CN107968919A - 用于逆色调映射的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将标准动态范围(SDR)序列转换成高动态范围(HDR)序列的方法。其包括：‑通过切变检测确定(S1)SDR序列中的连续镜头，‑检测(S2)SDR序列是否包括具有低于D1的持续时间的至少两个连续短镜头的子序列，所述子序列包括具有分别大于L1和SZ1的亮度和尺寸的至少一个明亮镜头，‑将检测到的子序列的明亮镜头的亮度范围从低动态范围映射(S3)到第一高动态范围，并将SDR序列的其他镜头从标准动态范围映射到第二高动态范围，以生成HDR序列，第一高动态范围具有低于第二高动态范围的最大值Lmax2的最大值Lmax1。

Description

用于逆色调映射的方法和设备
技术领域
本发明通常涉及逆色调映射领域。
背景技术
在过去的几年中，高动态范围(或HDR)显示器已经在国际电子展览期间变得越来越受欢迎。它们提供新的用户体验，因为它们相比于标准或标准动态范围(SDR)显示器(150-400尼特)，可以展示具有高明亮度(直到4000尼特)的图像和视频。HDR设备能够显示具有较多暗电平细节并且具有较高全局对比度的视频。尽管HDR视频内容有所增长，但是存在在HDR显示器上显示现有的标准视频的需要。为此目的，已经开发了逆色调映射算子(ITMO)，用于将视频从标准动态范围(SDR)转换到高动态范围(HDR)，避免扩展亮度时的条带(banding)问题。ITMO可以用作后期制作工具中的插件以帮助调色师手动分级，或者用作用于机顶盒或电视机的片上系统(Soc)内的硬件。在后一种情况下，即时实现SDR-HDR转换。
尽管HDR显示器具有上述优点，但是通常已经注意到的是，观看者可能因呈现高明亮度峰值的图片而眼花，特别是在黑暗的房间内。因此，观看者因明亮图像的一些部分而分心，从电影动作中打破沉浸，甚至在观看一系列爆炸场景时目眩。
更具体地说，呈现从黑暗到明亮序列的转变的HDR视频序列生成使观看者眼睛疲劳的一系列闪光。随着交替黑暗到明亮场景的频率更高，这种不适高得多。这在动作电影中经常是这样。这种效果在SDR版本中不明显，因为在颜色分级操作期间手动调整序列的每个视频镜头的明亮度，以便确保观看者的最大视觉舒适度。但是在现有的SDR到HDR转换(或逆色调映射)处理中没有考虑这个问题。
发明内容
本发明提出了一种在SDR-HDR转换(逆色调映射)期间管理具有高明亮度峰值的区域的新方式。
根据本发明，提出了当存在短持续时间的明亮和非明亮镜头的交替时，限制HDR序列的明亮镜头的最大亮度值。
更具体地说，本发明涉及一种将具有标准动态范围的、称为SDR序列的视频序列转换成具有高动态范围的、称为HDR序列的视频序列的方法，包括以下步骤：
-通过切变检测确定SDR序列中的连续视频镜头，视频镜头是两个连续切变之间的SDR序列的一部分，每个视频镜头具有持续时间，
-检测SDR序列是否包括称为短视频镜头的、具有等于或低于第一持续时间阈值的持续时间的至少两个连续视频镜头的子序列，所述子序列还包括称为明亮视频镜头的、包括至少一个关键帧的至少一个视频镜头，所述至少一个关键帧包括具有大于亮度阈值的亮度值和大于尺寸阈值的尺寸的明亮区域，
-将检测到的子序列的明亮视频镜头的亮度范围从标准动态范围映射到第一高动态范围，并将SDR序列的其他镜头从标准动态范围映射到第二高动态范围，以生成HDR序列，第一高动态范围具有低于第二高动态范围的最大值的最大值。
因此，以降低的高动态范围对检测到的子序列的明亮视频镜头进行映射。
在特定实施例中，将检测到的子序列的明亮视频镜头和随后的明亮视频镜头的亮度范围从标准动态范围映射到第一高动态范围，直到检测到具有大于第二持续时间阈值的持续时间的非明亮视频镜头，所述第二持续时间阈值大于第一持续时间阈值。在该实施例中，当检测到短视频镜头的子序列时，降低明亮视频镜头的高动态范围，并且当检测到具有大于第二持续时间阈值的持续时间的非明亮视频镜头时，返回到正常范围。
在特定实施例中，第一持续时间阈值近似等于2秒和/或第二持续时间阈值近似等于3秒。
