CN109118436B - 图像色调适配方法及相应的电子设备和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种图像色调适配方法及相应的电子设备和存储介质。所述方法包括：获得低动态范围扩展指数ELDR(p)；获得作为高动态范围扩展指数EHDR(p)和低动态范围扩展指数ELDR(p)的加权和的目标扩展指数ET(p)；将所获得的目标扩展指数ET(p)应用于图像的低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR，得到目标亮度值YT；基于所述目标亮度值YT，构建所述图像的色调适配版本。

Description

图像色调适配方法及相应的电子设备和存储介质
技术领域
本发明涉及图像的动态范围变换，并且更具体地但非排他性地涉及用于至少根据低动态范围图像生成高动态范围图像的图像处理。
背景技术
根据WO2015/096955显著知道的是：将图像的低动态范围(LDR)版本的颜色的亮度值YLDR转换成扩展亮度值YHDR，以便生成该图像的对应的高动态范围(HDR)版本的颜色，这是通过如下方式来实现的：采用带有指数的指数函数，对这些低动态范围亮度值YLDR(或者低通滤波的亮度值YLDR-LPF)进行指数型缩放。对于LDR图像的每个像素p，可以计算出指数EHDR(p)的值，例如如WO2015/096955、WO2017/032822和WO2017/036908中所公开的那样。图像的每个像素的这种指数EHDR(p)的值形成扩展指数映射。
于是，这样的指数型逆色调映射(iTM)可以通过下面的等式概括：
-其中，Y′LDR(p)可以等于图像的像素p的颜色的低动态范围亮度值，即YLDR(p)，或者例如如在WO2017/190850中公开的那样例如等于同一颜色的低通滤波的亮度值；
-其中，Ys(p)是缩放函数，该缩放函数例如适于增强可能已经通过亮度扩展进行平滑的细节(如在WO2015/096955中公开的那样)，和/或用于对图像的扩展版本进行去噪。
通常提供图像的LDR版本，使得其颜色的亮度值的范围都低于或等于低峰值亮度级LLDR，所述低峰值亮度级LLDR与LDR显示装置能够显示的最大亮度相对应。如果使用BLDR比特对这样的LDR版本进行编码，则低峰值亮度级LLDR对应于编码值2B LDR-1。如果BLDR＝10并且如果LLDR＝100尼特(nit)，则编码值1023对应于100尼特。
例如，如上所述产生的图像的HDR版本使得其颜色的亮度值的范围都低于或等于高峰值亮度级LHDR，所述高峰值亮度级LHDR与给定HDR显示装置能够显示的最大亮度相对应。这就意味着，图像的给定HDR版本特别适于由具有等于LHDR的峰值亮度级的显示装置来进行显示。如果使用BHDR比特对这样的HDR版本进行编码，则高峰值亮度级LHDR对应于编码值2B HDR-1。如果BHDR＝12并且如果LHDR＝1000尼特，则编码值4095对应于1000尼特。
当图像必须由具有的目标峰值亮度LT不同于低峰值亮度级LLDR且不同于高峰值亮度级LHDR的目标显示装置来显示时，只要LLDR＜LT＜LHDR或者LT＞LHDR，就会出现问题。这个问题也就是将图像色调适配为目标峰值亮度LT，其中该目标峰值亮度LT与已经产生或可以产生的HDR图像的高峰值亮度级LHDR不相同。
文献WO2013/046095公开了解决这种问题的几种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，尤其是在指数型逆色调映射的背景下的上述问题。
为此目的，本发明的一个主题是一种图像处理方法，用于将图像色调适配为目标显示装置的目标峰值亮度LT，所述适配根据适于在具有低峰值亮度LLDR的显示装置上显示的该图像的低动态范围版本并且根据高动态范围扩展指数EHDR(p)，所述高动态范围扩展指数EHDR(p)待应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值以得到适于在具有高峰值亮度LHDR的显示装置上显示的所述图像的高动态范围版本的扩展亮度值YHDR，所述方法包括：
