[发明专利]具有细节保留和噪声约束的高动态范围压缩方法

说明书

技术领域

本发明涉及成像领域。更具体地，本发明涉及具有细节保留和噪声约束的高动态范围压缩方法。 

背景技术

动态范围被定义为可以通过介质、设备或格式来表示的最亮与最暗强度级(intensity level)的比值。传统上，相机胶卷所能够捕捉到的强度范围比在打印时或在传统显示器上所能够再现的更高。传感器技术的进步使得出现了这样的成像设备，其动态范围比诸如打印机或显示器之类的输出设备的更高。 

高动态范围压缩指减小图像的动态范围以使其更加适合于显示在某个输出设备上的技术。当执行高动态范围压缩时，目的之一是平衡图像的亮区域和暗区域，从而改善对比度并维持原始图像的细节。目前用于高动态范围压缩的方法可以广义地分为全局或局部方法。全局方法将某一压缩曲线应用于图像内的所有像素，而不考虑它们在图像中的空间位置。局部方法将不同的变换应用于图像内不同位置处的像素。全局方法的优点是速度快，但是灵活性较差，并且可能无法提供适当的细节保留。局部方法更灵活，并且能够实现较大的动态范围压缩，但是会以较多的计算时间和可能的图像失真(artifact)为代价。 

在高动态范围压缩处理期间，图像的某些区域变亮，而其他区域可能略微变暗。通常，使一个区域变亮的代价是增加图像中的可见噪声。 

图像直方图根据每个像素的光强度来定义像素分布。换言之，对于一定范围的强度，直方图表示图像中强度落入指定范围内的像素的数目。直方图均衡是图像处理中被广泛用于增大图像中局部对比度的技术。通过这种调节，强度更好地分布在直方图中。这使得具有较低局部对比度的区域能够得到更高的对比度而不会影响到图像的全局对比度。 

通过累加每个强度的像素分布，从相应的直方图计算得出累积直方图(cumulative histogram)。例如，在给定强度处，累积直方图曲线上的相应像素分布是强度等于或小于该给定强度的所有像素的总数目。以这种方式，累积直方图曲线是单调增函数，也就是总像素计数随强度的增大而增大。 

累积直方图是对应于执行直方图均衡的全局函数。通常，累积直方图将输入像素强度值标绘在x轴上，相对地将输出像素强度值标绘在y轴上。累积直方图提供每个像素的从输入像素强度值到输出像素强度值的变换。作为输入-输出函数的累积直方图被应用于图像中的每个像素，从而通过图像内的强度来均衡像素分布。这生成具有更均匀分布的强度范围的新图像。直方图均衡提供平衡图像内的对比度的方法。但是，将直方图均衡技术原样用于高动态范围压缩，至少有两个明显缺点。第一，对于大多数自然图像来说，执行直方图均衡致使图像具有过高的对比度和不自然的外观。第二，将累积直方图用作用于高动态范围压缩的全局函数意味着将相同的函数应用于图像内的所有像素，因此不会总是提供适当的细节保留。 

G.W.Larson、H.Rusmeier和C.Piatko在题为“A Visibility MatchingTone Reproduction Operator for High Dynamic Range Scenes”的论文中已经解决了第一个缺点。在这篇论文中，作者首先提出将经修改的累积直方图用作用于高动态范围压缩的全局压缩函数。该修改包括限制累积直方图曲线的斜率以防止过高对比度的问题。 

发明内容

一种用于高动态范围压缩的方法将经修改的累积直方图用作压缩曲线。通过如下的约束从图像的累积直方图计算得出该曲线，所述约束即曲线上的局部导数不超出某一限制。考虑到各个像素值处的噪声特性，该限制沿曲线固定或者该限制可变。为了提供适当的细节保留，平滑滤波器被用于将图像分离为亮度(illumination)图像(称作基本图像)和细节图像。将压缩曲线仅应用于基本图像。该压缩方法在保留全局对比度感觉 (perception)的同时提供对图像的高动态范围压缩。基于全局压缩色调映射(tone-mapping)函数的传统算法不能够实现该结果。该压缩方法还在图像压缩期间使暗区域变亮的同时，使噪声放大最小化。