在特定实施例中，该方法还包括用于检测环境亮度的步骤。在该实施例中，仅在检测到的环境亮度低于亮度阈值的情况下，将检测到的子序列的明亮视频镜头以及适当情况下的随后的明亮视频镜头的亮度范围从低动态范围映射到第一高动态范围。
本发明还涉及一种用于实现上述方法的设备。更具体地说，本发明涉及一种用于将具有标准动态范围的、称为SDR序列的视频序列转换成具有高动态范围的、称为HDR序列的视频序列的设备，包括：
-电路，用于通过切变检测确定SDR序列中的连续视频镜头，视频镜头是两个连续切变之间的SDR序列的一部分，每个视频镜头具有持续时间，
-第一检测器，用于检测SDR序列是否包括称为短视频镜头的、具有等于或低于第一持续时间阈值的持续时间的至少两个连续视频镜头的子序列，所述子序列还包括称为明亮视频镜头的、包括至少一个关键帧的至少一个视频镜头，所述至少一个关键帧包括具有大于亮度阈值的亮度值和大于尺寸阈值的尺寸的明亮区域，以及
-映射器，用于将检测到的子序列的明亮视频镜头的亮度范围从标准动态范围映射到第一高动态范围，并将SDR序列的其他镜头从标准动态范围映射到第二高动态范围，以生成HDR序列，第一高动态范围具有低于第二高动态范围的最大值的最大值。
在特定实施例中，第一检测器和映射器被布置成使得将检测到的子序列的明亮视频镜头和随后的明亮视频镜头的亮度范围从标准动态范围映射到第一高动态范围，直到检测到具有大于第二持续时间阈值的持续时间的非明亮视频镜头，所述第二持续时间阈值大于第一持续时间阈值。因此，当检测到短视频镜头的子序列时，降低明亮视频镜头的高动态范围，并且当检测到具有大于第二持续时间阈值的持续时间的非明亮视频镜头时，返回到正常范围。
在特定实施例中，第一持续时间阈值近似等于2秒和/或第二持续时间阈值近似等于3秒。
在特定实施例中，该设备还包括用于检测环境亮度的第二检测器。在该实施例中，第二检测器耦合到第一检测器，使得仅在检测到的环境亮度低于亮度阈值的情况下，将检测到的子序列的明亮视频镜头以及适当情况下的随后的明亮视频镜头的亮度范围从低动态范围映射到第一高动态范围。
本发明还涉及一种并入用于转换视频序列的上述设备的电子设备。优选地，该电子设备是相机、电视机、监视器、头戴式显示器、机顶盒、网关、智能电话或平板。
本发明还涉及一种非临时性存储介质，其承载程序代码的指令，该指令用于当所述程序在计算设备上执行时，执行用于转换视频序列的上述方法的步骤。
附图说明
参考作为示例给出并且不限制保护范围的以下描述和附图可以更好地理解本发明，并且附图中：
-图1是用于说明逆色调映射的示意图；
-图2是根据本发明的实施例的方法的连续步骤的流程图；
-图3是实现根据本发明的方法的设备的示意图；
-图4是由图3的设备的块生成的信号的图；
-图5是图4的设备的块110的示意图；以及
-图6是图4的设备的块112的示意图。
具体实施方式
虽然示例实施例能有各种修改和替选形式，但是其实施例在附图中通过示例的方式示出，并且将在此详细描述。然而，应当理解的是，并不意图将示例实施例限制为所公开的特定形式，而是相反，示例实施例将覆盖落入权利要求的范围内的所有修改、等同物和替选。贯穿对附图的描述，相同的标号指代相同的元素。
在更详细地讨论示例实施例之前，应注意的是，一些示例实施例被描述为处理或方法，该处理或方法被描绘为流程图。虽然流程图将操作描述为顺次的处理，但是许多操作可以并行、并发或同时地执行。此外，可以重新布置操作的顺序。处理可以当它们的操作完成时被终止，但是也可以具有图中未包括的附加步骤。处理可以对应于方法、功能、过程、子例程、子程序等。
下面讨论的方法(其中的一些通过流程图说明)可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器或计算机可读介质(诸如存储介质)中。(多个)处理器可以执行必要任务。在此公开的具体结构和功能细节仅仅是为了描述本发明的示例实施例的代表。然而，本发明可以以许多替选形式实施，并且不应被解释为仅限于在此阐述的实施例。