-获得(优选地通过计算来获得)低动态范围扩展指数ELDR(p)，从而使得当应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值时，低动态范围亮度值YLDR在高动态范围[0，LHDR]内线性缩放；
-获得(优选地通过计算来获得)作为高动态范围扩展指数EHDR(p)和所获得的低动态范围扩展指数ELDR(p)的加权和的目标扩展指数ET(p)，其中高动态范围扩展指数EHDR(p)的权重0≤αin≤1，该权重与目标显示装置的目标峰值亮度LT和低峰值亮度LLDR之间的差值成比例，此差值通过高峰值亮度LHDR与低峰值亮度LLDR之间的差值进行缩放；
-将所获得的目标扩展指数ET(p)应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值，得到目标亮度值YT；
-基于所述目标亮度值YT，构建所述图像的色调适配版本。
优选地，高动态范围扩展指数EHDR(p)、所获得的低动态范围扩展指数ELDR(p)以及所获得的目标扩展指数ET(p)形成第一映射、第二映射和第三映射。
优选地，低动态范围扩展指数ELDR(p)的权重等于1-αin。
本发明的一个主题还是一种图像处理装置，用于将图像色调适配为目标显示装置的目标峰值亮度LT，所述适配根据适于在具有低峰值亮度LLDR的显示装置上显示的该图像的低动态范围版本并且根据高动态范围扩展指数EHDR(p)，所述高动态范围扩展指数EHDR(p)待应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值以得到适于在具有高峰值亮度LHDR的显示装置上显示的所述图像的高动态范围版本的扩展亮度值YHDR，所述装置包括至少一个处理器，该至少一个处理器配置为实施上述方法。
本发明的一个主题还是一种包含该图像处理装置的电子装置，例如照相机、电视机、监视器、头戴式显示器、机顶盒、网关、智能手机和平板电脑。
本发明的一个主题还是一种承载程序代码的指令的非暂时性存储介质，所述指令用于当在计算装置上执行所述程序时执行上述方法的各步骤。
本发明的一个主题还是一种图像处理方法，用于将图像色调适配为目标显示装置的目标峰值亮度LT，所述适配根据适于在具有低峰值亮度LLDR的显示装置上显示的该图像的低动态范围版本，并且根据适于在具有高峰值亮度LHDR的显示装置上显示的该图像的高动态范围版本，所述方法包括：
-对于所述图像的每个像素p，基于该像素的经缩放的低动态范围亮度Y′SC-LDR(p)和同一像素在所述图像的高动态范围版本中的高动态范围亮度YHDR(p)的加权和，计算目标亮度Y’T(p)，其中高动态范围扩展指数EHDR(p)的权重0≤αin≤1，该权重与目标显示装置的目标峰值亮度LT与低峰值亮度LLDR之间的差值成比例，此差值通过高峰值亮度LHDR与低峰值亮度LLDR之间的差值进行缩放，其中所述经缩放的低动态范围亮度Y′SC-LDR(p)是通过对同一像素在低动态范围[0，LLDR]内的低动态范围亮度值YLDR(p)进行线性缩放而获得的；
-基于所述目标亮度值YT，构建所述图像的色调适配版本。
本发明的一个主题还是一种配置为实施该方法的图像处理装置以及包含该图像处理装置的电子装置。
附图说明
通过阅读以下以非限制性示例的方式并参考附图给出的描述，将会更清楚地理解本发明。
-图1示出了根据图像的色调适配的第一实施例，针对目标峰值亮度LT的不同值，将该图像的像素p的LDR亮度值YLDR(p)色调扩展为目标亮度值YT(p)。
具体实施方式
图中所示的各种元件的功能可以通过使用专用硬件以及能够与适当软件相结合地执行软件的硬件来提供。
应该理解，本发明可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合来实施。术语“处理器”不应被解释为专指能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)以及非易失性存储装置。本发明可以尤其实施为硬件和软件的组合。此外，软件可以实施为有形地体现在程序存储单元上的应用程序。这样的软件可以采取插件的形式集成到其他软件中。应用程序可以被上传到包括任何适当架构的图像处理装置并由其执行。
