步驟4，否則，轉入步驟6。
[0031] 步驟6具體為：
[0032]結合原高動態范圍圖像的亮度圖像L(x，y)和R、G、B三個顏色值，利用最后得到的 低動態亮度圖像Z(x，y)，完成高動態范圍圖像色調映射：
[0034]其中1?。、6。、8。分別表示色調映射后得到的低動態范圍圖像的各像素點處的紅、綠、 藍顏色值，γ表示Gamma變換的參數。
[0035]本發明的有益效果是:本發明一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方 法，可以將高動態范圍圖像在低動態范圍設備上進行顯示輸出，在對高動態范圍圖像亮度 信息進行壓縮時，既兼顧了對原圖像的逼近，又考慮了保持原圖像的邊緣信息，因而顯示的 圖像具有對比度高、細節再現效果好的特點。
【附圖說明】
[0036]圖1是本發明高動態范圍圖像色調映射方法的流程圖；
[0037]圖2是本發明高動態范圍圖像色調映射方法處理后顯示出的高動態范圍圖像； [0038]圖3是采用基于雙邊濾波的色調映射方法處理后的高動態范圍圖像。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0040] 本發明一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，流程圖如圖1所示， 具體按照以下步驟實施：
[0041] 步驟1:首先讀入高動態范圍圖像，然后獲取高動態范圍圖像的亮度圖像L(x，y):
[0042] L(x,y)=0.2126R+0.7152G+0.0722B (1)
[0043] 其中，R、G、B分別為高動態范圍圖像在像素點(x，y)處的紅、綠、藍顏色值；
[0044] 步驟2:采用導向濾波器對L(x，y)進行導向濾波，濾波時的引導圖就選擇為L(x，y) 本身，得到濾波后的結果為b(x，y)。在對L(x，y)進行導向濾波時需要設置兩個參數:窗口半 徑r和正則化因子ε。窗口半徑r決定了濾波過程中窗口的大小，關系到參與運算的像素的多 少，對像素最終濾波后的數值有影響。正則化因子ε決定了邊緣和平滑區域的劃分，該數值 的選擇關系到圖像中邊緣和平滑區域的判斷。
[0045] 步驟3:根據攝影中用到的遮光-增光原理，將攝影學色調映射變換公式進行簡化， 對高動態范圍圖像的亮度圖像L( X，y)進行變換，變換結果a (X，y)為：
[0047]步驟4:通過下式的最小化求得壓縮后的亮度圖像Z(x，y):
[0049] 其中λ為正則化參數，取值在1到2之間，用以確定亮度圖像邊緣保持的程度。
[0050] 上面的式子最小化求解的結果是亮度圖像2(^7)，2(^7)是一個函數，因此是一 個變分問題，可以采用迭代的方法對其求解。迭代時取初始值迭代的計 算公式為：
[0052]其中η表示迭代的次數。
[0053]步驟5:設Z(x，y)=Zn+1(x，y)，計算誤差e:
[0055] 設定一個閾值T，如果e>T，則不滿足迭代的終止條件，轉入步驟4;否則，迭代結束 轉入步驟6。
[0056] 步驟6:結合原高動態范圍圖像的亮度和顏色，利用最后得到的低動態亮度圖像Z (x，y)，完成尚動態范圍圖像色調映射：
[0058] 其中1?。、6。、8。分別表示色調映射后得到的低動態范圍圖像的各像素點處的紅、綠、 藍顏色值，γ表示Gamma變換的參數，取值在1.8到2.5之間。
[0059] 采用本發明一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，取窗口半徑r =8，正則化因子￡=0.01，正則化參數\=1.5，閾值1=100,6&1111]^變換的參數丫=2.2，處理 后顯示的高動態范圍圖像如圖2所示，圖3為采用基于雙邊濾波的色調映射方法處理后的高 動態范圍圖像，通過對比可以看出，采用本發明方法顯示的高動態范圍圖像具有對比度高、 細節顯示效果好的特點。
【主權項】
1. 一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特征在于，具體按照以下 步驟實施： 步驟1:獲取高動態范圍圖像的亮度圖像L(x，y); 步驟2:采用導向濾波器對L(x，y)進行導向濾波，得到濾波后的結果為b(x，y); 步驟3:依據簡化的攝影學色調映射變換公式，對高動態范圍圖像的亮度圖像L(x，y)進 行變換，變換結果為a(x，y); 步驟4:用迭代的方法計算Zn+1(x，y)，n表示迭代的次數； 步驟5:亮度圖像Z(x，y)=Zn+1(x，y)，計算誤差e，如果e>T，T為閾值，轉入步驟4,否則， 轉入步驟6; 步驟6:完成尚動態范圍圖像色調映射。2. 根據權利要求1所述的一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特 征在于，所述步驟1獲取高動態范圍圖像的亮度圖像L (X，y)為： L(x,y)=0.2126R+0.7152G+0.0722B (1) 其中，R、G、B分別為高動態范圍圖像在像素點(X，y)處的紅、綠、藍顏色值。3. 根據權利要求2所述的一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特 征在于，所述步驟2中在對L(x，y)進行導向濾波時需要設置兩個參數:窗口半徑r和正則化 因子ε。4. 根據權利要求2所述的一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特 征在于，所述步驟3根據遮光-增光原理，將攝影學色調映射變換公式進行簡化，對高動態范 圍圖像的亮度圖像L(x，y)進行變換，變換結果a(x，y)為：(2)〇5. 根據權利要求2所述的一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特 征在于，所述步驟4具體為:通過下式的最小化求得壓縮后的亮度圖像Z(x，y):其中，λ為正則化參數； 迭代的計算公式為：(4) 其中η表示迭代的次數； 迭代時取初始值6. 根據權利要求5所述的一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特 征在于，所述正則化參數λ取值范圍為1~2。7. 根據權利要求5所述的一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特 征在于，所述步驟5具體為： 亮度圖像2(乂，7)=211+1(1，7)，誤差6為：如果e > T，T為閾值，轉入步驟4，否則，轉入步驟6。8.根據權利要求2所述的一種邊緣保持最小化的高動態范圍圖像色調映射方法，其特 征在于，所述步驟6具體為： 結合原高動態范圍圖像的亮度圖像L(x，y)和R、G、B三個顏色值，利用最后得到的低動 態亮度圖像Z(x，y)，完成高動態范圍圖像色調映射：其中心、6。、8。分別表示色調映射后得到的低動態范圍圖像的各像素點處的紅、綠、藍顏 色值，丫表示Gamma變換的參數。
【文檔編號】G06T5/00GK105869112SQ201610247395
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月20日
【發明人】張二虎, 李 浩, 段敬紅
【申請人】西安理工大學