本發(fā)明涉及圖像及視頻數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于數(shù)密度均衡的色調(diào)映射方法。

背景技術(shù)：

高動(dòng)態(tài)圖像能夠展現(xiàn)可能會(huì)被傳統(tǒng)低動(dòng)態(tài)圖像丟失但卻能被人類視覺(jué)系統(tǒng)感知的極暗和極亮區(qū)域的細(xì)節(jié)信息。它能夠正確地表現(xiàn)真實(shí)世界的亮度范圍。然而傳統(tǒng)圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一般只有102個(gè)數(shù)量級(jí)，因此由于顯示設(shè)備的限制，高動(dòng)態(tài)圖像無(wú)法在常規(guī)設(shè)備中顯示，因此對(duì)高動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行色調(diào)映射極具意義。

色調(diào)映射將高動(dòng)態(tài)圖像的亮度壓縮到傳統(tǒng)顯示設(shè)備可以接受的范圍，同時(shí)盡可能的保留原圖的細(xì)節(jié)信息，最終達(dá)到設(shè)備中顯示圖像與人眼觀察到的場(chǎng)景一致的效果?，F(xiàn)有色調(diào)映射算法主要包括全局算法和局部算法兩大類。

全局算法對(duì)高動(dòng)態(tài)圖像中的所有像素點(diǎn)進(jìn)行相同的變換算法，通常采用S型曲線。全局算法運(yùn)算速度快，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但使圖像對(duì)比度大大降低，容易丟失細(xì)節(jié)信息，不能很好地模擬真實(shí)的視覺(jué)相應(yīng)特性，對(duì)處理復(fù)雜的場(chǎng)景和具有極高動(dòng)態(tài)范圍的圖像效果不佳。

局部算法針對(duì)圖像不同的區(qū)域進(jìn)行不同的變換。在調(diào)整圖像中某點(diǎn)的灰度值時(shí)，將該點(diǎn)的空間位置考慮在內(nèi)。通常采用基于模擬攝影的方法。局部算法計(jì)算量復(fù)雜，效率低，應(yīng)用范圍較為狹窄。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)密度均衡的色調(diào)映射方法，利用低動(dòng)態(tài)(LDR)顯示設(shè)備色調(diào)再現(xiàn)高動(dòng)態(tài)(HDR)圖像內(nèi)容。

本發(fā)明提出的基于數(shù)密度均衡的色調(diào)映射方法，該方法包括步驟：獲得一幅高動(dòng)態(tài)圖像；將所述高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍劃分為多個(gè)亮度級(jí)；當(dāng)所述高動(dòng)態(tài)圖像為較暗場(chǎng)景圖像時(shí)，將所述高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍劃分為第一亮度范圍和第二亮度范圍，將所述第一亮度范圍映射到低動(dòng)態(tài)圖像的第一亮度范圍，將所述第二亮度范圍映射到低動(dòng)態(tài)圖像的第二亮度范圍；當(dāng)所述高動(dòng)態(tài)圖像為非較暗場(chǎng)景圖像時(shí)，將所述高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍映射到低動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍。

本發(fā)明的基于數(shù)密度均衡的色調(diào)映射方法具備如下優(yōu)點(diǎn)：1.計(jì)算速度快，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，本發(fā)明采用數(shù)密度均衡的方法進(jìn)行色調(diào)映射，計(jì)算量小，運(yùn)行速度快；2.適應(yīng)場(chǎng)景廣，本發(fā)明對(duì)不同場(chǎng)景圖像進(jìn)行不同方法處理，不僅能夠適應(yīng)光照充足的場(chǎng)景，同樣適應(yīng)較暗場(chǎng)景，有效保留細(xì)節(jié)信息，能夠很好地模擬真實(shí)的視覺(jué)相應(yīng)特性，對(duì)處理復(fù)雜的場(chǎng)景和具有極高動(dòng)態(tài)范圍的圖像效果理想。

附圖說(shuō)明

為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明涉及的技術(shù)方法。我們提供了詳細(xì)的算法流程圖，還給出了一個(gè)具體的處理實(shí)例，處理過(guò)程嚴(yán)格按照本交底書(shū)說(shuō)描述的步驟進(jìn)行。

圖1是基于數(shù)密度均衡的色調(diào)映射方法的算法流程圖。

圖2是高動(dòng)態(tài)圖像亮度-數(shù)密度直方圖示例。

圖3是欠曝光圖像(左)和過(guò)曝光圖像(右)。

圖4是高動(dòng)態(tài)圖像亮度-數(shù)密度直方圖實(shí)際示例。

圖5是映射完成后低動(dòng)態(tài)圖像亮度-數(shù)密度直方圖實(shí)際示例。

圖6是映射完成后的低動(dòng)態(tài)圖像。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明基于數(shù)密度均衡的色調(diào)映射方法的算法流程圖，參照?qǐng)D1，該方法包括步驟：