优选地，图像处理装置在计算机平台上实施，所述计算机平台具有诸如一个或多个中央处理单元(“CPU”)或处理器、随机存取存储器(“RAM”)和输入/输出(“I/O”)接口等硬件。计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。本文描述的各种过程和功能可以是微指令代码的一部分或应用程序的一部分或其任何组合，其可以由CPU执行。计算机平台连接到具有目标峰值亮度LT的目标显示装置。另外，各种其他外设单元可以连接到计算机平台，所述外设单元如配置为接收图像的图像接收装置、配置为存储图像数据的附加数据存储单元、遥控单元等。此图像处理装置可以是能够接收和/或存储图像的电子装置的一部分，所述电子装置如照相机、电视机、机顶盒、监视器、网关、智能电话、平板电脑、头戴式显示器。
这种用于对图像进行色调适配的图像处理装置的所有部件都以本身已知的方式进行配置，以便实施在下文中所述的方法的第一实施例或第二实施例的不同步骤。
第一实施例：
在该第一实施例中，假设图像处理装置接收和/或存储以下数据：
-适于由具有低峰值亮度LLDR的LDR显示装置显示的图像的LDR版本，其为图像的每个像素提供LDR亮度值YLDR(p)；这样的LDR版本通常在BLDR比特(例如：8比特，对应于256个不同的值)上进行二进制编码；
-HDR扩展指数EHDR(p)的映射，该HDR扩展指数EHDR(p)用于扩展LDR版本的亮度值，以便生成将要由具有高峰值亮度LHDR的HDR显示装置显示的HDR版本；这种HDR版本通常将在更宽的范围[0，NHDR](例如：10比特，对应于1024个不同的值)内进行二进制编码；
-连接到该图像处理装置(或将要连接到该图像处理装置)的目标显示装置的目标峰值亮度LT。
为了将同一图像的LDR版本与HDR版本进行比较，在本实施例的第一步骤中，在高动态范围[0，LHDR]内线性缩放LDR版本的亮度值，以得到经缩放的LDR亮度值YSC-LDR(p)。此缩放步骤的目标在于：在HDR版本的亮度值范围内缩放LDR版本的亮度值。例如，将根据如下等式对在区间[0，NLDR](例如对应于256个不同的值)内的这些LDR亮度值YSC-LDR(p)进行缩放：
比值是缩放比。
NLDR可以与对LDR版本的亮度值进行编码的比特数BLDR有关，于是，NLDR＝2B LDR-1。NLDR可以与比特数BLDR无关。
图1的直虚线表示YSC，LDR(p)随着YLDR(p)的变化。
仍然在该第一步骤中，计算出LDR扩展指数ELDR(p)，以便接近经缩放的LDR亮度值YSC，LDR(p)，从而使得：
于是，获得的这些LDR扩展指数值ELDR(p)形成映射。
因此，具有如下等式：
或者：
由此使得LDR扩展指数ELDR(p)的映射计算如下：
由于在等式(5a)中除以了log(Y(i))，因此，需要注意避免除以零。这样，改为将ELDR定义如下：
总之，在该第一步骤中，计算低动态范围扩展指数ELDR(p)的映射，使得当应用于图像的低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR(或低通滤波的亮度值)时，低动态范围亮度值YLDR按因子进行缩放。
在第二步骤中，对于图像的每个像素p，计算作为HDR扩展指数EHDR(p)和LDR扩展指数ELDR(p)的加权和的目标扩展指数值ET(p)：
ET(p)＝αinEHDR(p)+(1-αin)ELDR(p) (6)
其中HDR扩展指数EHDR(p)的权重0≤αin≤1，该权重与目标显示装置的目标峰值亮度LT与低峰值亮度LLDR之间的差值成比例，此差值按照高峰值亮度LHDR和低峰值亮度LLDR之间的差值进行缩放。该权重αin优选地计算如下：
于是，获得插值后的扩展指数映射ET(p)。
在第三步骤中，将LDR图像的亮度值扩展成目标亮度值YT，以便生成对应目标范围图像的颜色，这是通过如下方式来实现的：基于目标扩展指数映射ET(p)，采用带有指数的指数函数，对这些低动态范围亮度值YLDR(或者低通滤波的亮度值YLDR-LPF)进行指数型缩放。于是，这样的逆色调映射(iTM)可以通过下面的等式概括：
或者
使用等式6：
