一種基於多尺度DoG濾波器的高動態範圍壓縮方法

2023-06-24 18:12:06 1

專利名稱：：一種基於多尺度DoG濾波器的高動態範圍壓縮方法
技術領域：
：本發明屬於數字圖像處理中再現
技術領域：
，具體涉及一種基於多尺度DoG濾波器的高動態範圍壓縮方法。
背景技術：
：高動態範圍圖像通常是指圖像的最大亮度和最小亮度的比值超過10001的圖像，並且可以直接記錄人眼可見範圍內的場景(其場景的亮度範圍為10_6cd/m2到IO8Cd/m2)。現有的普通低動態範圍圖像不能直接記錄場景的亮度，而是記錄場景的階調關係，其動態範一般在1001左右。因此，與普通圖像比，高動態範圍圖像色彩空間廣大，層次豐富，能記錄更逼真的光影效果。基於高動態範圍圖像的這些優點，影視、動畫、遠程醫療、軍事等行業期望高動態範圍圖像能代替現有低動態範圍圖像，得以廣泛應用。然而，高動態範圍在這些行業的應用中，都會面臨一個共同的問題，即在有限的顯示設備上正確再現高動態範圍圖像的場景。現有普遍使用的顯示設備的動態範圍非常有限，一般不會超過5001。如，CRT顯示器的最大顯示亮度通常在80cd/m2左右，其實際的動態在1001左右；印刷品所能呈現動態範圍更低，上限僅為301左右。在這些顯示設備上顯示高動態範圍圖像，勢必要壓縮圖像的動態範圍，以滿足顯示器的顯示要求。動態範圍的壓縮會影響其原場景中紋理細節和顏色的正確再現，因此，研究怎樣壓縮圖像的動態範圍，使其圖像的場景能正確地顯示在低動態顯示設備上稱為高動態範圍圖像應用的關鍵問題。為了解決這個問題，一些學者提出了階調映射(tone-mapping)的方法實現動態範圍的壓縮。根據映射方式的不同，又可分全局階調映射和局部階調映射。全局階調映射的方式是根據一個映射曲線，調整各個像素的值，使其都在可顯示範圍內。人眼可以適應的動態範圍要大於顯示設備，全局階調設備的方法不可避免的會造成大量可見細節的丟失。局部階調映射的方法是根據各像素和其鄰域像素的關係映射各個像素。與全局階調方法相比，局部階調影射的方法，可是在顯示設備上更好的再現圖像中的細節，但是容易產生光源、噪聲和虛假輪廓等問題。如Ashikhmin的(AToneMappingAlgorithmforHighContrastImages)保持局部對比度的方法，其缺陷在於很難得到各像素在其鄰域範圍的正確對比度，可能導致光暈和虛假輪廓的出現。局部階調映射方法中，基於分層的方法可以去除光暈等問題的產生，但並不能確保紋理細節的可見。如亮度非常高的高動態範圍圖像分成亮度層和紋理細節層後，壓縮亮度層與顯示器顯示亮度範圍內，整體亮度降低，在視覺上會影響紋理細節層的可見性。在有限動態範圍的顯示設備上顯示高動態範圍圖像，顏色再現在某些行業(如影視動畫等)中非常重要。而現有的絕大多數的方法(如上討論)都不太關注此問題。現在存在一些壓縮方法結合現有的顏色模型(如CIECAM02和iCAM06)和階調映射，改善了顏色再現的問題。但，這些模型還不能反映圖像像素間顏色相互影響的關係，應用在高動態範圍壓縮上需要進一步完善。
發明內容本發明的目的在於克服現有高動態範圍圖像壓縮技術存在的上述不足，提供一種基於人眼局部相對視覺感知的高動態範圍圖像壓縮的方法，使其高動態範圍圖像能正確顯示在低動態範圍的顯示設備上。本發明提供的技術方案是一種基於多尺度DoG濾波器的高動態範圍壓縮方法，包括以下步驟步驟1，從高動態範圍圖像各像素的sRGB空間值轉換到XYZ空間值，圖像XYZ空間中各像素(X，y)的值記為X(X，y)，Y(X，y)，Z(x,y)；步驟2，利用M矩陣從XYZ空間值轉換到人眼視錐細胞響應空間RGB值Ik(x，y)，Ie(X，y)，IB(X，y)，轉換公式如下，rx{x,y)'0.79820.338920.1371、ιG^y)二MY(x,y)其中矩陣M=20.59181.55120.0406丨00080.02390.9753)步驟3，利用色度適應模型根據各像素周圍的亮度情況調整複製前後光源光譜分布不同導致的顏色偏差，所述色度適應性模型如下，IEa(x,y)=Ie(χ,y)·(D(χ,y)·(IKwr/IKw)+1_D(x，y))IGa(x,y)=Ig(x，y)·(D(x，y)·(IGwr/IGw)+1_D(x，y))IBa(x,y)=Ib(x，y)·(D(x，y)·(IBwr/IBw)+1_D(x，y))其中，D(x，y)為高動態範圍圖像各像素時在各像素適應性亮度Lw(x，y)下視錐細胞的適應程度，IEwr,iGwr,IB為高動態範圍圖像複製後顯示環境的光源的視覺細胞響應值，IKw，Ibw為高動態範圍圖像的光源的視覺細胞響應值；所述各像素適應性亮度Lw(x，y)利用多尺度的DoG濾波器計算；步驟4，建立高動態範圍圖像壓縮顯示前後的各像素在其適應性亮度下視錐細胞相對響應值的映射關係，具體如下Rdr(x,y)=Rr(x,y)其中，艮(x，y)和RdJx，y)分別為高動態範圍圖像各像素複製前後的視錐細胞的相對響應值；步驟5，計算顯示設備上圖像各像素視錐細胞響應值IdK(x，y)，Ide(x，y)，IdB(x,y)；步驟6，根據以下公式進行偏色調整Idiavg=YYjIdl(X^y)I(I-J\i=R,G,BχyGd—avg—(IdG—avg+IdG—avg+IdB—avg)/3I『di(x,y)=(Gdavg/Idiavg)□Idi(x,y)，i=R，G，B其中，I和J分別為圖像的寬和高；步驟7，利用步驟2所述M矩陣的逆矩陣將各像素視錐細胞響應值轉換到XYZ空間，再利用sRGB轉換矩陣的逆矩陣換到用於顯示的RGB值。