步驟100，首先獲得一幅高動(dòng)態(tài)(HDR)圖像。

該圖像可以從數(shù)碼設(shè)備(照相機(jī)、攝像機(jī)等等)直接獲取或通過(guò)一定的算法合成獲取。對(duì)于彩色圖像，可以先將其轉(zhuǎn)化為黑白圖像。用I表示一幅高動(dòng)態(tài)圖像，其亮度范圍為[0,HB_max]，HB_max為高動(dòng)態(tài)圖像亮度最大值。

步驟200，統(tǒng)計(jì)每一亮度級(jí)的像素總數(shù)，得到圖像I的“亮度—數(shù)密度”直方圖，即統(tǒng)計(jì)每一亮度級(jí)的像素總數(shù)，圖2表示高動(dòng)態(tài)圖像亮度-數(shù)密度直方圖示例圖。該步驟進(jìn)一步包括：

步驟201：將亮度范圍[0,HB_max]分為M份，得到高動(dòng)態(tài)圖像新的亮度范圍[0,M-1]，M大于255，M越大效果越好，根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，M可以選擇大于1000的值。[0,HB_max]被分為M份，因此得到M個(gè)子區(qū)間。

步驟202：統(tǒng)計(jì)各個(gè)子區(qū)間的像素?cái)?shù)，第i個(gè)子區(qū)間的像素計(jì)數(shù)表示為N_i，且得到圖像I的“亮度—數(shù)密度”直方圖。

步驟300，計(jì)算高動(dòng)態(tài)圖像I的平均亮度，根據(jù)計(jì)算的平均亮度來(lái)判斷圖像I是是較暗場(chǎng)景圖像還是非較暗場(chǎng)景圖像。

高動(dòng)態(tài)圖像I的平均亮度可通過(guò)方法計(jì)算獲得，其中i＝1,2,...M，N_i為第i個(gè)子區(qū)間的像素計(jì)數(shù)，N為圖像像素總數(shù)。設(shè)定判斷是否為較暗場(chǎng)景圖像閾值，該閾值可由用戶自行設(shè)定，當(dāng)圖像平均亮度大于該閾值時(shí)，則為非較暗場(chǎng)景圖像，否則為較暗場(chǎng)景圖像。

在該步驟，根據(jù)判斷結(jié)果，若圖像I為較暗場(chǎng)景圖像，執(zhí)行步驟400，若是非較暗場(chǎng)景圖像否則執(zhí)行步驟500。

步驟400，圖像I為較暗場(chǎng)景圖像時(shí)，根據(jù)步驟201，其中將高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍[0,HB_max]分為M份，得到高動(dòng)態(tài)圖像新的亮度范圍[0,M-1]。將HDR圖像色調(diào)映射為低動(dòng)態(tài)LDR圖像，具體地，將亮度范圍[0,M-1]映射到[LB_min,255]，0≤LB_min＜255，其中LB_min為經(jīng)過(guò)色調(diào)映射后的低動(dòng)態(tài)(LDR)圖像的亮度最小值。也就是說(shuō)，將[0,M-1]分為設(shè)定經(jīng)過(guò)色調(diào)映射后的低動(dòng)態(tài)圖像亮度閾值為th，{LB_min＜th＜255}，該閾值可由用戶自行設(shè)定，而對(duì)應(yīng)的高動(dòng)態(tài)圖像亮度閾值為M_th。步驟400進(jìn)一步包括：

步驟401：在高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍，當(dāng)亮度小于等于M_th時(shí)，將高動(dòng)態(tài)圖像I亮度范圍[0,M_th]映射到低動(dòng)態(tài)圖像[LB_min,th]。具體地，通過(guò)下面的方式進(jìn)行映射，設(shè)定計(jì)數(shù)閾值將[0,M₀]區(qū)間映射到LB_min，這些區(qū)間的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A，多余N_A的計(jì)數(shù)計(jì)入下一個(gè)區(qū)間，將[M₀+1,M₁]區(qū)間映射到LB_min+1，這些區(qū)間的計(jì)數(shù)加上前一個(gè)區(qū)間多余的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A。以此類推，直至將[0,M_th]映射完畢

