CN102148936A - 一种高动态范围成像优化方法及装置 - Google Patents

一种高动态范围成像优化方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高动态范围成像优化方法及装置,旨在提升高动态范围图像中曝光不足部分的亮度。本发明以单帧彩色图像为基础,利用单个像素周围一定范围内其他像素的信息,对该像素曝光是否充分进行准确判断,然后将图像转换进入线性空间,在线性空间内对曝光不足的像素进行曝光补偿,提升其亮度,避免了直接对像素值本身进行提升所可能引起的颜色失真,或者可能形成的虚假细节;此外,整个处理过程运算简单,复杂度低,尤其适合在例如手机,数码相机等运算处理能力有限的小型设备上实施。

Description

一种高动态范围成像优化方法及装置
技术领域
本发明涉及数字图像处理领域,尤其是图像处理中一种高动态范围成像优化技术。
背景技术
在图像获取过程中,由于待拍摄场景的动态范围大于拍摄设备的动态范围,并且单次拍摄时仅能使用一个全局且固定的曝光方式,因此导致只能对待拍摄场景中的部分景物正确曝光,其他景物要么过度曝光,要么曝光不足。过度曝光使拍摄的景物呈现高亮发白的状态,曝光不足让景物暗淡发黑。
为使图像中所有的景物看上去都足够明亮,获得更好的视觉效果,常用的解决方法是先获得一幅让场景中较亮部分正确曝光的图像,此时场景中较暗的部分欠曝光,在所获得的图像中显得暗淡;然后采用类似于伽马矫正所用使用的曲线对所获得图像的所有像素值进行重新映射,此处所用的曲线可以是各种形状,映射之后的共同特点是,值较小的像素获得较大的增益,值较大的像素获得较小的增益,值相同的像素获得的增益相同,这样可以让所获得的图像中原本较暗的部分明亮起来。图1给出了对部分欠曝光图像的像素值进行重新映射的一种映射曲线示意图,具体来说,原图像中值为20的像素,经过映射曲线的重新映射,获得新像素值82,其增益大约为82/20=4.1;原图像中值为200的像素,经过重新映射,新像素值为231,其增益大约为231/200=1.155。关于这种方法的更详细的阐述,可以参考《Digital Image Processing 3rd Edition》3.2章节的内容。
上述提升图像中曝光不足部分亮度的方法存在一定缺陷。首先,此类方法没有考虑每个像素到底是否正确曝光,只要该像素值较小,就会获得较大增益,这样场景中正确曝光的,但是本来就比较暗淡的像素,例如深色的像素,会被错误的施加大增益;其次,拍摄设备对外界光照的响应是非线性的,为提升亮度所使用的映射曲线往往不能正确反映拍摄设备对光照强度的非线性响应;并且直接在原像素值上进行操作,对彩色图像而言,由此会带来图像色彩失真,甚至在原图像上形成虚假细节。
发明内容
为了克服现有技术中对正确曝光的暗淡像素也进行较大增益补偿,为提升亮度所使用的映射曲线不能正确反映拍摄设备对光照强度的非线性响应,以及在原图像上形成虚假细节的不足,本发明提供了一种高动态范围成像优化方法及其装置,本发明以单帧彩色图像为基础,利用单个像素周围一定范围内其他像素的信息,对该像素曝光是否充分进行准确判断,然后将图像转换进入线性空间,在线性空间内对曝光不足的像素进行曝光量补偿,最终通过非线性逆映射,将得到的新曝光量映射成新像素值,能提升其亮度,同时又保证色彩和细节与原始图像保持一致。
为了克服上述不足,本发明提供了一种高动态范围成像优化方法,该方法包括如下步骤:
步骤一,从原始图像中获取一个待处理像素,作为当前像素;
该原始图像对高动态范围场景中较亮部分正常曝光,较暗部分欠曝光;图像像素所处的颜色空间是RGB、YUV或者HSV中的一种。
步骤二,利用拍摄该图像所用拍摄设备输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系,将当前像素的像素值通过非线性映射换算成曝光量;
所述的拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系是非线性的,通过计算或者实验获得,或者由拍摄设备厂家提供。
所述图片获取过程中的曝光量等于场景的亮度和曝光时间的乘积,用公式表示为:
Figure 601422DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 206977DEST_PATH_IMAGE002
表示曝光量,表示场景亮度,表示曝光时间;由上式可见,场景本身的亮度越亮,相同曝光时间下的曝光量越大;在场景本身亮度不变的情况下,曝光时间越长,曝光量越大;另外,曝光量和曝光时间呈线性关系。
所述拍摄设备输出的像素值和场景的曝光量之间对应关系的表现形式是曝光量和像素值的对应关系,或者曝光量取对数后和像素值的对应关系。
对于处于RGB颜色空间的图像,根据拍摄设备输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系直接获得当前像素值所对应的曝光量;对于处于其他颜色空间的图像,需先转换到RGB颜色空间,再根据对应关系获得曝光量。
