一种高动态范围图像的处理与显示方法技术

本发明专利技术公开了一种高动态范围图像的处理与显示方法，对焊接等过程中实时采集的高位深高动态范围灰度原图进行处理并在低位深显示设备上显示。该方法具体为：获取高位深高动态范围灰度原图各个像素的灰度值；生成一个色彩渐变型低位深索引调色板；以某一既定的非均匀量化准则把获取的高位深高动态范围灰度原图的各个像素灰度值映射为索引调色板中的相应色调，生成一张与高位深高动态范围灰度原图同等大小的低位深伪彩色图像。本发明专利技术依据相应的量化准则，可以在低位深显示器上显著地显示高位深高动态范围图像的全动态范围内的细节信息，为焊接过程中熔池轮廓及其周围区域的表面图像信息获取提供了一种可靠、精准的处理与显示方法。

A High Dynamic Range Image Processing and Displaying Method

The invention discloses a method for processing and displaying high dynamic range image, which processes the gray level original image of high depth and high dynamic range acquired in real time during welding and other processes and displays it on low depth display equipment. The method is as follows: acquiring the gray value of each pixel in the original gray level image of high-bit depth and high dynamic range; generating a color gradient low-bit depth index palette; mapping the gray value of each pixel of the original gray level image of high-bit depth and high dynamic range to the corresponding tone in the index palette with a certain non-uniform quantization criterion, and generating a gray level plateau of high-bit depth and high dynamic range. Low-level deep pseudo-color images of the same size. According to the corresponding quantization criteria, the invention can display the detail information in the full dynamic range of the high-level depth and high-dynamic range image on the low-level deep display, and provides a reliable and accurate method for processing and displaying the surface image information of the molten pool contour and its surrounding area in the welding process.

【技术实现步骤摘要】
一种高动态范围图像的处理与显示方法
本专利技术涉及一种高动态范围图像的处理与显示方法，具体涉及一种针对焊接实时监测的高动态范围图像的处理与显示方法，属于图像处理

