CN115379203A - 一种基于全景照度测量的hdr全景图亮度新型校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法：包括：在待测位置采用照度计进行测量并计算出全景照度数值；在待测位置使用图像采集设备拍摄并合成照明空间的高动态范围HDR全景图像，得到未经过亮度校准的HDR全景图像；对未经过亮度校准的HDR全景图像利用球谐函数分解法计算出全景照度值；计算HDR全景图像的亮度校准系数；将亮度校准系数应用到未经过亮度校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值。本发明所提出的亮度测量方法操作简单，无需昂贵的专业设备。正四面体照度计与HDR全景拍摄系统的共同搭建与算法合成还可以达到对所拍摄HDR全景图像亮度的实时校准的功能，对照明空间中的光质量评估有着较大的意义。

Description

一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法

技术领域

本发明涉及一种全景图亮度校准方法，特别是一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法。

背景技术

HDR图像亮度的校准是它在照明中被用作光度学测量工具的基础，在此之前的HDR全景图像中，虽然像素值的大小代表了与场景中实际亮度的高低，但由于缺少亮度校准步骤，像素亮度和场景实际亮度并不对应，无法满足人们通过图片测量亮度的目的。

之前普通的对HDR图像亮度进行校准的方案都涉及到专业亮度计和标准灰度板的使用，操作较为繁琐，对专用于亮度测量的相机则需要进行相机标定。同时一方面专业亮度计以及标准灰度板价格昂贵，操作要求专业性高，另一方面这种校准方式无法进行实时校准。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，包括以下步骤：

步骤1，在待测位置采用照度计进行测量并计算出全景照度数值E；

步骤2，在待测位置使用图像采集设备拍摄并合成照明空间的高动态范围HDR全景图像，得到未经过亮度校准的HDR全景图像；

步骤3，对未经过亮度校准的HDR全景图像利用球谐函数分解法计算出全景照度值E_{without-calibration}；

步骤4，对比步骤1中得到的全景照度数值E和步骤3中得到的全景照度值E_{without-calibration}，计算HDR全景图像的亮度校准系数k；

步骤5，将步骤4中计算得到的亮度校准系数k应用到未经过亮度校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值；

其中，步骤1至步骤3为对全景照度测量的步骤，步骤4至步骤5为对全景HDR像素亮度校准的步骤。

步骤1中所述的采用照度计进行测量的方式为正四面体法，测量得到待测位置四个方向的照度值，具体方法包括：

在所述待测位置，采用四个照度计按正四面体方式排布，并测量四个面方向上的照度；或在在所述待测位置，采用照度计，按正四面体的四个方向分别测量照度。

步骤1中所述的全景照度E的计算方法包括：

E＝(E1+E2+E3+E4)/4

其中，E1，E2，E3,E4分别为步骤1中所述的测量得到的待测位置四个方向的照度值。

步骤2中所述在待测位置使用图像采集设备拍摄的方法，包括以下步骤：

步骤2-1，所述图像采集设备为全景相机时，通过确定低动态范围LDR图片的不同的曝光度，光圈以及焦距参数，拍摄一组不同曝光的LDR全景图片序列；所述图像采集设备为普通相机时，通过确定光圈和焦距参数，并使用相机云台拍摄涵盖整个场景不同角度下不同曝光度下的照片；

步骤2-2，所述图像采集设备为全景相机时，直接合成HDR全景图像；所述图像采集设备为普通相机时，先将照片合成为HDR图片，再合成HDR全景图像。

步骤3中所述的利用球谐函数分解法计算出全景照度值的方法，包括如下步骤：

步骤3-1，计算HDR全景图像的像素亮度；

所述计算HDR全景图像的像素亮度，方法包括：

使用Y通道分量计算HDR全景图像每个像素的亮度值：

L＝179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)