步骤三,计算当前像素的亮度;
步骤四,利用相邻像素的亮度值对当前像素的亮度进行模糊;
所述对当前像素的亮度进行模糊采用求平均值的方式,把以当前像素为中心的5x5范围内所有像素的亮度求和后取平均,得到模糊后的亮度信息;所述对当前像素的亮度进行模糊能设置求和取均值的范围大小,求和过程中能对相邻像素的亮度设置不同的权重,或者在一定范围内反复求均值。
步骤五,利用当前像素模糊后的亮度信息,计算需要施加的曝光补偿量;
所述曝光补偿量遵循以下原则:小的亮度输入得到大的曝光补偿输出,而大的亮度输入得到小的曝光补偿。
步骤六,利用当前像素的曝光量和曝光补偿量,计算出当前像素的新曝光量,实现曝光补偿;
所述曝光补偿的表达式为:
Figure 258613DEST_PATH_IMAGE005
如果使用自然对数来表示曝光量,则曝光补偿的表达式为:
Figure 769491DEST_PATH_IMAGE006
其中表示曝光补偿后新的曝光量,表示曝光量,表示场景亮度,表示曝光时间,表示当前像素的曝光补偿量。
步骤七,利用拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系,通过非线性逆映射,将得到的新曝光量映射成新的像素值;
步骤八,输出新的像素值。
在上述步骤中,所述像素的原曝光量、曝光补偿量、新的曝光量以及新的像素值的R、G和B三个颜色分量需要分别进行计算;R、G和B三个颜色分量使用同一条反映拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间对应关系的响应曲线;将像素值影射成曝光量与将新的曝光量逆映射成新的像素值使用相同的拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系。
为了克服上述不足,本发明还提供了一种高动态范围图像合成装置,该装置包括:曝光量映射单元,曝光补偿量计算单元,曝光补偿单元和像素值逆映射单元。
曝光量映射单元用于将待处理像素的像素值通过响应曲线映射为曝光量;
所述响应曲线反映拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的非线性关系,通过计算或者实验获得,或者由拍摄设备厂家提供。
曝光补偿量计算单元用于根据待处理像素的曝光信息,计算当前待处理像素所需施加的曝光补偿量;
所述曝光信息,是将待处理像素和其相邻像素的亮度值求平均,实现以待处理像素为中心的一定范围内的亮度模糊后得到的该像素的亮度信息。
所述对当前待处理像素施加曝光补偿量的原则是:在亮度小的地方,曝光补偿量大;在亮度大的地方,曝光补偿量小。
曝光补偿单元用于在曝光量空间内,将曝光补偿量施加到原曝光量上,得到新的曝光量;
如果响应曲线中的曝光量以自然对数表示,新曝光量等于曝光补偿量加上原曝光量;如果响应曲线中的曝光量以实际值表示,则新曝光量等于曝光补偿量乘上原曝光量。
像素值逆映射单元用于将新的曝光量通过响应曲线逆映射为新的像素值。
所述像素值逆映射单元和曝光量映射单元使用同一响应曲线进行映射换算。
与现有技术相比较,本发明以单帧彩色图像为基础,利用单个像素周围一定范围内其他像素的信息,对该像素曝光是否充分进行准确判断,然后将图像转换进入线性空间,在线性空间内对曝光不足的像素进行曝光补偿,提升其亮度,避免了直接对像素值本身进行提升所可能引起的颜色失真,或者可能形成的虚假细节;此外,整个处理过程运算简单,复杂度低,尤其适合在例如手机,数码相机等运算处理能力有限的小型设备上实施。
附图说明
图1是对部分欠曝光图像的像素值进行重新映射的一种映射曲线示意图。
图2是本发明提供的高动态范围成像优化方法的一个实施方式的流程图。
图3是拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间对应关系的一种常见响应曲线示意图。
图4是本发明提供的一种高动态范围图像优化装置的一个实施方式的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式进行说明。
请参阅图2所示,是本发明提供的高动态范围成像优化方法的一个实施方式的流程图,具体包括如下步骤:
步骤S201,从原始图像中获取一个待处理像素,作为当前像素。
本步骤使用的原始图像对高动态范围场景中较亮度部分正常曝光,较暗部分欠曝光。
图像像素所处的颜色空间是任意的,例如RGB、YUV、HSV等。图像像素所处的颜色空间不对本专利构成限制。
步骤S202,利用拍摄该图像所用拍摄设备输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系,将当前像素的像素值通过非线性映射换算成曝光量。
在图像获取过程中,拍摄设备对曝光量进行响应,拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系是非线性的。图片获取过程中的曝光量等于场景的亮度和曝光时间的乘积,用公式表示为:
