基于亮度分层的快速三边滤波器色调映射算法

第23卷第1期2011年1月

计算机辅助设计与图形学学报

Jo ur nal of Co mputer A ided Design &Computer G raphics V ol.23N o.1Jan.2011

收稿日期:2010-07-13;修回日期:2010-09-13.基金项目:国家自然科学基金(60903068);北京理工大学优秀青年教师基金(2009Y0707);浙江大学CAD&CG 国家重点实验室开放课题基金(A0912).刘衡生(1987 ),男,硕士研究生,主要研究方向为高动态范围图像的色调映射技术;沈建冰(1978 ),男,博士,副教授,论文通讯作者,主要研究方向为纹理设计、高动态范围图像处理、视频的非真实感绘制、基于信号分析的数字媒体处理技术.

基于亮度分层的快速三边滤波器色调映射算法

刘衡生,沈建冰

*

(北京理工大学智能信息技术北京市重点实验室 北京 100081)(shenjian bing@)

摘要:三边滤波器是在双边滤波器的基础上引入了梯度信息,能够很好地保留图像细节,但其时间开销较大.为此,提出了一种基于亮度分层的快速三边滤波算法.通过对三边滤波器中的梯度滤波阶段进行加速,把图像按照像素亮度值分成多层,并对每一层计算2幅中间图像,可在中间图像上进行高斯滤波得到梯度滤波的结果.实验结果表明,使用该算法进行高动态范围图像的色调映射,速度较原三边滤波器提高约10~15倍,而获得的低动态范围图像的视觉质量接近于原三边滤波器.

关键词:高动态范围图像;快速三边滤波器;色调映射;亮度分层中图法分类号:T P391.41

Tone Mapping Using Intensity Layer Decomposition based Fast Trilateral Filter

Liu H engsheng and Shen Jianbing

*

(Beij ing L a borator y o f Intellig ent I nf or mation T echnolog y ,Beij ing Institute o f T ec hnology ,Be ij ing 100081)

Abstract :By introducing a g radient field into the bilateral filter,the tr ilateral filter favo rably preserv es image details at the cost of high co mputatio nal consumptio n.In this paper,w e present a fast tr ilateral filtering alg orithm based on intensity lay er decomposition.The proposed approach accelerates the gradient filtering in three stages:decomposing the im age intensity into several layers,computing two intermediate im ag es for each lay er,and perform ing Gaussian filtering on these interm ediate images.Exper im ental results show that o ur approach is abo ut 10times faster than the standard solution in the contex t o f tone mapping,and achieves similar image quality.Key words :high dynam ic range imag e,fast trilateral filter,tone mapping,

intensity layer

deco mpo sition

1 高动态范围图像的色调映射技术

动态范围是指图像中像素最大亮度与最小亮度的比值.传统的RGB 图像格式使用8位二进制整数表示每个颜色分量,其动态范围为100:1,而真实场景的动态范围(100000000:1)远远超出这一范围.传统图像格式无法真实地表达动态范围很高的场景,而高动态范围(high dynam ic range,H DR)图像是针对这一问题所设计的新型图像格式,它通常使用

浮点数来表示每个颜色分量,这样能够表达更高的动态范围.目前,获取H DR 图像的主要方法是多曝

光融合法[1]

.

色调映射算法是H DR 图像研究中最为关键的部分,其主要原因在于目前占主导地位的有限动态范围媒介(如CRT 和LCD 显示器或者投影仪等)只能显示有限动态范围的图像,使人们不能观察H DR 图像的全部信息.色调映射是指将一幅H DR 图像转换为低动态范围图像的方法,它提供了如何将一种现实场景的亮度值映射到显示设备能显示的范围,

除了压缩亮度范围之外,它还必须充分保留原始图像的感观质量,如保留对比度、图像细节等对于表现原始场景非常重要的信息.

过去的十几年中,在计算机图形学领域已经有大量的H DR图像的色调映射算法,大致可以分为2种类型:一种是空域不变或者叫作全局色调映射(全局动态范围压缩).该类算法在对图像进行动态范围色调变换时,在每个像素上使用同一条变换曲线,变换曲线可以预先指定或者根据图像的内容获取;另外一种是空域变化或者叫作局部色调映射(局部动态范围压缩).该类算法针对图像的不同区域进行不同的变换.