图1描绘了在机顶盒中将逆色调映射操作实现为用于电视机的广播的标准视频的自动SDR-HDR转换的一般工作流程。逆色调映射表示从低动态范围到高动态范围的映射。在低动态范围中，亮度值用8位(256级)进行经典编码，而在高动态范围中，亮度值用10位(1024级)或者更多进行编码。
图2是根据本发明的逆色调映射方法的流程图。逆色调映射方法的功能是将称为SDR序列的标准动态范围序列转换为称为HDR序列的高动态范围序列。
在第一步骤S1中，将切变检测应用于要转换的SDR序列。从而在LDR序列中确定连续视频镜头。视频镜头表示两个连续切变之间的SDR序列的一部分。
切变检测是视频处理中众所周知的方法。这样的方法例如在“Survey on a NewApproach for Video Cut Detection Using Fuzzy Logic Control”，Saranya K.，KethsyPrabavathy A.，国际工程研究与技术杂志(IJERT)，ISSN：2278-0181，第2卷第12期，2013年12月，或者“Temporal video segmentation:A survey”Irena Koprinskaa，SergioCarrato，信号处理：图像通信，16(2001)，477-500中描述。
第二步骤S2包括检测SDR序列是否包括至少两个连续短视频镜头的子序列，其中的至少一个是明亮视频镜头。短视频镜头表示具有等于或低于短持续时间阈值d1的持续时间的镜头。该短持续时间阈值d1例如等于2秒。明亮视频镜头表示包括至少一个关键帧的视频镜头，该至少一个关键帧包括具有大于亮度阈值L1的亮度值和大于尺寸阈值SZ1的尺寸(即表面)的明亮区域。亮度阈值L1例如等于SDR亮度范围的最大值的2/3，并且尺寸阈值SZ1例如等于图像的总尺寸的1/16。然而，这些阈值L1和SZ1可以适应于检测明亮区域的方法。检测明亮区域的方法是在图像的每个矩形(例如，具有图像宽度的1/4的水平尺寸和图像高度的1/4的垂直尺寸)中计数具有高于L1的亮度的像素的数量(这可以使用整体图像来有效计算，https://en.wikipedia.org/wiki/Summed_area_table)。一旦具有高于L1的亮度的像素的数量大于SZ1，就认为矩形包括明亮区域。优选地，使用例如高斯滤波器首先对SDR图像的亮度进行滤波。替选地，可以使用对SDR图像的亮度施加的大的高斯滤波器(例如，具有等于图像宽度的1/4的水平标准偏差和等于图像高度的1/4的垂直标准偏差的高斯滤波器)或者盒式线性滤波器(例如，具有图像宽度的1/4的水平窗口尺寸和图像高度的1/4的垂直窗口尺寸)来确定明亮区域。由于只有具有大量具有高亮度值的像素的大区域将在这样的滤波器的输出处生成高值，所以在该滤波器的输出处，高于亮度阈值L1的任何值将被认为是指示明亮区域。
然后，在步骤S3中，将自适应逆色调映射应用于SDR序列。根据本发明，将检测到的子序列的明亮视频镜头的亮度范围从低动态范围映射到第一高动态范围，而将SDR序列的其他镜头从标准动态范围映射到第二高动态范围，第一高动态范围具有低于第二高动态范围的最大值Lmax2的最大值Lmax1。
例如，如果HDR序列的图像要以10位进行编码，则第二高动态范围的亮度值将在从0到1024的范围，而第一高动态范围的亮度值将仅在从0到X的范围，其中X<1024。X例如等于820。
因此，具有短持续时间的明亮视频镜头的明亮度在HDR序列中降低。从而降低观看者感觉到的不适。
在变型中，降低短持续时间的明亮视频镜头和一些其他的随后的明亮视频镜头的明亮度，直到检测到具有长持续时间的非明亮视频镜头。长持续时间表示大于持续时间阈值d2的持续时间，其中d2>d1。非明亮视频镜头表示除了明亮视频镜头之外的视频镜头。
在该变型中，明亮视频镜头的动态范围保持降低，直到检测到具有大于D2的持续时间的非明亮视频镜头，使得在明亮视频镜头的子序列期间不执行从降低的高动态范围到正常(非降低的)高动态范围的转变，并且从而不太被观看者可感知。
