[发明专利]一种单幅低动态范围图像生成高动态范围图像的方法

说明书

本发明提出一种单幅低动态范围图像生成高动态范围图像的方法。该方法基于人眼视觉特性，首先分离出低动态范围图像的亮度分量和色度分量，对亮度分量进行gamma校正后作保边滤波，提取出亮度分量的基本层，再对基本层和亮度分量进行遍历运算，得到亮度分量的细节层；然后，构造反色调映射函数，分别对细节层和gamma校正后的亮度图像进行反色调映射操作，得到各自的反色调映图像；之后，将反色调映射后亮度分量与细节层进行融合，得到新的亮度分量；最后，融合色度分量与新的亮度分量，并对融合后图像进行对比度拉伸和去噪，得到最终的高动态范围图像。本发明能通过单幅低动态范围图像得到高动态范围图像，处理效果佳，可操作性强，具有广泛的适用性。

技术领域

本发明涉及图像处理技术，具体来讲，涉及一种根据单幅低动态范围图像的细节信息进行分层提取和重新融合的单幅图像高动态图像生成方法。

技术背景

在过去的二十年中，由计算机图形学领域引入的高动态范围(high dynamicrange, HDR)图像采集在该领域及其他领域掀起了革命性的热潮，诸如摄影术、虚拟现实、视觉影像、视频游戏等方面。HDR成像可以直接捕获和利用亮度的实际物理值。在图像的成像过程中，非常暗和非常明亮的区域可能被同时记录在同一帧图像或同一个视频中，利用亮度的实际物理值来表示图像可以避免图像中欠曝光和过曝光区域的出现。传统的图像采集方法不使用亮度的实际物理值，而且受技术限制，只能处理每像素每通道8比特表示的图像。这样的图像被称作低动态范围(low dynamic range, LDR)图像。亮度值记录方法的变化，类似于彩色摄影术的引入，已经在图像处理流水线的每个阶段都引起变化。但是，直接获得HDR图像需要特定的捕获设备，而且只能获得静态图像，动态HDR图像的获得方法仍处在初期萌芽阶段。这就需要研究从LDR图像来获得HDR图像的方法。这些方法使得在HDR显示设备上重新利用已经存在的大量LDR图像成为可能。而且，基于LDR到HDR扩展的一些方法已经开始应用在HDR图像压缩以及增强等方面。

目前，获取HDR图像的方法主要有四类。

第一类采用PhotoShop等图像处理工具对图像进行人工处理，这种方法由于人的直接参与，可以根据不同具体情况，实际的进行处理，处理效果最好，但存在不稳定性和时间成本极高等缺点。

第二类选用具有较高动态范围的图像传感器，成像效果稳定，效率高，但捕获图像的动态范围仍非常有限，所以这个方法也通常被称为宽动态(wide dynamic range, WDR)。该方法从硬件入手，采用特殊的DSP芯片，在成像时采用逐行成像的方式，针对不同的光源使用不同的快门速度曝光，然后通过DSP处理重新组合，这样拍摄出来的图片直接就是HDR图像。虽然该方法在成像效果上确实比普通的拍摄设备拍摄效果更好，且能拍摄动态HDR图像，但它仍存在着不足。因为在硬件中，动态范围和灵敏度是相互矛盾的两个因素，动态范围大的摄像设备它的灵敏度往往比较低，反之亦然。也就是说宽动态摄像设备在光线条件比较好的情况下拍摄出来的图像视频通常可以呈现出较高的质量，但在低照度的情况下，其成像质量并不太好。

第三类利用多次曝光的多幅图像合成一幅HDR图像，该方法从软件入手，目前应用最广，许多公司的HDR摄像设备也是将该算法集成到摄像设备的前端，这种方法进行HDR图像成像的策略主要分为两类：一种是选取不同的曝光度图像，通过函数拟合成HDR图像，最后压缩成保留最多图像信息的LDR图像；另一种是直接对不同的曝光度图像进行融合，并用算法处理融合过程中出现的鬼影问题。但这种方法需要将多幅图片进行合成，这就要求每幅图像上的成像场景不能改变太大，所以大多只能拍摄静态的HDR图像。

第四类则是基于单幅图像进行HDR图像转换则是采用单幅LDR图像生成一幅HDR图像。该方法主要采用反色调映射算子的方式，对单幅的LDR图像进行直接的转化，不仅能实现静态HDR图像的拍摄，还能进行HDR视频的录制。与此同时，采用这种方法还可以将现有的大量LDR图像或视频资源生成HDR资源，能够很好的解决HDR图像或视频资源匮乏的问题。

发明内容