CN101588436A - 一种压缩原始图像动态范围的方法、装置和数码相机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压缩原始图像动态范围的方法、装置和数码相机，方法包括：步骤一，对输入的原始图像进行量化和下采样，得到对应所述原始图像的缩小图；步骤二，根据所述缩小图计算出查找表，所述查找表具有从原始动态范围到媒介动态范围的映射关系；步骤三，根据所述查找表，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，把所述原始图像从所述原始动态范围映射到所述媒介动态范围。本发明用小图而不是原始输入图像来计算查找表，加速整个色调映射过程，能解决照相机大图像和低处理能力之间的矛盾。

Description

一种压缩原始图像动态范围的方法、装置和数码相机

技术领域

本发明涉及图像处理领域和数码相机应用领域，特别是涉及一种压缩原始图像动态范围的方法、装置和数码相机，用于把输入图像的动态范围映射到用于重现的媒介的动态范围以便于在媒介上重现图像。

背景技术

在图像处理以及照相领域，动态范围也叫亮度范围，是指场景或者图像中最大值(最亮点)和最小值(最暗点)的比值。对于现在的图像采集和显示设备，比如数码相机和计算机显示器，他们的动态范围比自然场景的动态范围要小得多。为了使场景中所有细节都可见，就需要使用动态范围压缩或变换技术，这种技术也叫“tone mapping(色调映射)”。

在照相领域，一些技术已经被开发出来用以实现色调映射。这些技术可以被分为两类：全局方法和局部方法。全局的方法独立的处理图像中的每一个像素。考虑图像的整体特征，全局方法一般计算一个单调的映射曲线，输入图像中的每个象素都通过这个曲线被映射到输出图像。局部方法经常模仿人类视觉系统的特性。比如说，一个合理的假设是人眼并不适应于整幅图像，而是根据关注点的局部特性进行调整。对于输入图像中的每个一个像素，他在输出图像中的值是由该象素附近的局部图像特征决定的。和局部方法相比，全局方法往往计算速度更快，可以在计算机上做到实时。但对于输入动态范围极大的场景，全局方法往往会丢失部分细节。而局部方法更擅长反映场景中的每个细节，但是和全局方法相比，局部方法往往更慢，而且容易产生附加的图像缺陷，如晕效应。

一种进行色调映射的现有技术是：对不同的感兴趣区采用不同的参数来tone mapping.为了找到用户的感兴趣区，该技术应用了眼球跟踪的方法以及扫描路径跟踪的方法。这里眼球跟踪式用来跟踪照相者的眼球运动。这个技术的缺点是，当对不同的区域采用不同的tone mapping参数时，在区域的边界处容易产生不连续的过度。而且，感兴趣区跟踪并不容易，感兴趣区的错误判断会导致整个图像变换的失败。另外，眼球跟踪需要额外的设备，这将会增加数码相机的成本。

另一种进行色调映射的现有技术，提出了一种方法，用于压缩图像不同区域之间的大的对比度差别而保留不同区域之间的小的对比度差别。该技术对于局部对比度设置了硬门限(4∶1)，如果局部对比度比这个硬门限大，则压缩局部对比度到4∶1。对于一些局部对比度很大的图像，这种采用硬门限压缩的方法会降低图像质量。而且，局部对比度的计算本身也是一个费时的运算，这将会限制该专利的应用。

图像采集和显示设备的动态范围和自然场景的动态范围之间有很大差距。为了在数码相机以及计算机显示器上重现自然场景，需要tone mapping技术来压缩自然场景的动态范围。而随着数码相机的发展，图像分辨率变得越来越高。在实现本发明技术方案的过程中，发现：现代数码相机一般都能采集1000万像素的图像，但是，和计算机相比，数码相机的处理器和存储器都要弱的多。考虑到以上因素，把动态范围压缩的技术应用于数码相机还需要一些其它的技术来加速tone mapping过程，以解决大图像和数码相机的低处理能力之间的矛盾。

