一種高動態范圍圖像可視化算法

摘要：提出的自適應HDR圖像可視化算法中，輸入圖像被分解為基本層和細節層。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計信息的直方圖調整算法處理；可視細節信息的保持作為局部問題，算法采用自適應細節增強算法處理細節層。通過定義映射圖對細節增強后的圖像進行最終映射，將兩方面結合起來得到最終結果。實驗結果表明，該算法能對HDR圖像進行較高視覺質量的顯示。

關鍵詞：高動態范圍圖像；圖像顯示；圖像映射

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)11-0303-03

0引言

真實場景所展現的亮度值具有非常寬廣的動態范圍。從夜空中的星光到耀眼的太陽，場景發出的亮度幅度涵蓋了超過九個數量級（109 cd/m2）的動態范圍。人眼視覺系統能夠同時感知約五個數量級范圍的場景亮度，人眼通過動態調整機制來感知真實世界。隨著成像技術和計算機圖形圖像技術的發展，高動態范圍圖像（high dynamic range image，HDR）已經可以通過光譜記錄儀器或多幅同一場景具有不同曝光時間的圖像序列合成而獲得。這種圖像可以同時記錄處于場景中非常亮和非常暗的區域中的可視細節信息，這些細節信息在普通低對比度圖像中很容易丟失。然而，現有的標準顯示設備（如CRT顯示器）僅能顯示約兩個數量級動態范圍的亮度。在標準顯示設備上顯示這些高動態范圍圖像之前，必須對它們進行對比度壓縮。現有的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到點的對應函數（曲線）對HDR圖像中的每個像素進行映射。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果。其優點在于計算速度快，能夠保持良好的整體明暗效果；但是，全局映射會造成細節信息的嚴重損失。局部映射算法比全局映射更靈活，它不是一對一映射，像素的映射結果取決于其空間相鄰的像素。現有的局部映射結果傾向于增強局部較小的對比度，壓縮相對較大的對比度，從而能保持幾乎所有的可視細節信息，而場景的整體明暗效果往往沒有作為關注的重點。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，許多算法結果中均出現了不同程度的噪聲，如在較強邊緣附近出現暈輪現象。這類算法的運算復雜度也比全局映射要高。

理想的HDR圖像顯示算法應當追求顯示效果盡可能接近真實場景帶給人眼的視覺感受，因此要兼顧可視細節信息的保持和整體明暗對比度的體現。這兩方面是相互矛盾的，算法應當自適應地達到這兩方面的平衡。

人眼對場景中細節的關注是非常敏感的。只有人眼視網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的。可視細節的保持是個局部性的問題?，F有局部映射方法利用了圖像中局部鄰域的空間信息，即每個像素的映射結果與它鄰域內的信息有很大關系，這種靈活的映射方式有利于可視細節信息的保持。在接受場景的整體明暗對比度刺激時，人眼則不可能僅僅依賴視網膜中央凹處的成像來獲得整體印象，整個視網膜在產生總體視覺印象中發揮作用。筆者將這一方面看做整體問題，顯然，通過圖像的整體統計信息來解決HDR圖像整體明暗對比度的顯示問題更加合理?；谝陨系姆治觯疚奶岢隽丝臻g信息與統計信息相結合的自適應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節層和基本層。細節層表示局部細節信息，基本層表示整體明暗亮度，分解后的圖像可以進行分別處理。利用統計信息對基本層進行直方圖調整，得到全局映射的映射曲線。本文算法選擇了文獻[4]中提出的線性限制直方圖調整算法，實際上也可采用其他能夠產生滿意的整體明暗視覺效果的調整算法。將這種全局映射關系通過映射圖記錄下來，根據映射曲線斜率，對原輸入圖像中的細節進行自適應增強，以保持可視細節信息。細節增強后的圖像由映射圖映射得到最終結果。映射圖記錄了映射曲線所反映的全局映射關系，但在最終映射中映射是根據空間位置而不是像素值進行的。這樣可以在具體像素值被細節增強過程改變的情況下，保持全局映射產生的總體明暗效果。算法在圖像分解中利用了局部空間信息，基本層映射中應用了全局統計信息，而在自適應細節增強中結合應用了空間信息和統計信息。

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節信息的細節層和表示整體亮度變化的基本層。算法采用了F. Durand等人[8]提出的快速雙向濾波器對輸入圖像進行對數域分解：



3結束語

本文算法利用空間局部信息通過雙向濾波器將圖像分解為細節層和基本層，利用直方圖中的統計信息處理圖像的整體明暗對比度。自適應細節增強是整體統計信息與局部空間信息相結合的應用。整個算法本質上體現了空間信息與統計信息的結合、局部方法與整體方法的結合，這兩方面的結合更好地適應了人眼視覺系統的感知方式。以上實驗結果及分析表明，本文算法能夠保持HDR圖像豐富的可視細節信息，同時展現接近真實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濾波器算法，但是計算復雜度仍然比較高，難以實現實時工作。這是局部映射算法共同面臨的問題。

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