式中，L表示HDR全景图像每个像素的亮度值，R为HDR全景图像中红色分量的数值；G表示HDR全景图像中绿色分量的数值；B为HDR全景图像中蓝色分量的数值。

步骤3-2，计算HDR全景图像的全景照度；

所述计算HDR全景图像的全景照度，方法包括：

对所述未经过亮度校准的HDR全景图像中的像素值在空间中的分布情况采用球谐函数表达式

进行分解，即：

式中，

是系数，

是球谐基函数，l代表球谐函数的阶数，每一阶包含2l+1个基函数，m表示每一个阶下的基函数下标；零阶分量共包含一个基函数；

每幅HDR全景图在拍摄点的全景照度值与其三维亮度分布的球谐函数分解式中的零阶分量有如下关系，即：

其中，d(L₀)为HDR全景图亮度分布用球谐函数表达式分解后的零阶分量系数绝对值。

步骤4中所述计算HDR全景图像的亮度校准系数k的方法为：

k＝E/E_without-cali

其中，E为步骤1中得到的全景照度数值，E_{without-calibrati}为步骤3中得到的HDR全景照度值，k为HDR全景图像的亮度校准系数。

步骤5中所述的将步骤4中计算得到的亮度校准系数k应用到未经过亮度校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值的方法为：L_T＝k*179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)

其中，L_T为像素的真实亮度值。

步骤3-1中所述HDR全景图像每个像素的亮度值L的单位为cd/m²；步骤5中所述的像素的真实亮度值单位为cd/m²。

有益效果：

本发明基于HDR全景图的球谐函数分解法和四面体照度计搭建法都可以实现对全景照度测量目的这一理论基础，将这两种方法相结合，提出一种基于全景照度测量的对HDR全景图进行亮度校准的低成本解决方案，该亮度测量方案中使用照度计代替亮度计，成本低廉，设备搭建简单，操作方便，并且可以实现HDR图像的实时校准功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明总体流程示意图；

图2是一种实施例下HDR全景图球谐函数分解中对应的零阶，一阶和二阶基函数示意图；

图3是一种实施例下一种正四面体全景照度计结构示意图；

图4是一种实施例下正四面体结构示意图；

具体实施方式

本发明采用的技术方案为：

一种基于正四面体全景照度计测量对HDR全景图的亮度校准，从而实现亮度测量的方法，使用图像采集设备拍摄并合成照明空间的HDR全景图像，随后对未经过亮度校准的HDR全景图像利用球谐函数分解法计算出全景照度值E_{without-calibration}，然后利用正四面体对全景照度数值进行实际测量，最后对比两种方法得到的全景照度即可计算出HDR图像中的亮度校准系数k。具体来说，一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，包括以下步骤：

步骤1，在待测位置采用照度计进行测量并计算出全景照度数值E；

步骤2，在待测位置使用图像采集设备拍摄并合成照明空间的高动态范围HDR全景图像，得到未经过亮度校准的HDR全景图像；

步骤3，对未经过亮度校准的HDR全景图像利用球谐函数分解法计算出全景照度值E_{without-calibratio}；

步骤4，对比步骤1中得到的全景照度数值E和步骤3中得到的全景照度值E_{without-calibration}，计算HDR全景图像的亮度校准系数k；

步骤5，将步骤4中计算得到的亮度校准系数k应用到未经过亮度校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值；

其中，步骤1至步骤3为对全景照度测量的步骤，步骤4至步骤5为对全景HDR像素亮度校准的步骤。

步骤1中所述的采用照度计进行测量的方式为正四面体法，测量得到待测位置四个方向的照度值，具体方法包括：

在所述待测位置，采用四个照度计按正四面体方式排布，并测量四个面方向上的照度；或在在所述待测位置，采用照度计，按正四面体的四个方向分别测量照度。

所述的全景照度E的计算方法包括：

E＝(E1+E2+E3+E4)/4

其中，E1，E2，E3,E4分别为步骤1中所述的测量得到的待测位置四个方向的照度值。

步骤2中所述在待测位置使用图像采集设备拍摄的方法，包括以下步骤：

步骤2-1，所述图像采集设备为全景相机(譬如Insta 360)拍摄时，通过确定低动态范围LDR图片的不同的曝光度，光圈以及焦距参数，拍摄一组不同曝光的LDR全景图片序列；所述图像采集设备为普通相机时，通过确定光圈和焦距参数，并使用相机云台拍摄涵盖整个场景不同角度下不同曝光度下的照片；