在优选实施例中，将根据本发明的自适应逆色调映射耦合到环境亮度的检测。在由环境光传感器配备的机顶盒中即时实现逆色调映射。仅当环境亮度低于亮度阈值L2时将降低的高动态范围应用于明亮视频镜头。亮度阈值L2例如等于50cd/m2。
图3是实现上述方法的设备的示意图。
该设备包括：
-电路10，用于检测SDR序列中的切变；
-检测器11，用于检测SDR序列是否包括至少两个连续短视频镜头的子序列，其中的至少一个是明亮视频镜头，以及
-映射器12，用于根据检测器11的结果将逆色调映射应用于SDR。
块10接收SDR序列，并且每当检测到切变时传送包括脉冲的信号F1。
检测器11包括：
-块110，用于检测高频率的切变；
-块111，用于检测SDR序列中的明亮视频镜头；以及
-块112，用于基于块110和111的结果来确定是否应当将具有降低的高动态范围的映射应用于SDR序列的明亮视频镜头，以及
块110基于信号F1来检测SDR序列是否包括短视频镜头(具有等于或低于d1的持续时间)的子序列，并且当检测到这样的子序列时，传送具有高电平的信号F2。
块111检测视频镜头是明亮视频镜头还是非明亮视频镜头。如上所述，明亮视频镜头是包括至少一个关键帧的视频镜头，该至少一个关键帧包括具有大于L1的亮度值和大于SZ1的尺寸的明亮区域。关键帧例如是视频镜头的第一帧。当检测到明亮视频镜头时，块111传送具有高电平的信号F3。
块112基于信号F2和F3生成控制信号F4。当检测到短视频镜头的子序列和明亮视频镜头时，信号F4具有高电平。
当信号F4包括高电平时，映射器12将SDR序列的亮度值映射成降低的高动态范围。
在优选实施例中，该设备包括用于检测环境亮度的检测器13，并且块112仅当环境亮度低于亮度阈值L2时将降低的高动态范围应用于明亮视频镜头。
在下文中将针对特定实施例更详细地描述本发明，其中明亮视频镜头的动态范围保持降低，直到检测到大于d2的持续时间的非明亮视频镜头。图4给出了由图3的设备交换的信号F1至F4的示例，并且图5-图6是块110和112的示例的示意图。
块10输出的信号F1包括每个检测到的切变的脉冲。然后块110处理信号F1以产生两个中间信号F1'和F1″以及信号F2。每当检测到短镜头(持续时间≤d1)时信号F1'包括脉冲，并且每当检测到长镜头(持续时间>d2)时信号F1″包括脉冲。信号F1'和F1″由块110的两个子块生成(参见图5)。在图4中，d1等于2s，并且d2等于3s。然后处理信号F1'和F1″以生成信号F2。当检测到至少两个连续短镜头时，信号F2从低电平变为高电平，并且当检测到长镜头时，信号F2从高电平变为低电平。
然后由块112处理块110输出的信号F2和块111输出的信号F3以传送信号F4。块112例如是D触发器，如图6所示。该触发器在其D输入端上接收信号F3，并且在其使能输入端(EN)上接收信号F2。触发器在信号F1的每个下降沿复位。
所得到的信号F4用于控制映射器12。当信号F4具有高电平时，将明亮镜头映射成降低的高动态范围内，并且当信号F4具有低电平时，将明亮镜头映射成正常(非降低的)高动态范围。将所有非明亮视频镜头映射成正常高动态范围。
该映射能够防止眼睛疲劳。
虽然本发明的一些实施例已经在附图中示出并且在前面的详细描述中描述，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是能够在不脱离由所附权利要求阐述和限定的本发明的情况下有许多重新布置、修改和替换。

Claims (13)

1.一种用于将具有标准动态范围的、称为SDR序列的视频序列转换成具有高动态范围的、称为HDR序列的视频序列的方法，包括以下步骤：
-通过切变检测确定(S1)SDR序列中的连续视频镜头，视频镜头是两个连续切变之间的SDR序列的一部分，每个视频镜头具有持续时间，
-检测(S2)SDR序列是否包括称为短视频镜头的、具有等于或低于第一持续时间阈值(d1)的持续时间的至少两个连续视频镜头的子序列，所述子序列还包括称为明亮视频镜头的、包括至少一个关键帧的至少一个视频镜头，所述至少一个关键帧包括具有大于亮度阈值(L1)的亮度值和大于尺寸阈值(SZ1)的尺寸的明亮区域，