而且，在步驟4中，計算高動態範圍圖像複製前後的各視覺響應通道的相對感知，權利要求一種基於多尺度DoG濾波器的高動態範圍的壓縮方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，從高動態範圍圖像各像素的sRGB空間值轉換到XYZ空間值，圖像XYZ空間中各像素(x，y)的值記為X(x，y)，Y(x，y)，Z(x，y)；步驟2，利用M矩陣從XYZ空間值轉換到人眼視錐細胞響應空間RGB值IR(x，y)，IG(x，y)，IB(x，y)，轉換公式如下，IR(x,y)IG(x,y)IB(x,y)=MX(x,y)Y(x,y)Z(x,y)其中矩陣M=0.79820.338920.137120.59181.55120.04060.00080.02390.9753;步驟3，利用色度適應模型根據各像素周圍的亮度情況調整複製前後光源光譜分布不同導致的顏色偏差，所述色度適應性模型如下，IRa(x，y)＝IR(x，y)·(D(x，y)·(IRwr/IRw)+1D(x，y))IGa(x，y)＝IG(x，y)·(D(x，y)·(IGwr/IGw)+1D(x，y))IBa(x，y)＝IB(x，y)·(D(x，y)·(IBwr/IBw)+1D(x，y))其中，D(x，y)為高動態範圍圖像各像素時在各像素適應性亮度Lw(x，y)下視錐細胞的適應程度，IRwr，IGwr，IBwr為高動態範圍圖像複製後顯示環境的光源的視覺細胞響應值，IRw，IGw，IBw為高動態範圍圖像的光源的視覺細胞響應值；所述各像素適應性亮度Lw(x，y)利用多尺度的DoG濾波器計算；步驟4，建立高動態範圍圖像壓縮顯示前後的各像素在其適應性亮度下視錐細胞相對響應值的映射關係，具體如下Rd_r(x，y)＝Rr(x，y)其中，Rr(x，y)和Rd_r(x，y)分別為高動態範圍圖像各像素複製前後的視錐細胞的相對響應值；步驟5，計算顯示設備上圖像各像素視錐細胞響應值IdR(x，y)，IdG(x，y)，IdB(x，y)；步驟6，根據以下公式進行偏色調整Idi_avg=xIyJIdi(x,y)/(IJ),i=R,G,BGd_avg＝(IdG_avg+IdG_avg+IdB_avg)/3I′di(x，y)＝(Gd_avg/Idi_avg)□Idi(x，y)，i＝R，G，B其中，I和J分別為圖像的寬和高；步驟7，利用步驟2所述M矩陣的逆矩陣將各像素視錐細胞響應值轉換到XYZ空間，再利用sRGB轉換矩陣的逆矩陣換到用於顯示的RGB值。2.根據權利要求1所述的高動態範圍的壓縮方法，其特徵在於在步驟4中，計算高動態範圍圖像複製前後的各視覺響應通道的相對感知，方式如下(1)複製前高動態範圍圖像各像素的視錐細胞的相對感應計算如下3.根據權利要求1或2所述的高動態範圍的壓縮方法，其特徵在於所述各像素適應性亮度Lw(X，y)利用多尺度的DoG濾波器計算，實現方式如下，在紙張上顯示的環境中，各像素適應性亮度為Lw(X，y)=F(i,j)*L(χ,y)在顯示器顯示的環境中，各像素適應性亮度為Lw(χ,y)=F(i,j)*L(x,y)+Lrefl其中，LMfl表示顯示器屏幕表面的反射亮度，*表示卷積操作，DoG濾波器F(i，j)計算如下4.根據權利要求3所述的高動態範圍的壓縮方法，其特徵在於顯示器屏幕表面的反射亮度LMfl計算如下5.根據權利要求1所述的高動態範圍壓縮方法，其特徵在於步驟3中，高動態範圍圖像各像素時在各亮度適應性亮度Lw(X，y)下視錐細胞的適應程度D(X，y)計算如下D(x,y)==F(0.O81og10(Lw(χ,y)+0.76)其中，F為環境因子，Lw(χ，y)>10cd/m2時，F=1.O；而Lw彡10cd/m2時，F=0.8。全文摘要本發明涉及基於多尺度DoG濾波器的高動態範圍壓縮方法，用於壓縮圖像的動態範圍使之適應顯示在低動態範圍的顯示器和紙張上，同時保留高動態範圍圖像中場景的紋理細節和顏色，其步驟是先從高動態範圍圖像中讀取RGB值，利用多尺度的DoG濾波器計算觀察各像素的適應性亮度，接著在各適應性亮度進行色度適應調整，在根據保持視錐細胞相對感應的映射關係獲得各像素在顯示下的視錐響應值，最終獲得顯示在顯示設備或紙張上的圖像。本發明可以有效的壓縮圖像的動態範圍，在低動態範圍的顯示設備或紙張上能正確再現高動態範圍圖像原有場景。文檔編號G09G5/10GK101951510SQ20101023954公開日2011年1月19日申請日期2010年7月26日優先權日2010年7月26日發明者萬曉霞,謝德紅申請人:武漢大學