Figure 340412DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 264374DEST_PATH_IMAGE002
表示曝光量,表示场景亮度,表示曝光时间。由上式可见,场景本身的亮度越亮,相同曝光时间下的曝光量越大;在场景本身亮度不变的情况下,曝光时间越长,曝光量越大;另外,曝光量和曝光时间呈线性关系。
请参阅图3所示,是拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间对应关系的一种常见响应曲线示意图,其中的横坐标代表曝光量,以自然对数表示,纵坐标代表对应的像素值,响应曲线代表了曝光量和像素值的对应关系。每个像素包括R、G和B三个颜色分量,理论上三个分量拥有各自的响应曲线,拍摄过程中不同颜色会按照各自的响应曲线对曝光量进行响应。但实际上三个分量的响应曲线可能非常相似,因此在后面的所有步骤中,三个分量也可以使用同一条响应曲线。
为获取响应曲线,可以参考“Estimation-theoretic approach to dynamic range enhancement using multiple exposures ( Journal of Electronic Imaging 12(2), 219-228(April 2003) )”介绍的方法,利用多张不同曝光的图像计算拍摄设备的响应曲线。实际上响应曲线的获取方法有很多,除了可以通过计算得到,还可以通过实验测量,或者由拍摄设备厂家提供。无论最终采用何种方法,都不对本专利构成限制。
响应曲线的表现形式可以是曝光量和像素值的对应关系,也可以是曝光量取对数后和像素值的对应关系。无论最终采用哪种表现形式,都不对本专利构成限制。
对于处于RGB颜色空间的图像,可以根据响应曲线直接获得当前像素值各个颜色分量所对应的曝光量。对于处于其他颜色空间的图像,需经过颜色空间转换得到RGB颜色空间的三个颜色分量,再根据响应曲线获得曝光量。
步骤S203,计算当前像素的亮度。
本步骤中,像素的亮度信息获取方法有很多种,且技术已相当成熟,甚至在某些颜色空间已经直接给出了亮度值,例如YUV颜色空间中的Y分量,亮度获取的有关内容此处不再赘述。不同的亮度信息获取方法不对本专利构成限制。
步骤S204,利用相邻像素的亮度值对当前像素的亮度进行模糊。
为了准确判断当前像素是否正确曝光,需要综合考虑周围像素的曝光情况。在此,使用求平均值的方式,把以待处理像素为中心的5x5范围内所有像素的亮度求和后取平均,模糊当前像素的亮度,借此获得待处理像素在所处环境中的较准确的曝光信息。
本步骤的目的在于综合考虑像素所处环境的整体曝光情况,为了获得更多周边信息,对曝光情况进行更准确的判断,求和取均值的范围大小可以变化,求和过程中可以设置不同的权重,还可以在一定范围内反复求均值。亮度模糊的范围、权重设置和模糊的次数不对本发明构成限制。
步骤S205,利用当前像素模糊后的亮度信息,计算需要施加的曝光补偿量。
曝光补偿的目的在于让原本曝光不足显得暗淡的像素获得更大的曝光量,以模拟其充分曝光后的情形,而对于那些原本曝光充分的像素,尽量不对其产生影响。为此,本步骤中计算曝光补偿量的公式形式并不固定,只要满足小的亮度输入得到大的曝光补偿输出,而大的亮度输入得到小的曝光补偿输出即可。符合上述要求的公式和函数很多,此处不再赘述。
步骤S206,利用当前像素的曝光量和曝光补偿量,计算出当前像素的新曝光量,实现曝光补偿。
假设步骤S205得到的当前像素的曝光补偿量为,则曝光补偿的表达式如下:
Figure 473367DEST_PATH_IMAGE010
如果使用自然对数来表示曝光量,则曝光补偿的表达式为:
Figure 54521DEST_PATH_IMAGE012
其中表示曝光补偿后新的曝光量。根据曝光补偿公式可以看出,曝光补偿等同于将原曝光量整体提升为原来的倍,也可以看成是将原场景的曝光时间扩展为原来的倍。对于正常曝光的像素,其亮度值较高,值应该接近1,新的曝光量和原来的曝光量接近;对于曝光不足的像素,其亮度值较小,较大,其曝光量将得到较大提升。
因为曝光量所在空间为线性的,所以在该空间内进行曝光补偿不会引起颜色失真或者造成虚假细节。
本步骤中每个像素的R、G和B三个颜色分量需要分别计算各自新的曝光量。
步骤S207,利用拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系,通过非线性逆映射,将得到的新曝光量映射成新的像素值。
本步骤利用拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系,将步骤S206得到的新的曝光量映射成新的像素值,模拟拍摄设备对曝光量的响应。如果当前像素曝光正常,其亮度通常较大,曝光补偿后新的曝光量和原曝光量接近,逆映射之后的像素值也原值也接近,亮度变化不大;如果当前像素曝光不足,其亮度则较小,曝光补偿后新的曝光量将远大于原始曝光量,逆映射之后的像素值较原值有大的提升,在图像上表现为比原来更加明亮。
