一种高质量的快速色调映射方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高质量的快速色调映射方法和系统，首先进行色彩空间转换，将HDR图像由RGB色彩空间转换到HSV色彩空间；接着将图像的亮度分量转换到对数域并利用具有sigmoidal函数特性的反正切函数自适应地进行全局动态范围压缩；然后本发明专利技术改进了单尺度Retinex算法，并利用该改进算法对全局压缩结果进行自适应局部细节调整；最后对饱和度分量进行调整并进行色彩空间转换得到最终的映射结果。本发明专利技术提供的一种高质量的快速色调映射方法，可以将高动态范围图像在低动态范围显示设备上高质量的显示输出，该方法既保持了良好的整体效果，又充分保留了图像的局部细节，使图像看起来更加生动自然；同时该方法计算速度快，具有很高的效率，可以用于实时系统。

【技术实现步骤摘要】
一种高质量的快速色调映射方法和系统
本专利技术属于数字图像处理
，特别涉及一种高质量的快速色调映射方法和系统。
技术介绍
高动态范围(highdynamicrange，HDR)图像记录了现实场景丰富的光影和色彩信息，能生动地呈现场景的所有细节信息。近些年，HDR图像已广泛应用于摄影、影视特效、智能监控、医疗、军事以及卫星遥感等领域。然而现有的显示设备由于动态范围受限，无法直接显示HDR图像。如何将HDR图像通过图像处理的方法完美地呈现在低动态范围(lowdynamicrange，LDR)显示设备上，并尽可能多的展现自然场景丰富的光影和色彩信息已成为计算机视觉领域研究的热点。将HDR图像映射到LDR显示设备输出的过程称为色调映射。色调映射方法大致可以分为全局映射和局部映射两大类。全局映射利用同一函数作用于整副图像，能够较好地呈现图像的整体效果，计算效率高，但局部对比度低，图像的局部细节损失严重。局部映射根据不同区域的动态范围变化情况采用不同的映射曲线，可以提高映射结果的局部对比度，展现更多的局部细节，但无法保证图像的全局效果，且容易产生光晕，计算复杂度高。近些年提出的很多色调映射方法，普遍存在不能很好兼顾图像的整体效果和局部细节，算法的效率也不高的问题。
技术实现思路
为了解决上述色调映射方法存在的问题，本专利技术提供了一种高质量的快速色调映射方法，包括如下的步骤：步骤1，输入高动态范围图像；步骤2，将高动态范围图像由RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，得到的三个独立分量：色调H(i,j)、饱和度S(i,j)和亮度信息V(i,j)，其中(i,j)表示像素点坐标；步骤3，将亮度分量V(i,j)在对数域中进行调整，得到亮度的对数值Vlog(i,j)；步骤4，对Vlog(i,j)进行动态范围压缩，得到全局动态范围压缩图Vg(i,j)；步骤5，利用改进的单尺度Retinex算法对Vg(i,j)进行局部细节调整，得到调整后的亮度图Vldr(i,j)；步骤6，根据映射前后的亮度比值对饱和度分量S(i,j)进行调整，得到调整后的饱和度分量Sldr(i,j)，步骤7，将计算得到的色调H(i,j)、调整后的饱和度分量Sldr(i,j)和亮度图Vldr(i,j)由HSV颜色空间转换到RGB颜色空间得到色调映射结果。进一步的，所述步骤3中将亮度分量V(i,j)在对数域中进行调整，调整的对数方程为，其中Vlog(i,j)表示像素点(i,j)处的亮度对数值，V(i,j)为HSV颜色空间中归一化后的亮度分量，V(i,j)取值为0～1。进一步的，所述步骤4中采用具有sigmoidal函数变化关系的反正切函数压缩全局动态范围，该反正切函数为，其中Vg(i,j)为全局映射输出结果，表示图像对数域亮度调整后的平均值，max表示取最大值。进一步的，所述步骤5中利用改进的单尺度Retinex算法对Vg(i,j)进行局部细节调整的实现方式如下，Vldr(i,j)＝log[Vg(i,j)]-λ(i,j)log[G(i,j)](4)其中Vldr(i,j)为局部细节调整输出，G(i,j)为Vg(i,j)经引导滤波平滑输出，λ(i,j)为背景亮度调节因子，G(i,j)和λ(i,j)的计算公式分别为，λ(i,j)＝1-0.5×(Vg(i,j))0.45(6)其中ak和bk为窗口ωk的系数，|ω表示窗口ωk中像素的数量。