基于双边滤波的色调映射算法研究

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1、随着计算机科学技术的不断发展，人们对高清影像的要求也越來越高。高清影像能够带给人们真实、自然、清晰的视觉感受，让人们休会到自然世界极其丰富多彩的影像层次。高动态范围图像就是这样的一种图像类型，表达了超过一般显示设备所不能表示的动态范围的图像，拥有丰富的细节特性、良好的图像整体对比度，追求图像的质量与自然真实场景相一致。因此，高动态范围图像在卫星遥感、医学成像、虚拟现实、数字成像等很多领域都有着广泛的应用。由于高动态范围图像动态范围一般能达到9个数量级，而普通的显示器只有2个数量级的动态范围，如何让高动态范围图像在普通显示器上

2、显示成为阻碍这些应用发展的难题。国内外的研究者提出了很多色调映射算&(TONEMAPPINGOPERATER,TMO)对高动态范围图像动态范围进行压缩。高动态范围图像色调映射的目的是将高动态范围图像的对比度压缩到普通显示器能够显示的范围，提高图像整体的对比度，保留丰富的细节特性，得到高质量的图像。本论文阐述了色调映射的研究背景和高动态范围图像的基本理论，并介绍了几种经典的色调映射算法，经研究发现，人多数色调映射算法只是保存了图像质量的某一方面，可能存在图像整体对比度不佳、细节丢失、亮度翻转、颜色失真、光晕等现象。木文在深入细

3、致分析双边滤波色调映射算法的基础上，改进了双边滤波色调映射算法在图像对比度压缩上的处理方法，根据图像高亮区域和黑喑区域白动调整图像对比度压缩的比例因子，根据像素值的不同H适应调整压缩系数，而不是所有像素亮度值都是一样的压缩比例，较好地实现了动态范围的压缩，达到重塑图像视觉外观的效果。通过实验发现，木文算法能够产生图像质量较高的低动态范围图像，有效解决基于空域变化的色调映射算法可能岀现的光晕现象的同时，能够避免经过色调映射Z后可能存在的亮度翻转现象，并提高图像的整体对比度，使图像亮度变化具有层次感，更加接近于真实的自然场景。关

4、键字：高动态范围，色调映射，对比度压缩，双边滤波第一章绪论木章将首先对高动态范围图像色调映射的研究背景进行相关阐述，说明研究的目的和意义，提出本论文要研究的内容及论文的组织框架。1.1研究背景介绍在真实自然世界中，人们都会有这样的体验：突然从黑暗的房间中走到直射的阳光下，眼睛感觉到无法睁开，慢慢地才能适应外界的环境。这是因为自然场景中，白然光的亮度范围是非常大的，漆黑的房间下，物体表面的平均亮度大概是W3cd/m2,片天关照下物体表面的平均亮度可以达到105cd/m2,跨越了犬约9个数量级⑴，而人眼对如此大的亮度范围变化有一

5、个适应的过程。可见，我们人类的视觉系统能够感知到巨大变化的亮度变化范围，但是，目前的数码相机传感器及计算机显示系统很难做到这一点。这就会导致我们拍摄的图像会存在细节信息丢失，明暗效杲不佳等图像质量的问题。数码设备拍摄的图像无论我们怎么样调整相机的参数，在一定程度上都会存在曝光过度或者曝光不足的现象，导致图像的场景细节信息丢失，明暗效果不佳。如图1.1的场景案例⑵，(a)表示了真实场景的正常曝光图像，(b)表示了高曝光的图像，可以看见图像中天空的细节已完全丢失，(c)表示了低曝光的图像，图像屮树的细节很少能够体现。(a)自然曝

6、光(b)高曝光(c)低曝光图1.1:场景案例同样，数字图像的存储、传输、显示都是基于8位，这就限定了普通的计算机显示设备最多能够显示2个数量级的数字图像，导致图像的动态范围较窄，图像存在失真，细节信息丢失等问题，如何解决自然真实场景丰富的场景信息与计算机显示设备无法显示出丰富细节的矛圧，这就是高动态范围图像的合成与可视化的问题囿。由于高动态范围图像能够显示自然真实场景丰富的细节信息，并能够具有较好的对比度效果，因此受到了人们普遍的关注。获取高动态范围图像最直接的方法就是用高动态范围的和机直接拍摄后，用专用的高动态范围显示设备

7、显示，但是这种方法造价昂贵，性价比较低。为了能够在低动态范围显示设备上显示高动态范围图像，口前主要的方法是用软件的方法改变图像的动态范帀，使其能够在低动态范围显示设备上显示的同时，保留图像丰富的细节。这就是本文所讨论的问题。1.2研究的意义和现状高动态范围(HighDynamicRange,HDR)图像⑷是展示了普通显示器所不能表达的真实自然世界屮亮度大范围变化的一种高清图像类型，与我们通常的低动态范围(LowDynamicRange,LDR)图像相比，图像整体的明暗效果较好，体现出丰富的细节信息，尤其在高亮度和极度黑暗的区

8、威冇较强的细节保持特性，表现出极其丰富多彩的口然影像层次，带给人们高清、门然、真实的视觉感受。因此，高动态范围图像广泛应用于卫星遥感、医学成像、虚拟现实、数字成像等各种领域⑸。在卫星遥感领域应用高动态范围图像能够更加精准的测控图像数据，卫星图像拍摄的距离通常都是比较大，其至是用红外摄像头拍