-其中，Y′LDR(p)可以等于像素p的颜色的低动态范围亮度值，即YLDR(p)，或者例如等于同一颜色的低通滤波的亮度值；
-其中，Ys(p)是缩放函数，该缩放函数例如适于增强可能已经通过亮度扩展进行平滑的细节(如在WO2015/096955中公开的那样)，和/或用于对扩展后的图像进行去噪。
需要注意的是，当Y′LDR(p)＝YLDR(p)时，上面等式8b结合等式3还可以写为：
其由
在该等式8c中，目标扩展亮度YT(p)基于HDR扩展增益与LDR扩展增益的线性组合，该线性组合乘以常数因了
图1示出了当LLDR＝100cd/m2和LHDR＝1000cd/m2时，针对目标峰值亮度的不同值LT＝100、250、500、750和1000cd/m2，目标亮度值YT(p)随着低动态范围亮度值YLDR(p)＝Y’LDR(p)的变化。
在第四步骤中，基于目标亮度值YT，以本身已知的方式构建图像的色调适配版本。例如，每个像素的扩展亮度值YT与其色度通道相组合，例如如WO2015/096955中所述那样。于是获得了目标范围图像，该目标范围图像可以从图像处理装置发送给目标显示器，以进行显示。有利的是，所获得的图像的色调适配的目标版本被特别地色调适配于目标显示器的峰值亮度值LT。
该第一实施例是优选的，这是因为可以使用以LDR图像的亮度值作为输入的查找表来对扩展进行编码(例如，在区间[0-255]中通过8比特或在区间[0-1023]中通过10比特进行编码)，并给出扩展后的亮度。由于这是相对少量的数据，因此，无论待插值的图像中的内容是什么，这样的插值都比对图像的每个像素进行插值更加高效。另外，与以下第二实施例的第二变型相比，该实施例避免了iTM的双重应用。
第二实施例：
在该第二实施例中，也假设图像处理装置接收和/或存储以下数据：
-如上述第一实施例中那样，适于由具有低峰值亮度LLDR的LDR显示装置显示的图像的LDR版本，其为图像的每个像素提供LDR亮度值YLDR(p)；
-适于由具有高峰值亮度LHDR的HDR显示装置显示的图像的HDR版本，其为图像的每个像素提供HDR亮度值YHDR(p)；
-如上述第一实施例中那样，连接到该图像处理装置(或将要连接到该图像处理装置)的目标显示装置的目标峰值亮度LT。
在该第二实施例中，对于图像的每个像素p，将处理如下。
在第一步骤中，为了将同一图像的LDR版本与HDR版本进行比较，LDR版本的亮度值在低动态范围[0，LLDR]内进行线性缩放，以得到经缩放的LDR亮度值Y′SC-LDR(p)。如在第一实施例中那样，独立于或不根据对LDR版本的亮度值进行编码的比特数BLDR，根据如下等式对在区间[0，NLDR](例如对应于256个不同的值)内的LDR亮度值Y′SC-LDR(p)进行缩放：
在第二步骤中，计算作为在第一步骤中计算出的缩放LDR亮度值Y′SC，LDR(p)和该像素的HDR亮度值YHDR的加权和的该像素Y’T(p)的目标亮度值，从而使得：
Y＇T(p)＝αinYHDR(p)+(1-αin)Y′SC-LDR(p) (10)
其中HDR亮度值YHDR(p)的权重0≤αin≤1，该权重与目标显示装置的目标峰值亮度LT和低峰值亮度LLDR之间的差值成比例，此差值按照高峰值亮度LHDR与低峰值亮度LLDR之间的差值进行缩放。于是，该权重αin优选地计算如下：
在第三步骤中，例如如WO2015/096955中所述，目标亮度值Y′T(p)与其色度通道相组合。
于是获得了图像的目标版本，该目标版本可以从图像处理装置发送给目标显示器，以进行显示。有利的是，所获得的图像的目标版本特别地色调适配于目标显示器的峰值亮度值LT。
在使用查找表来实施亮度扩展的情况下，该第二实施例在计算方面的效率比第一实施例要低，这是因为它需要对最终图像的每个像素进行插值。但是，在输出处需要绝对亮度的应用中，它可能就是优选的。鉴于上述公式(例如，如果Lt＝500cd/m2)，Yexp，t的值的范围将是0到500。
作为该第二实施例的第一变型，在第一步骤中，缩放比是如第一实施例中那样。于是，所获得的经缩放的LDR亮度值分布在HDR区间[0，LHDR]内，这是因为LDR版本的编码亮度值分布在区间[0，NHDR]中。因此，具有：