发明内容

本发明的目的是提供一种压缩原始图像动态范围的方法、装置和数码相机，使得数码相机能够以较低的处理能力进行大图像的处理，解决大图像和数码相机的低处理能力之间的矛盾。

为了实现上述目的，一方面，提供了一种压缩原始图像动态范围的方法，包括如下步骤：

步骤一，对输入的原始图像进行量化和下采样，得到对应所述原始图像的缩小图；

步骤二，根据所述缩小图计算出查找表，所述查找表具有从原始动态范围到媒介动态范围的映射关系；

步骤三，根据所述查找表，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，把所述原始图像从所述原始动态范围映射到所述媒介动态范围。

优选地，上述的方法，所述步骤一具体包括：

步骤a1，对所述原始图像进行下采样，得到一幅相对于所述原始图像尺寸缩小的图像；

步骤a2，对所述尺寸缩小的图像进行量化，减少所述尺寸缩小的图像的每个象素的每个通道值的比特数，得到所述缩小图；

步骤a3，根据所述缩小图中每个象素对应的R、G、B值计算所述缩小图中每个象素的亮度值。

优选地，上述的方法，所述步骤二具体包括：

步骤b1，计算所述缩小图中各象素的亮度值中的最小亮度值、最大亮度值、以及亮度平均值；

步骤b2，利用所述最小亮度值、所述最大亮度值以及所述亮度平均值，根据预设的经验公式计算第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR；

步骤b3，根据所述第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR，获得所述映射关系，生成所述查找表。

优选地，上述的方法，所述步骤b3中，所述映射关系具体包括：

对于在所述原始动态范围中的从0到所述最小亮度值之间的值，线性的映射到所述媒介动态范围中的从0到所述第二参数LowR之间；

对于在所述原始动态范围中的所述最大亮度值和所述原始图像的理论最大值之间的值，线性的映射到所述媒介动态范围中的从所述第三参数HighR到所述媒介动态范围的媒介最大值之间；

对于在所述原始动态范围中的所述最大亮度值和所述最小亮度值之间的值，根据以下公式映射到所述媒介动态范围中的所述第二参数LowR和所述第三参数HighR之间：

$L^{\′}=\mathrm{LowR}+\frac{L}{L+\mathrm{Factor}}\×(\mathrm{HighR}-\mathrm{LowR})$

其中，L为在所述原始动态范围中的所述最大亮度值和所述最小亮度值之间的值，L’为L在所述媒介动态范围中的映射值。

优选地，上述的方法，所述步骤三中，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，具体包括：

步骤c1，从所述原始图像中选取一个当前像素，在所述查找表的所述原始动态范围中，获取与所述当前像素的一个通道值最接近的两个数值点；

步骤c2，根据所述映射关系，在所述查找表的所述媒介动态范围中获得与所述两个数值点对应的两个映射值；

步骤c3，通过在所述两个映射值之间进行线性内插的方式获得所述当前像素的所述通道值在所述媒介动态范围中的最终映射值；

步骤c4，通过步骤c1、c2和c3，获取所述原始图像中每个像素的每个通道值的最终映射值。

优选地，上述的方法，所述步骤b2中，所述经验公式包括：

$\mathrm{LowR}=\frac{\mathrm{Min}\_Y}{10}\×\frac{\mathrm{Medium}\_\mathrm{Range}}{100}$

$\mathrm{HighR}=(255-\frac{(255-\mathrm{Max}\_Y)}{10})\×\frac{\mathrm{Medium}\_\mathrm{Range}}{100}$

$\mathrm{Factir}=\mathrm{Average}\_Y\×\frac{10}{10+f}+30$

其中，Medium_Range为所述媒介动态范围，Min_Y为所述最小亮度值、Max_Y为所述最大亮度值、Average_Y为所述亮度平均值，f为用于控制输出图像的整体亮度的参数。

