4.4色调映射基础在线视频

同学们，大家好

这一次我们来讲解一下色调映射

首先我们要介绍一下

什么是色调映射

第二要介绍一下

色调映射算子的分类

第三是色调映射的Matlab

程序框架

首先我们来看一下这两幅图像

这两幅图像就是

*.hdr格式的图像

左边它是在专门的HDRView软件上

来显示的结果

而右侧是用Matlab

直接进行显示的结果

从这里可以看出

尽管我们是对同一幅图像

进行了显示

但显示的效果是差别比较大的

Matlab直接显示

它的信息丢失严重

一些暗处的场景

都没有显示出来

因此对于HDR图像

我们不能直接显示

我们需要用一定的算法来进行处理

我们来看什么是色调映射

前面我们介绍过高动态范围图像

指的是这个图像

它的动态范围比较宽

是非常宽的

而我们普通的显示器

它的动态范围

是不够宽

一般来说是8bit

这种情况

如何来解决

图像与显示设备的匹配问题

这就需要来把高动态范围的图像

进行有效的压缩

压缩之后

希望它能在

普通的HDR显示器上

自然的进行显示

色调映射

就是解决的这样一个问题

它是指对HDR图像的

动态范围进行处理

已将HDR数据的

高动态范围

调整为较低的动态范围

使得它能够

在给定的显示器上

进行有效的显示

它的目的就是来解决这种

动态范围不匹配的问题

那色调映射它是一个映射函数

这个映射函数要满足以下条件

一 它要保持局部

和全局的对比度

细节等重要特征

这些是不能丢失的

第二

在视觉感知上

色调映射的效果

应该与真实世界的场景

相匹配的

第三

色调映射函数

它应该是单调递增

或者是单调不减的函数

也就是说

我把HDR图像中暗的地方

映射之后

还是暗的

亮的地方映射之后还是亮的

这种是不能够改变的

那么色调映射算子

就定义为一个函数f（I）

高动态范围的图像

映射之后

到低动态范围到

低动态范围图像

这里有个图示

能够更加清晰的表示

色调映射的目的

我们右侧有观察者一

观察者二

这是两个人

这两个人 观察自然场景

观察这个流程中最左侧场景

他们是在不同的环境中

来观察同样的场景

观察者一看到的

是怎么看到的

它是通过相机的捕获

存储 色调映射之后

在显示器上显示的场景

而观察者二

是直接看真实世界中的场景

我们的目的是想让色调映射的

最终目标

也就是说

观察者二所看到的场景

与观察者一所看到的场景

保持一致

这也就是提到的

所见即所得的

这样 理想的目的

在进行色调映射的时候

通常色调映射

它只处理亮度信息

而颜色信息是保持不变的

也就是当彩色图像进来之后

我们需要先提取出

彩色图像的亮度信息

这里的亮度信息

我们用L来进行表示

Lw表示自然世界world

自然世界的亮度信息

我们对他用一个函数f进行映射

映射之后的亮度

表示为Ld

是在显示设备上

显示出来的亮度信息

这里Ld它的取值范围

一般是0~255

而Lw它的取值范围是比较宽的

映射之后

我们得到了 Ld是亮度信息

同时色度信息

我们就通过分段函数的

下面这一部分来完成

这里有一个饱和系数

它是在0~1范围内的

我们通过调整饱和系数

来使颜色信息更加真实

更加自然

由于色调映射处理

会增加图像的饱和度

因此我们需要调整

饱和度的系数S来降低饱和度

在使用算子f对HDR图像

进行色调映射处理后

通常还需要进行伽马校正

并且在每个颜色通道

将数据范围

限制在0~255区间

第二是色调映射算子的分类

它主要分为如下的类别

这是按不同的方式来分类

它有不同的分类结果

第1

是全局算子

全局算子

它是对图像中

所有的像素

使用相同的算子

来进行映射

第2类称为是局部算子

局部算子

它是考虑到

每个像素

它的映射结果

不仅与色调映射算子的结构有关

映射它还应该与周围的邻域像素有关

基于这种考虑

设计出了一些局部的算子

第3是分割算子

这里要将图像划分为若干个区域

在每个区域内

使用不同的色调

映射算子

在这一幅HDR图像中

有些目标和区域

是我感兴趣的部分

比如在刑侦图像中

我对这个人物比较感兴趣

那么这个人物的细节

我需要保留的更多

而对于背景部分

是我们不关注的，那这一部分

细节部分

我们就可以不进行保留

所以我们会把人物部分

用一个色调映射算子

使得色调映射的结果

尽量保留多的细节

而对背景部分

我们可以用另一个色调映射算子

去进行不同的处理

第4是频率梯度算子

这里将图像分解为

高频部分

和低频部分

低频部分保留了图像的

绝大部分信息

这一部分用色调映射算子来进行处理

而高频部分

它包含的是图像的细节

纹理边缘等等这些信息

这一部分信息

为了保留图像的细节

在色调映射的时候

这一部分我们可以不做处理

我们只对低频部分

进行色调映射

压缩它的动态范围

同时把高频细节全部保留下来

这也是一种思路

第5类称为是感知算子

感知算子

它可以是全局的

也可以是局部的

也可以是基于分割的

这种算子

它主要侧重于

模拟人类视觉系统

也就是说 人类视觉系统眼睛

对于自然场景的感知

和实际的真实存在

它不是完全对应的

这要根据人类视觉系统的特性

而这个感知算子

它就是服务于人类视觉系统

而设计出来的一种算子

第6种是经验算子

经验算子

也可以是刚才所提到的

全局的 局部的

基于分割的，等

这种算子

它不以模拟人类视觉系统为目的

这种算子通常受摄影技术等

相关领域知识的启发

力图创建一幅

更符合人类审美标准的图像

像这类算子

用在游戏的渲染等一些场景中

他渲染后的结果

跟实际的场景

不见得完全一致

但它非常符合人类审美标准

是基于这样目的

所设计的一类算子

所以根据不同的应用需求

我们要设计不同的算法

达到我们不同的效果

第7是时间相关算子

这类算子主要是为压缩HDR

视频和动画

它的动态范围所设计的

第三

我们简单了解一下

色调映射的Matlab程序框架

刚才在算法中我们提到了

在色调映射的时候

我们主要是对亮度信息

进行压缩处理

所以第一步要从输入的

高动态范围图像

里面提取出亮度信息

这里是直接调用的函数

lum luminance

它的亮度信息

中间的环节是进行色调映射

根据不同的需求设计

不同的色调

映射算子

然后最后一步

是我们把亮度信息和色度信息

融合到一起

来输出一幅质量比较好的图像

最后还可以根据实际情况

来选择是否需要颜色校正

颜色校正

也可以用Matlab函数中的文件

colorspace

用这个函数来进行校正

它具体的代码

大家有空可以自己调试一下

那么按照刚才的步骤

所有映射算子生成的色调

映射它的取值范围在0-1之间

对于标准的LCD和CRT显示器

我们还需要用伽马函数

来模拟显示器的可逆性

这里还需要用一个伽马映射

这节课主要是讲了

三个方面的内容

色调映射的定义

色调映射的分类

以及色调映射的

Matlab程序框架

好

就到这儿

谢谢大家