作为该第二实施例的第二变型(其可以与第一变型相组合)，可以根据HDR扩展指数EHDR(p)的映射来计算HDR亮度值YHDR(p)，如在第一实施例的第二步骤中那样。
应理解的是，本发明可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合来实施。
尽管一些具体实施例可能是单独描述和要求保护的，但应该理解，在此描述和要求保护的实施例的各种特征可以组合地进行使用。

Claims (5)

1.一种图像处理方法，用于将图像色调适配为目标显示装置的目标峰值亮度LT，所述适配根据适于在具有低峰值亮度LLDR的显示装置上显示的该图像的低动态范围版本并且根据高动态范围扩展指数EHDR(p)，所述高动态范围扩展指数EHDR(p)用于应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值以得到适于在具有高峰值亮度LHDR的显示装置上显示的所述图像的高动态范围版本的扩展亮度值YHDR，所述方法包括：
-获得低动态范围扩展指数ELDR(p)，从而使得当应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值时，低动态范围亮度值YLDR在高动态范围[0，LHDR]内线性缩放，
-获得作为所述高动态范围扩展指数EHDR(p)和所获得的低动态范围扩展指数ELDR(p)的加权和的目标扩展指数ET(p)，其中所述高动态范围扩展指数EHDR(p)的权重0≤αin≤1并且所述低动态范围扩展指数ELDR(p)的权重等于(1-αin)，其中所述高动态范围扩展指数EHDR(p)的所述权重αin与所述目标显示装置的所述目标峰值亮度LT和所述低峰值亮度LLDR之间的差值成比例，所述差值通过所述高峰值亮度LHDR与所述低峰值亮度LLDR之间的差值进行缩放，
-将所获得的目标扩展指数ET(p)应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值，得到目标亮度值YT，
-基于所述目标亮度值YT，构建所述图像的色调适配的版本。
2.一种图像处理装置，用于将图像色调适配为目标显示装置的目标峰值亮度LT，所述适配根据适于在具有低峰值亮度LLDR的显示装置上显示的该图像的低动态范围版本并且根据高动态范围扩展指数EHDR(p)，所述高动态范围扩展指数EHDR(p)用于应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值以得到适于在具有高峰值亮度LHDR的显示装置上显示的所述图像的高动态范围版本的扩展亮度值YHDR，所述装置包括至少一个处理器，所述至少一个处理器配置为：
-获得低动态范围扩展指数ELDR(p)，从而使得当应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值时，低动态范围亮度值YLDR在高动态范围[0，LHDR]内线性缩放，
-获得作为所述高动态范围扩展指数EHDR(p)和所述所获得的低动态范围扩展指数ELDR(p)的加权和的目标扩展指数ET(p)，其中所述高动态范围扩展指数EHDR(p)的权重0≤αin≤1并且所述低动态范围扩展指数ELDR(p)的权重等于(1-αin)，其中所述高动态范围扩展指数EHDR(p)的所述权重αin与所述目标显示装置的所述目标峰值亮度LT和所述低峰值亮度LLDR之间的差值成比例，所述差值通过所述高峰值亮度LHDR与所述低峰值亮度LLDR之间的差值进行缩放，
-将所获得的目标扩展指数ET(p)应用于所述图像的所述低动态范围版本的低动态范围亮度值YLDR或低通滤波的亮度值，得到目标亮度值YT，
-基于所述目标亮度值YT，构建所述图像的色调适配的版本。
3.一种电子装置，包含根据权利要求2所述的图像处理装置。
4.根据权利要求3所述的电子装置，选自由以下组成的组：照相机、电视机、监视器、头戴式显示器、机顶盒、网关、智能手机和平板电脑。
5.一种承载程序代码的指令的非暂时性存储介质，当在计算装置上执行所述程序时，所述指令用于执行根据权利要求1所述的方法的步骤。
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