优选地，上述的方法，对每个像素的不同颜色的通道值采用同一个所述查找表进行映射。

本发明的另一个方面，提供一种压缩原始图像动态范围的装置，包括：缩小图计算模块，用于对输入的原始图像进行量化和下采样，得到对应所述原始图像的缩小图；查找表计算模块，用于根据所述缩小图计算出查找表，所述查找表具有从原始动态范围到媒介动态范围的映射关系；映射模块，用于根据所述查找表，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，把所述原始图像从所述原始动态范围映射到所述媒介动态范围。

优选地，上述的装置，所述缩小图计算模块具体包括：下采样模块，用于对所述原始图像进行下采样，得到一幅相对于所述原始图像尺寸缩小的图像；量化模块，用于对所述尺寸缩小的图像进行量化，减少所述尺寸缩小的图像的每个象素的每个通道值的比特数，得到所述缩小图；亮度计算模块，用于根据所述缩小图中每个象素对应的R、G、B值计算所述缩小图中每个象素的亮度值。

优选地，上述的方法，所述查找表计算模块具体包括：统计特征计算模块，用于计算所述缩小图中各象素的亮度值中的最小亮度值、最大亮度值、以及亮度平均值；参数计算模块，用于利用所述最小亮度值、所述最大亮度值以及所述亮度平均值，根据预设的经验公式计算第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR；查找表生成模块，用于根据所述第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR，获得所述映射关系，生成所述查找表。

本发明的另一个方面，提供一种压缩原始图像动态范围的数码相机，包括CPU、只读存储器和随机存储器，所述只读存储器中具有以下功能单元：缩小图计算模块，用于对输入的原始图像进行量化和下采样，得到对应所述原始图像的缩小图；查找表计算模块，用于根据所述缩小图计算出查找表，所述查找表具有从原始动态范围到媒介动态范围的映射关系；映射模块，用于根据所述查找表，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，把所述原始图像从所述原始动态范围映射到所述媒介动态范围。

优选地，上述的数码相机，所述功能单元用于加载到所述随机存储器并通过所述CPU执行。

本发明实施例的技术效果在于：

本发明用小图而不是原始输入图像来计算查找表，加速整个tone mapping过程，能解决照相机大图像和低处理能力之间的矛盾。

本发明在采用小图计算查找表的同时，为了使查找表能够考虑到大图(原始输入图像)中的所有像素值，为不在小图亮度范围(Min_Y，Max_Y)内的值分配了映射空间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的色调映射方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的小图计算模块内部流程图；

图3为本发明实施例提供的查找表计算模块流程图；

图4为本发明实施例提供的查找表生成模块流程图；

图5为本发明实施例提供的图像映射模块流程图；

图6为本发明实施例提供的映射曲线示例；

图7为本发明实施例提供的动态范围压缩装置硬件配置图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

图1所示是整个tone mapping处理器100的流程图。

本发明提供的压缩原始图像动态范围的装置为Tone mapping处理器100，其包含小图计算模块11、查找表计算模块12以及映射模块13。整个tonemapping流程如下：小图计算模块11首先计算对应输入图像的小图，然后，查找表计算模块12根据小图特征计算用于映射的查找表，所述查找表具有从原始动态范围(高动态范围)到媒介动态范围的映射关系，最后映射模块13根据查找表计算输入图像中每个点的映射值，使得变换后图像的动态范围适用于能进行重现图像的媒介动态范围。这里，本发明用小图而不是原始输入图像来计算查找表是为了加速整个tone mapping过程。

图2所示是小图计算模块的内部结构及运作流程图。小图计算模块11包含下采样模块21，量化模块22以及亮度计算模块23。下采样模块21把输入图像的尺寸从3468*2776缩小到320*240。之后，量化模块22把小图中每个像素从18比特每通道量化到8比特每通道。最后亮度计算模块23用公式(1)计算小图中每个像素对应的亮度值。

