色調(diào)映射中的濾波技術(shù)

郭凱　皇甫珍珍　李靜　龐澤邦

【摘 要】隨著人們對娛樂產(chǎn)品性能要求的提高，高動態(tài)范圍圖像應用的領(lǐng)域不斷增強。由于高動態(tài)范圍圖像數(shù)據(jù)保存為浮點型，因此難以直接在傳統(tǒng)的顯示設(shè)備上進行顯示，需要通過色調(diào)映射技術(shù)對圖像亮度范圍進行壓縮，并同時盡量保持圖像細節(jié)、顏色和整體對比度。本文討論濾波技術(shù)在色調(diào)映射算法設(shè)計中的使用原理、發(fā)展現(xiàn)狀及尚待解決的問題。

【關(guān)鍵詞】高動態(tài)范圍圖像；色調(diào)映射；圖像濾波

1 高動態(tài)范圍圖像

與傳統(tǒng)圖像不同，高動態(tài)范圍圖像可以記錄物理世界的真實光值，并將其保存為浮點數(shù)。因此，高動態(tài)范圍圖像可以表現(xiàn)更多的亮度等級，在娛樂產(chǎn)業(yè)、消費電子、虛擬現(xiàn)實等多個領(lǐng)域有廣泛的應用，為用戶帶來色彩鮮艷、亮度廣泛、栩栩如生的顯示效果，很好的解決現(xiàn)實生活中拍照與人眼所見不符的問題[1]。傳統(tǒng)顯示設(shè)備只能顯示8位圖像數(shù)據(jù)，無法直接顯示高動態(tài)范圍圖像。由于高動態(tài)范圍顯示器價格昂貴，更換所有的顯示設(shè)備不切實際，研究人員轉(zhuǎn)而利用軟件技術(shù)，對高動態(tài)范圍圖像的數(shù)據(jù)范圍進行壓縮，將其壓縮到傳統(tǒng)顯示器可以顯示的范圍，同時保持高動態(tài)范圍圖像的亮度、細節(jié)等特征。

2 色調(diào)映射算法分類

根據(jù)映射方式不同，大致上可以將現(xiàn)有的色調(diào)映射算法分為兩類，第一類是全局色調(diào)映射方法，第二類是局部色調(diào)映射算法。在全局色調(diào)映射算法中，使用一條曲線調(diào)整所有的亮度值，調(diào)整之后的亮度值僅與調(diào)整之前的亮度值和調(diào)整曲線有關(guān)，而與所在位置無關(guān)。在局部色調(diào)映射算法中，不僅要考慮當前像素的亮度值，還要考慮周圍鄰域?qū)Ξ斍傲炼鹊挠绊?，因此更符合人類日常生活的視覺體驗，具有更好的視覺效果。全局色調(diào)映射算法通常使用初等函數(shù)及其變形進行色調(diào)映射處理，常用函數(shù)包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和有理函數(shù)等等。在局部色調(diào)映射算法中，首先提取圖像的亮度，然后對亮度數(shù)據(jù)進行分層處理，將其分為包含大尺度信息的基本層和小尺度信息的細節(jié)層，分別對基本層和細節(jié)層進行壓縮后再進行合成，最后恢復顏色信息即可得到色調(diào)映射結(jié)果。在上述流程中，如何分層處理是色調(diào)映射的關(guān)鍵問題，通常使用濾波技術(shù)進行實現(xiàn)。

3 色調(diào)映射中的濾波技術(shù)

高斯濾波是數(shù)字圖像處理中最經(jīng)典的濾波方式。經(jīng)典的iCAM算法中使用了高斯濾波對圖像進行處理。高斯濾波器中的權(quán)重僅與空間距離相關(guān)，雙邊濾波考慮了空間距離和亮度距離兩個因素，可以更好地保持圖像的邊界等重要特征，也被改進后用于色調(diào)映射，并取得了巨大的成功[1]。但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，雙邊濾波會產(chǎn)生梯度逆轉(zhuǎn)效應，因此在色調(diào)映射結(jié)果圖像的邊界處會引起光暈現(xiàn)象。非局部均值算法在權(quán)重時考慮了圖像全局對當前像素的影響，并改變了原有的像素亮度比較方式，而是改進為像素塊之間的比較，因此可以更好的保持紋理等細節(jié)特征，應用于色調(diào)映射中可以取得較好的效果，細節(jié)尤佳。但是，非局部均值算法的運算量過大，計算效率較低用[2]。最近興起的引導濾波克服了雙邊濾波的逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此具有更大的潛力，構(gòu)造更加有效的色調(diào)映射算法，均取得了較好的效果[3]。

4 色調(diào)映射中使用濾波技術(shù)的問題

雖然使用濾波技術(shù)構(gòu)造局部色調(diào)映射算法可以得到較好的色調(diào)映射結(jié)果，但還存在一些問題尚待解決。第一個問題濾波器中的參數(shù)設(shè)定。濾波器通常包含很多參數(shù)，用以控制濾波的效果和光滑程度，參數(shù)調(diào)整更依賴于經(jīng)驗。第二個問題是濾波的計算速度，低效的計算效率會會影響色調(diào)映射的使用和推廣。因此，研究人員需要在速度和效果之間進行均衡把握和處理。第三個問題是濾波技術(shù)使用的數(shù)據(jù)域。高動態(tài)范圍圖像包含了豐富的亮度和色度信息。目前，濾波技術(shù)主要用于亮度數(shù)據(jù)處理，而未對色度信息進行處理，無法很好地再現(xiàn)場景中的色彩和色域。為此，需要構(gòu)造用于顏色信息的濾波技術(shù)，以消除色調(diào)映射中的的色偏現(xiàn)象、提高色調(diào)映射的整體視覺效果。

5 結(jié)語

隨著高動態(tài)范圍圖像獲取方式的改進和人們對高質(zhì)量圖像需求的增高，色調(diào)映射技術(shù)已經(jīng)應用于多個領(lǐng)域。大多數(shù)相關(guān)產(chǎn)品使用的是全局色調(diào)映射算法，技術(shù)速度快但是效果仍有很大的提高空間。局部色調(diào)映射雖然可以得到較好的視覺效果，但關(guān)鍵的濾波技術(shù)仍然有一些問題需要解決，如濾波器參數(shù)的設(shè)定、計算效率等。但相信隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)興起，以及硬件技術(shù)的進步和優(yōu)化算法的提出，這些問題將逐漸被解決，效果更好的局部色調(diào)映射技術(shù)將逐步走向更廣闊的應用領(lǐng)域。

【參考文獻】

[1]Durand，Dorsey.Fast Bilateral Filtering for the Display of High-Dynamic-Range Images.ACM Transactions on Graphics.21：3，257-266，2002.

[2]李祎，蘆碧波，王永茂.分區(qū)非局部均值色貌模型在色調(diào)映射中的應用[J].武漢大學學報（信息科學版），2016，41（05）：649-655.

[3]邵華，郁梅.一種人眼感知驅(qū)動的成分分解色調(diào)映射算法[J].光學技術(shù)，2017，43（05）：415-422.