步骤2-2，所述图像采集设备为全景相机时，利用合成软件photomatix或hdrgen脚本等软件，直接合成HDR全景图像；所述图像采集设备为普通相机时，先将照片合成为HDR图片，再使用PTGUI等拼接软件进行拼接，合成HDR全景图像。

步骤3中所述的利用球谐函数分解法计算出全景照度值的方法，包括如下步骤：

步骤3-1，计算HDR全景图像的像素亮度；

所述计算HDR全景图像的像素亮度，方法包括：

使用Y通道分量计算HDR全景图像每个像素的亮度值：

L＝179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)

式中，L表示HDR全景图像每个像素的亮度值，R为HDR全景图像中红色分量的数值；G表示HDR全景图像中绿色分量的数值；B为HDR全景图像中蓝色分量的数值；所述HDR全景图像每个像素的亮度值L的单位为cd/m²。

步骤3-2，计算HDR全景图像的全景照度；

所述计算HDR全景图像的全景照度，方法包括：

对所述未经过亮度校准的HDR全景图像中的像素值在空间中的分布情况采用球谐函数表达式

进行分解，即：

式中，

是系数，

是球谐基函数，l代表球谐函数的阶数，每一阶包含2l+1个基函数，m表示每一个阶下的基函数下标；零阶分量共包含一个基函数；

每幅HDR全景图在拍摄点的全景照度值与其三维亮度分布的球谐函数分解式中的零阶分量有如下关系，即：

其中，d(L₀)为HDR全景图亮度分布用球谐函数表达式分解后的零阶分量系数绝对值。

步骤4中所述计算HDR全景图像的亮度校准系数k的方法为：

k＝E/E_{without-calib}

其中，E为步骤1中得到的全景照度数值，E_without-cali为步骤3中得到的HDR全景照度值，k为HDR全景图像的亮度校准系数。

步骤5中所述的将步骤4中计算得到的亮度校准系数k应用到未经过亮度校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值的方法为：L_T＝k*179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)

其中，L_T为像素的真实亮度值，单位为cd/m²。

实施例：

如图1所示，一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，具体包括如下步骤：

(1)在正四面体表面安装四个照度计进行测量并计算出全景照度数值E；

(2)在正四面体同一位置使用图像采集设备拍摄并合成照明空间的HDR全景图像；

(3)对未经过亮度校准的HDR全景图像利用球谐函数分解法计算出全景照度值E_{without-calibration}；

(4)对比两种方法得到的全景照度E和E_{without-calib}即可计算出HDR图像的亮度校准系数k；

(5)将所得到的k值应用到未经校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值；

上述步骤中，步骤(1)～(3)为对全景照度测量步骤，步骤(4)～(5)为对全景HDR像素亮度校准步骤。

1.所述步骤(1)中的利用正四面体对全景照度数值进行实际测量的工作过程包括如下步骤：

(a1)主要部件包括一个正四面体，一个有平坦底面的小型手持式照度计(例：云之光灯光捕手)，一块阳(阴)极磁片，四块阴(阳)极瓷片，黑色吸光绒纸，一个透明亚克力圆杯，一个1\4螺母；

(a2)在正四面体的四个表面中央用万能胶粘贴一块瓷片，并覆盖黑色绒纸。把另一极性的瓷片粘贴于手持式照度计背面。在透明亚克力圆杯底部打一1\4小孔，用一个1\4螺母固定于三脚架之上。；

(a3)测量时，把正四面体以一个尖顶朝下的姿态放置于圆形亚克力圆杯上部，然后依次把背面贴有磁片的手持式照度计置于带有异性瓷片的正四面体四个表面之上读取四个表面的平面照度数值，这四个数值的平均即为该测量点在空间中360°方向上照度总和的平均，即全景照度；