$L(x,y)=\frac{R(x,y)+G_r(x,y)+G_b(x,y)+B(x,y)}{4}---\left(1\right)$

图3所示是查找表计算模块12的内部结构流程图。查找表计算模块12包含统计特征计算模块31，参数计算模块32以及查找表生成模块33。统计特征计算模块31计算小图的亮度最小值(Min_Y)，最大值(Max_Y)以及平均值(Average_Y)。之后，参数计算模块32根据公式(2)，(3)，(4)计算一组参数。最后，查找表生成模块33根据这组参数生成用于映射的查找表。

$\mathrm{LowR}=\frac{\mathrm{Min}\_Y}{10}\×\frac{\mathrm{Medium}\_\mathrm{Range}}{100}---\left(2\right)$

$\mathrm{HighR}=(255-\frac{(255-\mathrm{Max}\_Y)}{10})\×\frac{\mathrm{Medium}\_\mathrm{Range}}{100}---\left(3\right)$

$\mathrm{Factor}=\mathrm{Average}\_Y\×\frac{10}{10+f}+30---\left(4\right)$

这里，Medium_Range适用于重现图像的媒介的动态范围。在本实施例中，要把输入的18比特每通道的图像映射到12比特每通道的图像，所以Medium_Range就是4096。公式(2)，(3)中的参数10，100是根据经验设定，这两个参数在其他实施例中可以被更改。在本实施例中，如果对应输入图像的小图(8比特每通道)的最小值是10，那么LowR的值就是4096/100＝40。公式(4)中的参数f可以被用户调整，它可以用来调整输出图像的整体亮度。f越大，输出图像越亮。在本实施例中，f的值应该在-10到10之间。公式(4)中的参数10和30是根据经验设定，他们可以根据不同的实施例改动。

图4所示是查找表生成模块的内部结构流程图。小图的动态范围(本实施例中8比特每通道，0-255)被分成3个部分，对于不同部分，本发明应用不同的策略来生成查找表。模块41把(0，Min_Y)范围内的值线性的映射到(0，LowR)。模块42把(Max_Y，255)的值线性的映射到(High_R，4096)。模块43用公式(5)计算从(Min_Y，Max_Y)到(LowR，HighR)的映射关系。

$L^{\′}=\mathrm{LowR}+\frac{L}{L+\mathrm{Factor}}\×(\mathrm{HighR}-\mathrm{LowR})---\left(5\right)$

本发明应用小图来计算查找表是为了提高计算速度。但是由于小图是由输入大图下采样以及量化得到的，所以小图中的最暗像素和最亮像素很可能不对应大图中的最暗像素和最亮像素。为了使查找表能够考虑到大图中的所有像素值，本发明为不在小图亮度范围(Min_Y，Max_Y)内的值分配了映射空间。

图5所示是映射模块13的内部结构流程图。映射模块13对于输入图像中的每个像素进行操作。对于每个像素的每个通道(R，Gr，Gb，B)值L，模块51首先把它从18比特量化到8比特，得到对应查找表中的第一个点P1＝L＞＞10，那么他在查找表中对应的第二个点就是P2＝P1+1。然后模块52在查找表中找到对应P1，P2的映设值L’1和L’2，最后，模块53对L’1和L’2进行线性内插得到对应L的映设值L’。

本发明中，为了节省计算时间和内存，对不同图像通道应用了同一个查找表进行映射。

图6所示是映射曲线示意。

图7所示是数码相机1000的硬件结构示意图。数码相机是本发明声明的动态范围压缩装置的一个实施例。物体光线首先通过一个光学系统101作用于电荷耦合设备(CCD)103。机械快门102被设置在光学系统101和CCD103之间，机械快门可以阻挡光线作用于CCD103。光学系统101和机械快门被步进电机106驱动。