技术介绍
动态范围是指某一变化的物理量在其最小值至最大值之间所跨越的区域，通常以比值、数量级、分贝等来度量。在数字图像领域中，包括场景、采集设备、显示设备和观察者四个基本要素都具有不同的亮度动态范围。光的亮度单位为坎德拉每平方米(cd/m2)，如明亮的星光的亮度仅有10-3cd/m2，日出日落的亮度则可以达到101cd/m2，太阳直射的亮度却高达105cd/m2，所以自然场景的亮度动态范围可以达到甚至超过100000000:1；人类的视觉系统在同一场景下能观测到的亮度动态范围约为10000:1，足以满足日常生活中场景亮度动态范围的观测需求。目前常用的可见光图像传感器是CCD和CMOS，其动态范围一般不超过1000:1；而目前常用的彩色显示屏所能产生的亮度范围大约在100cd/m2～102cd/m2，即亮度动态范围仅有100:1，所以将高动态范围图像通过显示设备进行显示时会遇到动态范围不匹配的问题，高动态范围图像必须经过压缩动态范围才能在低动态范围显示器上显示，这样就会丢失很多灰度层次的信息，如何在保持高动态范围图像灰度信息的基础上，在目前低动态范围显示器上显示高动态范围图像就成了迫切需要解决的问题。金属焊接过程是一个多物理场耦合的过程，成形过程中存在的各种不稳定因素将使成形零件的疲劳强度显著降低，为后期的投入使用带来隐患，所以对于焊接过程中熔池及其周围区域的在线监测显得尤为重要，而视觉监测具有信息量大、属于非接触式监测手段等优点，即不仅能够对熔池形貌、几何形状等参数进行同时测量，而且能够避免接触打印过程中的母材和热源，不影响打印过程中的各个参数变化，因此近年来针对焊接的在线视觉监测逐步成为一个研究热点。对于焊接的视觉监测，需要获取的信息主要是熔池轮廓以及熔池周围区域有无影响后续焊接的杂物颗粒，而焊接过程中熔池区域处在弧光笼罩的高光区域，熔池的周围区域则处在弧光之外的阴影区域，形成一个高动态范围场景，若想同时观测到二者就必须对高动态范围图像处理与显示。目前针对高动态范围图像的处理及显示都是基于场景复现的原则，尽量做到在低动态范围显示器上还原出高动态范围观测场景的视觉效果。如杨克虎,姬靖,郭建军,郁文生.高动态范围图像和色阶映射算子[J].自动化学报,2009,35(2):113-122中，为了再现高动态范围图像的细节信息和整体亮度印象信息，色调映射算子(TMO)应运而生。TMO映射方式主要是对高动态范围图像进行对比度压缩的处理，将其高质量显示的同时减少图像在细节、颜色、对比度和明亮度等方面的损失，主要方法有两种：一是全局映射算子，此方法只需要统一的映射曲线，简单易行，能较好地复现高动态范围场景的整体明暗效果，但是丢失了颜色、细节等信息；二是局部映射算子，此方法针对图像不同区域进行自适应映射，优势是能够保留局部特征信息，但是易出现虚假轮廓及噪声等，且计算复杂、效率低。在专利《高动态范围图像处理方法及系统》(CN105654925A)中，公开了一种高动态范围图像处理方法，主要思想是将信源高动态范围图像中每个像素点对应的三原色值更新为显示终端相同位置的各个像素点的三原色值，此方法依然是兼顾图像细节、对比度和场景原色，试图在三者间达到一个平衡的效果，因此同样会造成图像细节信息过多丢失，而且显示效果严重依赖于显示终端的显示性能。鉴于焊接监测的目的是同时提取出处于高光区域的熔池轮廓信息和处于阴影区域的熔池周围区域表面图像信息，所以相对于细节信息，原高动态范围场景的整体明暗度以及原色调信息就显得不那么重要，因此当下关于高动态范围图像的处理与显示方法所采用的映射算子或压缩算法都不适用于焊接过程中采集的高动态范围图像；而且目前的低动态范围彩色显示设备每个像素点分别有红、绿、蓝3种发光薄膜晶体管，每个晶体管的位深为8位即显示设备可以表示28＝256个明亮等级，所以理论上该种彩色显示设备的每个像素点可以显示28·28·28＝16777216中颜色中的任意一种颜色。基于此结合高动态范围图像的特点和索引图像的原理，提出了一种高动态范围图像的处理与显示方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种高动态范围图像的处理与显示方法，该方法克服了现有高动态范围图像处理与显示方法难以准确提取出(焊接)高动态范围图像的全范围细节信息并显示的问题。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种高动态范围图像的处理与显示方法，包括如下步骤：步骤1，获取焊接过程中实时采集的高位深高动态范围原图，并将高位深高动态范围原图转换为高位深高动态范围灰度原图；步骤2，根据步骤1的高位深高动态范围灰度原图，求取高位深高动态范围灰度原图上各个像素灰度值，并获取像素灰度最小值和像素灰度最大值；步骤3，制作一个8位的低位深索引调色板；步骤4，根据步骤1的高位深高动态范围灰度原图以及步骤2得到的像素灰度最小值和像素灰度最大值，确定非均匀量化准则；步骤5，把步骤1得到的高位深高动态范围灰度原图中各个像素的灰度值，按照步骤4得到的非均匀量化准则映射为步骤3得到的索引调色板中的相应色调，得到与高位深高动态范围灰度原图同等大小的低位深伪彩色图像，并通过低位深显示器将低位深伪彩色图像显示出来。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3所述低位深索引调色板满足如下条件：基于RGB颜色空间，相邻色调的R、G、B三通道间至少一个通道值不同且变化量至少为一个单位值。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤4的具体过程如下：1)建立直角坐标系，将高位深高动态范围灰度原图各个像素灰度值从小到大排序，所有像素灰度值减去像素灰度最小值后作为横轴，即横轴为0～(MAX-MIN)，MAX为像素灰度最大值，MIN为像素灰度最小值，将索引调色板的索引号作为纵轴，即纵轴为0～1023；2)建立非均匀量化准则的函数表达式为：y＝ax3+bx2+cx+d其中，x、y分别表示直角坐标系的横、纵轴，a、b、c、d均为系数；3)在1)的直角坐标系中确定10个定点进行曲线拟合，并得到非均匀量化准则函数表达式的系数值，10个定点包括(0,0)和(MAX-MIN,1023)这两个定点。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4所述非均匀量化准则的确定依据为：目标所处动态范围所对应的高位深高动态范围原图中的灰度等级。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术可以在低动态范围显示设备上显著地显示高动态范围图像的全动态范围细节信息，且简单快捷、效率较高。2、本专利技术可以依据不同的量化准则提取并显示高动态范围图像中任意动态范围内的细节信息。附图说明图1是本专利技术一种高动态范围图像的处理与显示方法的流程图。图2是本专利技术实施例的处理原图，即高位高动态范围灰度原图。图3是本专利技术实施例制作的调色板。图4是本专利技术实施例拟合出的映射曲线图。图5是本专利技术实施例的映射操作流程图。图6是采用本专利技术方法的处理结果图。图7是采用图像采集设备的处理结果图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态范围图像的处理与显示方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取焊接过程中实时采集的高位深高动态范围原图，并将高位深高动态范围原图转换为高位深高动态范围灰度原图；步骤2，根据步骤1的高位深高动态范围灰度原图，求取高位深高动态范围灰度原图上各个像素灰度值，并获取像素灰度最小值和像素灰度最大值；步骤3，制作一个8位的低位深索引调色板；步骤4，根据步骤1的高位深高动态范围灰度原图以及步骤2得到的像素灰度最小值和像素灰度最大值，确定非均匀量化准则；步骤5，把步骤1得到的高位深高动态范围灰度原图中各个像素的灰度值，按照步骤4得到的非均匀量化准则映射为步骤3得到的索引调色板中的相应色调，得到与高位深高动态范围灰度原图同等大小的低位深伪彩色图像，并通过低位深显示器将低位深伪彩色图像显示出来。

【技术特征摘要】
1.一种高动态范围图像的处理与显示方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取焊接过程中实时采集的高位深高动态范围原图，并将高位深高动态范围原图转换为高位深高动态范围灰度原图；步骤2，根据步骤1的高位深高动态范围灰度原图，求取高位深高动态范围灰度原图上各个像素灰度值，并获取像素灰度最小值和像素灰度最大值；步骤3，制作一个8位的低位深索引调色板；步骤4，根据步骤1的高位深高动态范围灰度原图以及步骤2得到的像素灰度最小值和像素灰度最大值，确定非均匀量化准则；步骤5，把步骤1得到的高位深高动态范围灰度原图中各个像素的灰度值，按照步骤4得到的非均匀量化准则映射为步骤3得到的索引调色板中的相应色调，得到与高位深高动态范围灰度原图同等大小的低位深伪彩色图像，并通过低位深显示器将低位深伪彩色图像显示出来。2.根据权利要求1所述高动态范围图像的处理与显示方法，其特征在于，步骤3所述低位深索引调色板满足如下条件：基于RGB颜色空间，相邻色调的R、G、B...

【专利技术属性】
技术研发人员：田裕鹏，尹相杰，崔中原，王平，贾兴伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32