本步骤中,每个像素的R、G和B三个颜色分量需要分别求得各自新的像素值;与步骤S202使用同一条反映拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间对应关系的响应曲线。
步骤S208,输出新的像素值。
请参阅图4所示,是本发明提供的一种高动态范围图像优化装置的一个实施方式的结构示意图,该装置包括:曝光量映射单元401,曝光补偿量计算单元402,曝光补偿单元403和像素值逆映射单元404。
曝光量映射单元401用于将待处理像素的像素值通过响应曲线映射为曝光量。
所述响应曲线反映拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的非线性关系,通过计算或者实验均可获得,也可以由拍摄设备厂家提供。
曝光补偿量计算单元402用于根据待处理像素的曝光信息,计算当前待处理像素所需施加的曝光补偿量。
所述曝光信息,是将待处理像素和其相邻像素的亮度值求平均,实现以待处理像素为中心的一定范围内的亮度模糊后得到的该像素的亮度信息。
对当前待处理像素施加曝光补偿量的原则是:在亮度较小的地方,曝光补偿量较大;在亮度较大的地方,曝光补偿量较小。以此达到对曝光不足的像素施加较大增益的目的。
曝光补偿单元403用于,在曝光量空间内,将曝光补偿量施加到原曝光量上,得到新的曝光量。
如果响应曲线中的曝光量以自然对数表示,新曝光量等于曝光补偿量加上原曝光量;如果响应曲线中的曝光量以实际值表示,则新曝光量等于曝光补偿量乘上原曝光量。
像素值逆映射单元404用于将新的曝光量通过响应曲线逆映射为新的像素值。
所述响应曲线,和曝光量映射单元401所用曲线为同一曲线。
对上述本发明的一种高动态范围成像优化方法及其装置的具体实施方式的特点进行总结如下:
1.  本发明以单帧彩色图像为基础,所有处理都只使用该帧图像数据。
2.  待处理图像为对高动态范围场景中的较亮部分正常曝光,较暗部分欠曝光的图像,整个处理旨在提升其曝光不足部分的亮度。
3.  在判断单个像素是否正常曝光时,除了使用该像素本身的亮度信息,同时还提取了其相邻像素的亮度信息。通过模糊待处理像素及其相邻像素的亮度值,获得了待处理像素及其周围环境的比较准确的曝光信息,可以更准确的对该像素曝光是否充分做出判断。
4.  为提升曝光不足的像素的亮度,对其使用了曝光补偿。曝光补偿时将像素值转换成曝光量,在曝光量的线性空间内进行曝光补偿,模拟其经过更长曝光时间之后的情形。
5.  曝光补偿量的特点为,亮度较大的像素其曝光补偿量较小,亮度较小的像素其曝光补偿量较大。
6.  补偿后的曝光量再次通过响应曲线进行逆映射,得到新的像素值。
与现有技术相比较,本发明以单帧彩色图像为基础,利用单个像素周围一定范围内其他像素的信息,对该像素曝光是否充分进行准确判断,然后将图像转换进入线性空间,在线性空间内对曝光不足的像素进行曝光补偿,提升其亮度,避免了直接对像素值本身进行提升所可能引起的颜色失真,或者可能形成的虚假细节;此外,整个处理过程运算简单,复杂度低,尤其适合在例如手机,数码相机等运算处理能力有限的小型设备上实施。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种高动态范围成像优化方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一,从原始图像中获取一个待处理像素,作为当前像素;
步骤二,利用拍摄该图像所用拍摄设备输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系,将当前像素的像素值通过非线性映射换算成曝光量;
步骤三,计算当前像素的亮度;
步骤四,利用相邻像素的亮度值对当前像素的亮度进行模糊;
步骤五,利用当前像素模糊后的亮度信息,计算需要施加的曝光补偿量;
步骤六,利用当前像素的曝光量和曝光补偿量,计算出当前像素的新曝光量,实现曝光补偿;
步骤七,利用拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系,通过非线性逆映射,将得到的新曝光量映射成新的像素值;
步骤八,输出新的像素值。
2.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述的原始图像对高动态范围场景中较亮部分正常曝光,较暗部分欠曝光。
3.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述的图像像素所处的颜色空间是RGB、YUV或者HSV中的一种。
4.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述的拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系是非线性的,通过计算或者实验获得,或者由拍摄设备厂家提供。