2.所述步骤(2)中的捕获HDR全景图的工作过程包括如下步骤：

(b1)确定各LDR图片的不同的曝光度，光圈，焦距等参数，拍摄一组不同曝光的LDR全景图片序列；

(b2)利用合成软件photomatix或hdrgen脚本合成HDR全景图片；

3、所述步骤(3)中的对HDR全景图计算全景照度的工作过程包括如下步骤：

(c1)利用球谐函数分解法对HDR全景图片进行全景照度的计算；

4、所述步骤(4)中的对比得到亮度校准系数k的工作过程包括如下步骤：

(d1)将所得到的正四面体全景照度的数值与利用球谐函数对HDR全景图片计算的全景照度的数值进行比值计算，最后得到的数值即为亮度校准系数k值；

5、所述步骤(5)中的计算HDR全景图像像素的真实亮度的工作过程包括如下步骤：

(e1)将所得到的k乘以未经校准的HDR全景图像素值，最后得到即为HDR全景图片的像素对应真实亮度值；

·在第一步利用正四面体对全景照度数值进行实际测量的阶段(步骤1)：

对正四面体照度计进行简易的安装：

如图3所示，本发明设计的正四面体全景照度计需要的部件容易采购，安装简便。主要部件包括一个正四面体，一个有平坦底面的小型手持式照度计(例：云之光灯光捕手)，一块阳(阴)极磁片，四块阴(阳)极瓷片，黑色吸光绒纸，一个透明亚克力圆杯，一个1\4螺母。

在正四面体的四个表面中央用万能胶粘贴一块瓷片，并覆盖黑色绒纸。把另一极性的瓷片粘贴于手持式照度计背面。在透明亚克力圆杯底部打一1\4小孔，用一个1\4螺母固定于三脚架之上。正四面体，如图4所示，市场购买途径广，借助3D打印技术也很容易自行制作。正四面体照度计外表面覆盖黑色绒纸避免光线反射。借助于两块异性瓷片就很容易实现手持式照度计与四面体尺的组装。

测量时，把正四面体以一个尖顶朝下的姿态放置于圆形亚克力圆杯上部，然后依次把背面贴有磁片的手持式照度计置于带有异性瓷片的正四面体四个表面之上读取四个表面的平面照度数值，为了防止更换测量表面时正四面体尺摆放姿态发生变化，可在圆形亚克力杯与正四面体尺的三条接触棱处用限位块对位置进行限位。另外，为了避免实际测量时变换照度计位置，也可以直接把四个照度计固定安装于正四面体的四个表面，依次读取四个表面上的平面照度数值。

正四面体照度计测量全景照度的计算：

假设正四面体每个表面的照度读取值分别为E1，E2，E3,E4，那么全景照度测量值即为：

E＝(E1+E2+E3+E4)/4 (1)

·在第三步从HDR图像中获取全景照度的计算方法：

使用CIE1931-XYZ系统中的Y通道分量来计算HDR图像每个像素的亮度值，如下公式所示：

L＝179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)cd/m² (2)

式中，L表示HDR图像每个像素的亮度值，R为图像中红色分量的数值；G图像中绿色分量的数值；B为图像中蓝色分量的数值；

进一步，对基于HDR全景图计算全景照度(步骤2)：

如图2所示，所拍摄HDR全景图像中像素值在空间中的分布情况可以用球谐函数表达式进行分解，即：

式中，

是系数，

是球谐基函数，l代表球谐函数的阶数，每一阶包含2l+1个基函数，因此，零阶分量包含一个基函数。

每幅HDR全景图在拍摄点的全景照度值与其三维亮度分布的球谐函数分解式中的零阶分量有如下关系，即：

其中，d(L₀)为HDR全景图亮度分布用球谐函数表达式分解后的零阶分量系数绝对值。

·在第四步利用计算校准系数k

步骤4的计算方式为正四面体对全景照度数值的实际测量值与未经过亮度校准的HDR全景图像利用球谐函数分解法计算出的全景照度值之间的比值：

k＝E/E_{without-calibration} (5)

·在第五步，把亮度校准系数k应用于亮度计算的阶段(步骤4、5)：

步骤5的计算方式为将所得到的校准系数应用于HDR全景图片中的像素值的亮度计算，代入公式(2)：

L_T＝k*179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)cd/m² (6)

最终所得亮度值L即为校准后的真实亮度值。

实验验证：

本方法利用HDR全景图拍摄的方法对照明空间各目标点进行亮度测量，在实际亮度校准过程中只需使用我们搭建的正四面体照度计，可以摆脱传统校准过程中对昂贵亮度计以及灰度板的依赖，或避免对用于亮度测量相机繁琐的标定过程，是一个低成本的解决方案，具有很强的实用性。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在待测位置采用照度计进行测量并计算出全景照度数值E；