CCD103把成像区域得到的光学图像转换成电子信号，并把该电子信号输出为模拟图像信号。在CCD103得到的图像信号被送到相关双采样(CDS)电路104进行去燥处理，之后通过模数(A/D)转换器105转换成数字信号，最后该数字信号被输出到图像处理电路108。

图像处理电路108把数字图像信号临时的存储在SDRAM112中以进行各种图像处理操作，比如YCrCb转换(Y为亮度，CrCb为Red、Blue的色度分量)，白平衡，对比度修正，边缘增强和颜色变换等操作。白平衡用来调整图像颜色密度。经过图像处理之后的图像信号被输出到液晶显示器116进行显示。

图像数据经过压缩/解压缩电路113进行压缩/解压缩操作之后，存储于存储卡114。这里，压缩/解压缩电路从操作单元115中获取指令以判断进行压缩操作(图像数据从图像处理电路108到存储卡114)或者是解压缩操作(图像数据从存储卡114到图像处理电路108)。

数码相机1000包含一个根据计算机程序进行各种计算操作的中心处理器(CPU)109，中心处理器109还通过时间信号产生器为CCD103，CDS电路104以及A/D转换器105提供计时信号。中心处理器109还控制图像处理电路108，压缩/解压缩电路113以及存储卡114。

数码相机1000还包含一个只读存储器(ROM)111和一个随机存储器(RAM)110。只读存储器111和随机存储器112之间通过总线相连。只读存储器111用于存储计算机程序，随机存储器110为各种处理操作提供工作区以及数据存储区。

当tone mapping操作在数码相机1000中执行的时候，系统首先把tonemapping程序(包括功能单元：缩小图计算模块，查找表计算模块，映射模块)从ROM111中载入到RAM110并执行该程序。Tone mapping程序首先获取临时存储在SDRAM112中的图像数据，然后分别执行小图计算模块11，查找表计算模块12和映射模块13，作为结果，生成的适用于媒介(液晶显示器116)动态范围的图像被最终存储在SDRAM112中。

由上可知，本发明实施例的技术效果在于：

本发明用小图而不是原始输入图像来计算查找表，加速整个tone mapping过程，能解决照相机大图像和低处理能力之间的矛盾。

本发明在采用小图计算查找表的同时，为了使查找表能够考虑到大图(原始输入图像)中的所有像素值，而为不在小图亮度范围(Min_Y，Max_Y)内的值分配了映射空间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种压缩原始图像动态范围的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，对输入的原始图像进行量化和下采样，得到对应所述原始图像的缩小图；

步骤二，根据所述缩小图计算出查找表，所述查找表具有从原始动态范围到媒介动态范围的映射关系；

步骤三，根据所述查找表，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，把所述原始图像从所述原始动态范围映射到所述媒介动态范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

步骤a1，对所述原始图像进行下采样，得到一幅相对于所述原始图像尺寸缩小的图像；

步骤a2，对所述尺寸缩小的图像进行量化，减少所述尺寸缩小的图像的每个象素的每个通道值的比特数，得到所述缩小图；

步骤a3，根据所述缩小图中每个象素对应的R、G、B值计算所述缩小图中每个象素的亮度值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

步骤b1，计算所述缩小图中各象素的亮度值中的最小亮度值、最大亮度值、以及亮度平均值；

步骤b2，利用所述最小亮度值、所述最大亮度值以及所述亮度平均值，根据预设的经验公式计算第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR；

步骤b3，根据所述第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR，获得所述映射关系，生成所述查找表。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤b3中，所述映射关系具体包括：

对于在所述原始动态范围中的从0到所述最小亮度值之间的值，线性的映射到所述媒介动态范围中的从0到所述第二参数LowR之间；

对于在所述原始动态范围中的所述最大亮度值和所述原始图像的理论最大值之间的值，线性的映射到所述媒介动态范围中的从所述第三参数HighR到所述媒介动态范围的媒介最大值之间；