全局色调映射算法的优点在于整体架构简洁且运算效率高,缺点是会导致图像结果在细节、颜色、对比度及纹理信息的损失.Drag o等[2]提出了基于人类视觉系统与对数变换函数的算法.由于对数变换时基数的选择对色调映射的效果影响很大,该算法能自适应地根据每个像素点的亮度值来自动调整对数的基数,且能够处理非常大的动态范围,但却以牺牲H DR场景中的可见性为代价来保留亮度的差异程度信息,因此也会使得某些H DR图像在色调映射后变得非常模糊并丢失细节.Reinhard等[3]提出了基于模拟光感受器的亮度适应机制的色调映射算法,其计算速度较快,包含的若干独立参数可分别控制对比度、全局亮度等信息;H ateren等[4]利用基于视锥的静态 动态响应特性的量化模型来自适应地模拟H DR图像 视频的色调映射过程,同时考虑了视锥通道信息处理过程的若干影响因素,给出了一种利用视锥的静态 动态响应特性函数进行色调映射的方法.由于这些全局色调映射算法对H DR 图像中的每一像素点使用相同的变换,通常很难定义可以很好地适应图像中每个像素的色调映射曲线,所以导致结果图像在纹理、颜色、细节等信息有一定程度的损失.

针对全局色调映射算法的不足与缺陷,研究人员提出了大量的、能产生更好的动态范围压缩效果的局部色调映射算法,对H DR图像中的不同区域进行不同的线性或者非线性变换.Fattal等[5]在梯度域上对亮度图像进行多尺度的衰减,再对新梯度图像通过求解一个偏微分方程来获得低动态范围图像;但直接对修改过的梯度图像进行偏微分方程的求解可能会引起色调映射后的结果出现视觉上的瑕疵(如物体边缘产生的光晕).宋明黎等[6]提出一种基于概率模型的方法,分别对局部像素的色调能量分布与梯度变化约束建立概率统计模型,并通过求解最大后验概率将色调映射过程转化为一个能量最小化问题,能够避免光晕,但有时会引起较严重偏色.Durand等[7]提出了基于双边滤波器的局部色调映射算法,将输入H DR图像分解为基本层和细节层来操作,对输入的H DR图像使用双边滤波器算法进行滤波得到基本层,然后用原图像减去基本层可得到细节层,细节层中保留了图像的细节信息;保持细节层,将基本层进行对比度的压缩,即可完成动态范围压缩的工作.虽然双边滤波器算法具有保持边缘的优良特性,但是不能对高梯度和高曲率的图像区域进行很好的滤波,因此也可能会在色调映射后的图像中引入视觉上的瑕疵.Choudhury等[8]在双边滤波器的基础上,从信号分析的理论着手,提出了基于三边滤波器的H DR图像的色调映射算法,但该算法比较耗时,处理一幅H DR图像往往需要好几分钟或者好几十分钟的计算时间.

本文在快速双边滤波器算法[9]的基础上,提出了一种新的基于亮度分层的快速三边滤波器的色调映射算法,其速度比已有的基于常规三边滤波器的色调映射算法快10~15倍.

2 HDR图像的三边滤波器色调映射算法

2.1 双边滤波器

Durand等[7]使用双边滤波器将一幅H DR图像分成基本层和细节层,其中图像经双边滤波器滤波后的结果作为基本层,原图像与基本层的差作为细节层;在保留细节层的同时大比例压缩基本层的动态范围,以达到色调映射的目的.双边滤波器含有2个权函数,分别通过衡量空间距离和亮度相似度在空间域和亮度域上对邻域像素进行衰减,其形式都是高斯函数.双边滤波器的定义为

I out(x)=

1

k(x)

!

!

I in( )c( -x)s(I in( )-I in(x))d (1) k(x)=

!

!

c( -x)s(I in( )-I in(x))d (2)其中I ou t表示图像I in经过双边器进行滤波后的结果.双边滤波器的特点在于引入了亮度项,与传统的高斯滤波器相比,双边滤波器具有良好的边缘保持特性,但仍不能对高梯度和高曲率的图像区域进行很好的滤波.

2.2 三边滤波器

Choudhur y等[8]在双边滤波器的基础上提出了三边滤波器,除了空间位置和亮度外,三边滤波器又引入了图像的梯度信息,具有∀梯度保持#特性,因此能够精确地区分基本层和细节层.双边滤波器的滤波窗口为矩形,而三边滤波器使用倾斜的滤波窗口.

86计算机辅助设计与图形学学报 第23卷