进一步的，所述步骤6中根据映射前后的亮度比值对饱和度分量S(i,j)进行调整，实现方式如下，Sldr(i,j)＝0.7S(i,j)+log(1+η(i,j))(7)其中Sldr(i,j)为调整后的饱和度分量，η(i,j)为映射前后亮度的比值，该比值被定义为，其中V表示输入的高动态范围图像在HSV颜色空间的亮度信息，Vldr表示色调映射后图像在HSV颜色空间的亮度信息，max表示取最大值，min表示取最小值。此外，本专利技术还提供一种高质量的快速色调映射系统，包括以下模块：输入模块，用于输入高动态范围图像；颜色空间转换模块，用于将高动态范围图像由RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，得到的三个独立分量：色调H(i,j)、饱和度S(i,j)和亮度信息V(i,j)，其中(i,j)表示像素点坐标；对数调整模块，用于将亮度分量V(i,j)在对数域中进行调整，得到亮度的对数值Vlog(i,j)；全局动态压缩模块，用于对Vlog(i,j)进行动态范围压缩，得到全局动态范围压缩图Vg(i,j)；局部细节调整模块，用于利用改进的单尺度Retinex算法对Vg(i,j)进行局部细节调整，得到调整后的亮度图Vldr(i,j)；饱和度调整模块，用于根据映射前后的亮度比值对饱和度分量S(i,j)进行调整，得到调整后的饱和度分量Sldr(i,j)，输出模块，用于将计算得到的色调H(i,j)、调整后的饱和度分量Sldr(i,j)和亮度图Vldr(i,j)由HSV颜色空间转换到RGB颜色空间得到色调映射结果。进一步的，所述对数调整模块中将亮度分量V(i,j)在对数域中进行调整，调整的对数方程为，其中Vlog(i,j)表示像素点(i,j)处的亮度对数值，V(i,j)为HSV颜色空间中归一化后的亮度分量，V(i,j)取值为0～1。进一步的，所述步骤4中采用具有sigmoidal函数变化关系的反正切函数压缩全局动态范围，该反正切函数为，其中Vg(i,j)为全局映射输出结果，表示图像对数域亮度调整后的平均值，max表示取最大值。进一步的，所述全局动态压缩模块中利用改进的单尺度Retinex算法对Vg(i,j)进行局部细节调整的实现方式如下，Vldr(i,j)＝log[Vg(i,j)]-λ(i,j)log[G(i,j)](4)其中Vldr(i,j)为局部细节调整输出，G(i,j)为Vg(i,j)经引导滤波平滑输出，λ(i,j)为背景亮度调节因子，G(i,j)和λ(i,j)的计算公式分别为，λ(i,j)＝1-0.5×(Vg(i,j))0.45(6)其中ak和bk为窗口ωk的系数，|ω表示窗口ωk中像素的数量。进一步的，所述饱和度调整模块中根据映射前后的亮度比值对饱和度分量S(i,j)进行调整，实现方式如下，Sldr(i,j)＝0.7S(i,j)+log(1+η(i,j))(7)其中Sldr(i,j)为调整后的饱和度分量，η(i,j)为映射前后亮度的比值，该比值被定义为，其中V表示输入的高动态范围图像在HSV颜色空间的亮度信息，Vldr表示色调映射后图像在HSV颜色空间的亮度信息，max表示取最大值，min表示取最小值。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种高质量的快速色调映射方法，可以将HDR图像在LDR显示设备上高质量的显示输出，该方法综合了全局映射和局部映射的优点，既保持了良好的整体效果，又充分保留了图像的局部细节，使图像看起来更加生动自然；同时该方法计算速度快，具有很高的效率，可以用于实时系统。附图说明图1本专利技术实施例流程图；图2本专利技术实施例处理后显示的室内场景图；图3本专利技术实施例处理后显示的室外场景图。具体实施方式本专利技术并不受限于所公开的实施例，可以通过不同形式加以实现。下面将结合附图，对本专利技术的内容进行详细说明。