对于在所述原始动态范围中的所述最大亮度值和所述最小亮度值之间的值，根据以下公式映射到所述媒介动态范围中的所述第二参数LowR和所述第三参数HighR之间：

$L^{\′}=\mathrm{LowR}+\frac{L}{L+\mathrm{Factor}}\×(\mathrm{HighR}-\mathrm{LowR})$

其中，L为在所述原始动态范围中的所述最大亮度值和所述最小亮度值之间的值，L’为L在所述媒介动态范围中的映射值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，具体包括：

步骤c1，从所述原始图像中选取一个当前像素，在所述查找表的所述原始动态范围中，获取与所述当前像素的一个通道值最接近的两个数值点；

步骤c2，根据所述映射关系，在所述查找表的所述媒介动态范围中获得与所述两个数值点对应的两个映射值；

步骤c3，通过在所述两个映射值之间进行线性内插的方式获得所述当前像素的所述通道值在所述媒介动态范围中的最终映射值；

步骤c4，通过步骤c1、c2和c3，获取所述原始图像中每个像素的每个通道值的最终映射值。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤b2中，所述经验公式包括：

$\mathrm{LowR}=\frac{\mathrm{Min}\_Y}{10}\×\frac{\mathrm{Medium}\_\mathrm{Range}}{100}$

$\mathrm{HighR}=(255-\frac{(255-\mathrm{Max}\_Y)}{10})\×\frac{\mathrm{Medium}\_\mathrm{Range}}{100}$

$\mathrm{Factor}=\mathrm{Average}\_Y\×\frac{10}{10+f}+30$

其中，Medium_Range为所述媒介动态范围，Min_Y为所述最小亮度值、Max_Y为所述最大亮度值、Average_Y为所述亮度平均值，f为用于控制输出图像的整体亮度的参数。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

对每个像素的不同颜色的通道值采用同一个所述查找表进行映射。

8.一种压缩原始图像动态范围的装置，其特征在于，包括：

缩小图计算模块，用于对输入的原始图像进行量化和下采样，得到对应所述原始图像的缩小图；

查找表计算模块，用于根据所述缩小图计算出查找表，所述查找表具有从原始动态范围到媒介动态范围的映射关系；

映射模块，用于根据所述查找表，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，把所述原始图像从所述原始动态范围映射到所述媒介动态范围。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述缩小图计算模块具体包括：

下采样模块，用于对所述原始图像进行下采样，得到一幅相对于所述原始图像尺寸缩小的图像；

量化模块，用于对所述尺寸缩小的图像进行量化，减少所述尺寸缩小的图像的每个象素的每个通道值的比特数，得到所述缩小图；

亮度计算模块，用于根据所述缩小图中每个象素对应的R、G、B值计算所述缩小图中每个象素的亮度值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述查找表计算模块具体包括：

统计特征计算模块，用于计算所述缩小图中各象素的亮度值中的最小亮度值、最大亮度值、以及亮度平均值；

参数计算模块，用于利用所述最小亮度值、所述最大亮度值以及所述亮度平均值，根据预设的经验公式计算第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR；

查找表生成模块，用于根据所述第一参数Factor、第二参数LowR和第三参数HighR，获得所述映射关系，生成所述查找表。

11.一种压缩原始图像动态范围的数码相机，包括CPU、只读存储器和随机存储器，其特征在于，所述只读存储器中具有以下功能单元：

缩小图计算模块，用于对输入的原始图像进行量化和下采样，得到对应所述原始图像的缩小图；

查找表计算模块，用于根据所述缩小图计算出查找表，所述查找表具有从原始动态范围到媒介动态范围的映射关系；

映射模块，用于根据所述查找表，对所述原始图像的每个像素进行搜索和插值，把所述原始图像从所述原始动态范围映射到所述媒介动态范围。

12.根据权利要求11所述的数码相机，其特征在于，所述功能单元用于加载到所述随机存储器并通过所述CPU执行。

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