步骤2，在待测位置使用图像采集设备拍摄并合成照明空间的高动态范围HDR全景图像，得到未经过亮度校准的HDR全景图像；

步骤3，对未经过亮度校准的HDR全景图像利用球谐函数分解法计算出全景照度值E_{without-calibra}；

步骤4，对比步骤1中得到的全景照度数值E和步骤3中得到的全景照度值E_{without-calib}，计算HDR全景图像的亮度校准系数k；

步骤5，将步骤4中计算得到的亮度校准系数k应用到未经过亮度校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值；

其中，步骤1至步骤3为对全景照度测量的步骤，步骤4至步骤5为对全景HDR像素亮度校准的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤1中所述的采用照度计进行测量的方式为正四面体法，测量得到待测位置四个方向的照度值，具体方法包括：

在所述待测位置，采用四个照度计按正四面体方式排布，并测量四个面方向上的照度；或在在所述待测位置，采用照度计，按正四面体的四个方向分别测量照度。

3.根据权利要求2所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤1中所述的全景照度E的计算方法包括：

E＝(E1+E2+E3+E4)/4

其中，E1，E2，E3,E4分别为步骤1中所述的测量得到的待测位置四个方向的照度值。

4.根据权利要求3所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤2中所述在待测位置使用图像采集设备拍摄的方法，包括以下步骤：

步骤2-1，所述图像采集设备为全景相机时，通过确定低动态范围LDR图片的不同的曝光度，光圈以及焦距参数，拍摄一组不同曝光的LDR全景图片序列；所述图像采集设备为普通相机时，通过确定光圈和焦距参数，并使用相机云台拍摄涵盖整个场景不同角度下不同曝光度下的照片；

步骤2-2，所述图像采集设备为全景相机时，直接合成HDR全景图像；所述图像采集设备为普通相机时，先将照片合成为HDR图片，再合成HDR全景图像。

5.根据权利要求4所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤3中所述的利用球谐函数分解法计算出全景照度值的方法，包括如下步骤：

步骤3-1，计算HDR全景图像的像素亮度；

步骤3-2，计算HDR全景图像的全景照度。

6.根据权利要求5所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤3-1中所述计算HDR全景图像的像素亮度，方法包括：

使用Y通道分量计算HDR全景图像每个像素的亮度值：

L＝179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)

式中，L表示HDR全景图像每个像素的亮度值，R为HDR全景图像中红色分量的数值；G表示HDR全景图像中绿色分量的数值；B为HDR全景图像中蓝色分量的数值。

7.根据权利要求6所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤3-2中所述计算HDR全景图像的全景照度，方法包括：

对所述未经过亮度校准的HDR全景图像中的像素值在空间中的分布情况采用球谐函数表达式

进行分解，即：

式中，

是系数，

是球谐基函数，l代表球谐函数的阶数，每一阶包含2l+1个基函数，m表示每一个阶下的基函数下标；零阶分量共包含一个基函数；

每幅HDR全景图在拍摄点的全景照度值与其三维亮度分布的球谐函数分解式中的零阶分量有如下关系，即：

其中，d(L₀)为HDR全景图亮度分布用球谐函数表达式分解后的零阶分量系数绝对值。

8.根据权利要求7所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤4中所述计算HDR全景图像的亮度校准系数k的方法为：

k＝E/E_{without-calibrati}

其中，E为步骤1中得到的全景照度数值，E_{without-calibration}为步骤3中得到的HDR全景照度值，k为HDR全景图像的亮度校准系数。

9.根据权利要求8所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤5中所述的将步骤4中计算得到的亮度校准系数k应用到未经过亮度校准的HDR全景图像上得到像素的真实亮度值的方法为：L_T＝k*179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)

其中，L_T为像素的真实亮度值。

10.根据权利要求9所述的一种基于全景照度测量的HDR全景图亮度新型校准方法，其特征在于，步骤3-1中所述HDR全景图像每个像素的亮度值L的单位为cd/m²；步骤5中所述的像素的真实亮度值单位为cd/m²。

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