图1为本专利技术一种高质量的快速色调映射方法的流程图，具体步骤如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高质量的快速色调映射方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，输入高动态范围图像；步骤2，将高动态范围图像由RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，得到的三个独立分量：色调H(i,j)、饱和度S(i,j)和亮度信息V(i,j)，其中(i,j)表示像素点坐标；步骤3，将亮度分量V(i,j)在对数域中进行调整，得到亮度的对数值Vlog(i,j)；步骤4，对Vlog(i,j)进行动态范围压缩，得到全局动态范围压缩图Vg(i,j)；步骤5，利用改进的单尺度Retinex算法对Vg(i,j)进行局部细节调整，得到调整后的亮度图Vldr(i,j)；步骤6，根据映射前后的亮度比值对饱和度分量S(i,j)进行调整，得到调整后的饱和度分量Sldr(i,j)，步骤7，将计算得到的色调H(i,j)、调整后的饱和度分量Sldr(i,j)和亮度图Vldr(i,j)由HSV颜色空间转换到RGB颜色空间得到色调映射结果。

【技术特征摘要】
1.一种高质量的快速色调映射方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，输入高动态范围图像；步骤2，将高动态范围图像由RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，得到的三个独立分量：色调H(i,j)、饱和度S(i,j)和亮度信息V(i,j)，其中(i,j)表示像素点坐标；步骤3，将亮度分量V(i,j)在对数域中进行调整，得到亮度的对数值Vlog(i,j)；步骤4，对Vlog(i,j)进行动态范围压缩，得到全局动态范围压缩图Vg(i,j)；步骤5，利用改进的单尺度Retinex算法对Vg(i,j)进行局部细节调整，得到调整后的亮度图Vldr(i,j)；步骤6，根据映射前后的亮度比值对饱和度分量S(i,j)进行调整，得到调整后的饱和度分量Sldr(i,j)，步骤7，将计算得到的色调H(i,j)、调整后的饱和度分量Sldr(i,j)和亮度图Vldr(i,j)由HSV颜色空间转换到RGB颜色空间得到色调映射结果。2.如权利要求1所述的一种高质量的快速色调映射方法，其特征在于：所述步骤3中将亮度分量V(i,j)在对数域中进行调整，调整的对数方程为，其中Vlog(i,j)表示像素点(i,j)处的亮度对数值，V(i,j)为HSV颜色空间中归一化后的亮度分量，V(i,j)取值为0～1。3.如权利要求1或2所述的一种高质量的快速色调映射方法，其特征在于：所述步骤4中采用具有sigmoidal函数变化关系的反正切函数压缩全局动态范围，该反正切函数为，其中Vg(i,j)为全局映射输出结果，表示图像对数域亮度调整后的平均值，max表示取最大值。4.如权利要求3所述的一种高质量的快速色调映射方法，其特征在于：所述步骤5中利用改进的单尺度Retinex算法对Vg(i,j)进行局部细节调整的实现方式如下，Vldr(i,j)＝log[Vg(i,j)]-λ(i,j)log[G(i,j)](4)其中Vldr(i,j)为局部细节调整输出，G(i,j)为Vg(i,j)经引导滤波平滑输出，λ(i,j)为背景亮度调节因子，G(i,j)和λ(i,j)的计算公式分别为，λ(i,j)＝1-0.5×(Vg(i,j))0.45(6)其中ak和bk为窗口ωk的系数，|ω表示窗口ωk中像素的数量。5.如权利要求4所述的一种高质量的快速色调映射方法，其特征在于：所述步骤6中根据映射前后的亮度比值对饱和度分量S(i,j)进行调整，实现方式如下，Sldr(i,j)＝0.7S(i,j)+log(1+η(i,j))(7)其中Sldr(i,j)为调整后的饱和度分量，η(i,j)为映射前后亮度的比值，该比值被定义为，其中V表示输入的高动态范围图像在HSV颜色空间的亮度信息，Vldr表示色调映射后图像在HSV颜色空间的亮度信息，max表示取最大值，min表示取最小值。6.一种高质量的快速色调映射系统，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卫中，易本顺，邱康，向勉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42