3、Tone Mapping色調映射(Advanced High Dynamic Range Imaging )

3、Tone Mapping色調映射(Advanced High Dynamic Range Imaging)

如今,大多數可用的顯示設備無法本地顯示HDR內容。 入門級顯示器的對比度僅爲200:1。 儘管高端液晶電視具有更高的對比度,但平均對比度約爲10,000:1,但通常每個色彩通道的離散度爲8位,很少爲10位。 這意味着色調限制爲255。在過去的二十年中,研究人員花費了大量時間和精力來壓縮HDR圖像和視頻的範圍,以便可以在LDR顯示器上更“自然”地看到數據。

 圖3.1 色調映射和真實場景之間的關係。 觀察者1和觀察者2在兩個不同的環境中看同一場景。 觀察者1在捕獲,存儲和映射色調之後,正在監視器上查看場景。 另一方面,觀察員2正在觀看現實世界中的場景。 最終目標是色調映射的場景應與真實場景的感知匹配,因此觀察者1和2將感知相同的場景。

色調映射是調整HDR內容的動態範圍以適合給定顯示器上可用的較低動態範圍的操作。 範圍的減小試圖保持原始內容的某些特性,例如局部和全局對比度,細節等。此外,通常希望色調映射圖像的感知應該與真實場景的感知相匹配。 見圖3.1。 色調映射是使用運算符f或色調映射運算符(TMO)執行的,通常將其定義爲:

其中I是圖像,w,h和c分別是I的寬度,高度和通道數。其中對於普通的LDR監視器,Do = [0,255] 。

此外,通常TMO僅映射亮度,而未處理顏色。

這將公式(3.1)簡化爲

其中s∈(0,1]是降低飽和度的飽和度因子,通常在色調映射過程中增加;應用f之後,通常會應用伽馬校正,並且每個顏色通道都被限制在[0,255]範圍內。

請注意,原始色域在此過程中被大大修改,並且色調映射的顏色外觀可能導致與原始圖像中的色域有很大差異。 關於該問題的研究將在第4章中進行介紹。基於TMO或它們使用的圖像處理技術,可以將TMO大致分爲不同的組。 請參閱表3.1。

 表3.1。 本章介紹了TMO的分類。 TMO根據其圖像處理技術進行劃分。 T表示此運算符可能適用於色調映射HDR視頻。 有關信息的說明,請參見表3.2。

 

分類的主要類別是:

  •  Global operators:將該映射應用於具有相同運算符f的所有像素。
  •  Local operators.:一個像素的映射依賴於它的鄰居,這些鄰居作爲f的輸入。
  • Segmentation operators.:圖像在較寬的區域進行分割,並對每個區域應用不同的映射。
  •  Frequency/gradient operators.:圖像的低頻率和高頻率是分開的。當一個算子應用於較低的頻率時,較高的頻率通常被保持,因爲它們保留了細節。

可以根據TMO的設計理念或其用途進行進一步的分類::

  •  Perceptual operators.:這些運算符可以是全局,局部,分段或頻率/梯度。 主要焦點是函數f對HVS的某些方面建模,例如時間適應[302],夜間視力喪失[130],衰老[182]等。
  • Empirical operators:這些運算符可以是全局,局部,分段或頻率/梯度。 在這種情況下,f不是試圖模仿HVS,而是嘗試生成受其他領域(例如攝影)啓發的美觀圖像。

最後,某些方法適合於HDR視頻內容和動畫,而其他方法通常只用於圖像。第5章討論了HDR視頻操作符。

在下一節中,將介紹MATLAB框架並描述一些基本的常用函數。隨後,對主要tmo進行了綜述。這篇綜述是根據表3.1中分類描述的圖像處理技術組織的;這個表還顯示了本章介紹的操作符及其在分類中的位置。全局算子在3.3節的3.2節中討論局部算子,3.4節的3.4節中討論頻率算子,3.5節的3.5節中討論分割算子。

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