-将检测到的子序列的明亮视频镜头的亮度范围从标准动态范围映射(S3)到第一高动态范围，并将SDR序列的其他镜头从低动态范围映射到第二高动态范围，以生成HDR序列，第一高动态范围具有低于第二高动态范围的最大值(Lmax2)的最大值(Lmax1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将检测到的子序列的明亮视频镜头和随后的明亮视频镜头的亮度范围从低动态范围映射到第一高动态范围，直到检测到具有大于第二持续时间阈值(d2)的持续时间的非明亮视频镜头，所述第二持续时间阈值(d2)大于第一持续时间阈值(d1)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中第一持续时间阈值(d1)近似等于2秒。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中第二持续时间阈值(d2)近似等于3秒。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中还包括用于检测环境亮度的步骤，并且其中仅在检测到的环境亮度低于亮度阈值(L2)的情况下，将检测到的子序列的明亮视频镜头以及适当情况下的随后的明亮视频镜头的亮度范围从低动态范围映射到第一高动态范围。
6.一种用于将具有标准动态范围的、称为SDR序列的视频序列转换成具有高动态范围的、称为HDR序列的视频序列的设备，包括：
-电路(10)，用于通过切变检测确定SDR序列中的连续视频镜头，视频镜头是两个连续切变之间的SDR序列的一部分，每个视频镜头具有持续时间，
-第一检测器(11)，用于检测SDR序列是否包括称为短视频镜头的、具有等于或小于第一持续时间阈值(d1)的持续时间的至少两个连续视频镜头的子序列，所述子序列还包括称为明亮视频镜头的、包括至少一个关键帧的至少一个视频镜头，所述至少一个关键帧包括具有大于亮度阈值(L1)的亮度值和大于尺寸阈值(SZ1)的尺寸的明亮区域，以及
-映射器(12)，用于将检测到的子序列的明亮视频镜头的亮度范围从标准动态范围映射到第一高动态范围，并将SDR序列的其他镜头从标准动态范围映射到第二高动态范围，以生成HDR序列，第一高动态范围具有低于第二高动态范围的最大值(Lmax2)的最大值(Lmax1)。
7.根据权利要求6所述的设备，其中第一检测器(11)和映射器(12)被布置成使得将检测到的子序列的明亮视频镜头和随后的明亮视频镜头的亮度范围从标准动态范围映射到第一高动态范围，直到检测到具有大于第二持续时间阈值(d2)的持续时间的非明亮视频镜头，所述第二持续时间阈值(d2)大于第一持续时间阈值(d1)。
8.根据权利要求7所述的设备，其中第一持续时间阈值(d1)近似等于2秒。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其中第二持续时间阈值(d2)近似等于3秒。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中还包括用于检测环境亮度的第二检测器(13)，所述第二检测器耦合到第一检测器，使得仅在检测到的环境亮度低于亮度阈值(L2)的情况下，将检测到的子序列的明亮视频镜头以及适当情况下的随后的明亮视频镜头的亮度范围从低动态范围映射到第一高动态范围。
11.一种电子设备，其并入根据权利要求6至10中任一项所述的用于转换视频序列的设备。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其选自由以下组成的组：相机、电视机、监视器、头戴式显示器、机顶盒、网关、智能电话和平板。
13.一种非临时性存储介质，其承载程序代码的指令，该指令用于当所述程序在计算设备上执行时，执行根据权利要求1至5之一所述的用于转换视频序列的方法的步骤。
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