5.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述图片获取过程中的曝光量等于场景的亮度和曝光时间的乘积,用公式表示为:
Figure 83668DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 774413DEST_PATH_IMAGE002
表示曝光量,表示场景亮度,表示曝光时间;由上式可见,场景本身的亮度越亮,相同曝光时间下的曝光量越大;在场景本身亮度不变的情况下,曝光时间越长,曝光量越大;另外,曝光量和曝光时间呈线性关系。
6.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述拍摄设备输出的像素值和场景的曝光量之间对应关系的表现形式是曝光量和像素值的对应关系,或者曝光量取对数后和像素值的对应关系。
7.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,对于处于RGB颜色空间的图像,根据拍摄设备输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系直接获得当前像素值所对应的曝光量;对于处于其他颜色空间的图像,需先转换到RGB颜色空间,再根据对应关系获得曝光量。
8.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述对当前像素的亮度进行模糊采用求平均值的方式,把以当前像素为中心的5x5范围内所有像素的亮度求和后取平均,得到模糊后的亮度信息。
9.如权利要求8所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述对当前像素的亮度进行模糊能设置求和取均值的范围大小,求和过程中能对相邻像素的亮度设置不同的权重,或者在一定范围内反复求均值。
10.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述曝光补偿量遵循以下原则:小的亮度输入得到大的曝光补偿输出,而大的亮度输入得到小的曝光补偿。
11.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述曝光补偿的表达式为:
Figure 561289DEST_PATH_IMAGE004
如果使用自然对数来表示曝光量,则曝光补偿的表达式为:
Figure 87690DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 395175DEST_PATH_IMAGE006
表示曝光补偿后新的曝光量,
Figure 472721DEST_PATH_IMAGE002
表示原曝光量,表示场景亮度,表示曝光时间,表示当前像素的曝光补偿量。
12.如权利要求1所述的高动态范围成像优化方法,其特征在于,所述像素的原曝光量、新的曝光量以及新的像素值的R、G和B三个颜色分量需要分别进行计算;R、G和B三个颜色分量使用同一条反映拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间对应关系的响应曲线;将像素值映射成曝光量与将新的曝光量逆映射成新的像素值使用相同的拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的对应关系。
13.一种高动态范围成像优化装置,其特征在于,该装置包括:曝光量映射单元,曝光补偿量计算单元,曝光补偿单元和像素值逆映射单元;
曝光量映射单元用于将待处理像素的像素值通过响应曲线映射为曝光量;
曝光补偿量计算单元用于根据待处理像素的曝光信息,计算当前待处理像素所需施加的曝光补偿量;
曝光补偿单元用于在曝光量空间内,将曝光补偿量施加到原曝光量上,得到新的曝光量;
像素值逆映射单元用于将新的曝光量通过响应曲线逆映射为新的像素值。
14.如权利要求13所述的高动态范围成像优化装置,其特征在于,所述响应曲线反映拍摄设备所输出的像素值和场景的曝光量之间的非线性关系,通过计算或者实验获得,或者由拍摄设备厂家提供。
15.如权利要求13所述的高动态范围成像优化装置,其特征在于,所述曝光信息,是将待处理像素和其相邻像素的亮度值求平均,实现以待处理像素为中心的一定范围内的亮度模糊后得到的该像素的亮度信息。
16.如权利要求13所述的高动态范围成像优化装置,其特征在于,所述对当前待处理像素施加曝光补偿量的原则是:在亮度小的地方,曝光补偿量大;在亮度大的地方,曝光补偿量小。
17.如权利要求13所述的高动态范围成像优化装置,其特征在于,如果响应曲线中的曝光量以自然对数表示,新曝光量等于曝光补偿量加上原曝光量;如果响应曲线中的曝光量以实际值表示,则新曝光量等于曝光补偿量乘上原曝光量。
18.. 如权利要求13所述的高动态范围成像优化装置,其特征在于,所述像素值逆映射单元和曝光量映射单元使用同一响应曲线进行映射换算。
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