步驟402，在高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍，當(dāng)亮度大于M_th時(shí)，將高動(dòng)態(tài)圖像I亮度范圍[M_th+1,M-1]映射到低動(dòng)態(tài)圖像亮度范圍[th+1,255]，根據(jù)未映射完的像素?cái)?shù)rest_pixel和已映射完成的低動(dòng)態(tài)亮度級(jí)數(shù)k來(lái)調(diào)整N_A值，N_A＝rest_pixel/(256-k-LB_min)，k＝th,th+1,...255-LB_min，將[M_th+1,M_th+1]區(qū)間映射到LB_min+th+1，這些區(qū)間的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A，多余N_A的計(jì)數(shù)計(jì)入下一個(gè)區(qū)間；以此類推，直至將[M_th+1,M]映射完畢。

步驟500，圖像I為非較暗場(chǎng)景圖像，將亮度范圍[0,HB_max]映射到[LB_min,255]。設(shè)定計(jì)數(shù)閾值將[0,M₀]區(qū)間映射到LB_min，這些區(qū)間的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A，多余N_A的計(jì)數(shù)計(jì)入下一個(gè)區(qū)間，將[M₀+1,M₁]區(qū)間映射到LB_min+1，這些區(qū)間的計(jì)數(shù)加上前一個(gè)區(qū)間多余的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A，以此類推，直至將[0,M]，映射完畢。

下面以一示例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明。

步驟100：根據(jù)圖3欠曝光圖像和過(guò)曝光圖像合成一幅高動(dòng)態(tài)圖像。

步驟200：統(tǒng)計(jì)每一亮度級(jí)的像素總數(shù)，得到圖像I的“亮度—數(shù)密度”直方圖，即統(tǒng)計(jì)每一亮度級(jí)的像素總數(shù)，圖4表示其高動(dòng)態(tài)圖像亮度-數(shù)密度直方圖示例圖，具體步驟如下：

步驟201：將亮度范圍分為5000份，因此得到5000個(gè)子區(qū)間。

步驟202：統(tǒng)計(jì)各個(gè)子區(qū)間的像素?cái)?shù)，第i個(gè)子區(qū)間的像素計(jì)數(shù)表示為N_i，且得到圖像I的“亮度—數(shù)密度”直方圖，如圖5所示。

步驟300，設(shè)定是否為較暗場(chǎng)景圖像閾值為2000，通過(guò)公式N/totoal_pixel計(jì)算高動(dòng)態(tài)圖像I的平均亮度為1255。因此該圖像為較暗場(chǎng)景圖像，執(zhí)行步驟400。

步驟400，根據(jù)步驟201，得到高動(dòng)態(tài)圖像新的亮度范圍[0,4999]。將HDR圖像色調(diào)映射為低動(dòng)態(tài)LDR圖像，具體地，將亮度范圍[0,4999]映射到[0,255]。也就是說(shuō)，將[0,4999]分為256份，設(shè)定經(jīng)過(guò)色調(diào)映射后的低動(dòng)態(tài)圖像亮度閾值為30，該閾值可調(diào)整，而對(duì)應(yīng)的高動(dòng)態(tài)圖像亮度閾值為M_th。

步驟401：在高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍，當(dāng)亮度小于等于M_th時(shí)，將高動(dòng)態(tài)圖像I亮度范圍[0,M_th]映射到低動(dòng)態(tài)圖像[0,30]。具體地，通過(guò)下面的方式進(jìn)行映射，設(shè)定計(jì)數(shù)閾值將[0,M₀]區(qū)間映射到低動(dòng)態(tài)亮度0，M₀的確定方式為[0,M₀]區(qū)間的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A，多余N_A的計(jì)數(shù)計(jì)入下一個(gè)區(qū)間，將[M₀+1,M₁]區(qū)間映射到，這些區(qū)間的計(jì)數(shù)加上前一個(gè)區(qū)間多余的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A。以此類推，直至將[0,M_th]映射完畢

步驟402，在高動(dòng)態(tài)圖像的亮度范圍，當(dāng)亮度大于th時(shí)，將高動(dòng)態(tài)圖像I亮度范圍[M_th+1，4999]映射到低動(dòng)態(tài)圖像亮度范圍[th+1,255]，根據(jù)未映射完的像素?cái)?shù)rest_pixel和已映射完成的低動(dòng)態(tài)亮度級(jí)數(shù)k來(lái)調(diào)整N_A值，N_A＝rest_pixel/(256-k)，k＝th,th+1,...255，將[M_th+1,M_th+1]區(qū)間映射到th+1，這些區(qū)間的計(jì)數(shù)剛剛超過(guò)N_A，多余N_A的計(jì)數(shù)計(jì)入下一個(gè)區(qū)間；以此類推，直至將[M_th+1，4999]映射完畢。圖5,圖6分別為映射完成后的“亮度-數(shù)密度”直方圖和色調(diào)映射后的圖像。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。