多曝光融合算法研究及HDR圖像合成與色調(diào)映射算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).pdf

1、真實(shí)場(chǎng)景和人眼能辨別的亮度范圍可以高達(dá)105以上，但是普通圖像傳感器能捕獲的動(dòng)態(tài)范圍不超過(guò)103。為了再現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景，通常對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景多次曝光，得到多張不同曝光度的圖像，然后經(jīng)過(guò)圖像合成得到高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range，HDR)圖像。但是，顯示設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍大多在102左右，HDR圖像不能在普通顯示器上直接顯示，需要對(duì)其進(jìn)行亮度值壓縮。如何在亮度值有限的情況下，保留原有場(chǎng)景豐富的細(xì)節(jié)信息和真實(shí)的視覺(jué)效果，一直是該

2、領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近些年來(lái)，隨著HDR圖像技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于消費(fèi)類電子、遙測(cè)遙感、安防監(jiān)控、數(shù)字電視等領(lǐng)域，該課題的研究具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
　　HDR圖像顯示技術(shù)主要分為兩種:第一種，對(duì)多張不同曝光度的圖像直接融合;第二種，對(duì)多張不同曝光度的圖像首先通過(guò)合成算法得到一張HDR圖像，再通過(guò)色調(diào)映射算法進(jìn)行亮度壓縮。本文對(duì)兩種方法均進(jìn)行了研究，主要做了以下工作:
　　(1)分析了目前多曝光圖像融合算法的不足，指出了初始融合權(quán)重修

3、正的方法是影響融合效果優(yōu)劣的關(guān)鍵。在原有引導(dǎo)濾波的基礎(chǔ)上，引入了內(nèi)容感知因子，對(duì)初始融合權(quán)重進(jìn)行修正。對(duì)于視覺(jué)顯著性高、邊緣信息豐富的區(qū)域，融合權(quán)重的保真度就高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在融合過(guò)渡區(qū)域，本文算法的處理結(jié)果呈現(xiàn)出更好的邊緣保持性和更高的清晰度。
　　(2)提出了一種過(guò)渡區(qū)域溢出修正的合成算法。采用winner-take-all策略，減少了合成圖像的量化誤差。運(yùn)用一次線性擬合的方式，無(wú)需知道曝光時(shí)間，就能對(duì)不同曝光度圖像進(jìn)行亮度

4、值映射。根據(jù)鄰域像素的曝光溢出情況，建立分類修正機(jī)制，合成圖像的過(guò)渡區(qū)域較為平滑。
　　(3)結(jié)合全局算子和局部算子的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種自動(dòng)參數(shù)調(diào)整的色調(diào)映射算法。采用逐步逼近法以達(dá)到最佳顯示亮度，運(yùn)用中值濾波器提取圖像的細(xì)節(jié)信息。本文算法能有效壓縮HDR圖像的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)保留了局部細(xì)節(jié)和對(duì)比度。與其他算法相比，本文算法在圖像自然度上有很大優(yōu)勢(shì)。
　　(4)根據(jù)圖像信號(hào)處理器(ISP)的應(yīng)用需求，提出了合成與色調(diào)映射算法硬件

5、設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化方案。使用line buffer緩存局部濾波器數(shù)據(jù);對(duì)于組合邏輯較復(fù)雜的運(yùn)算均采用流水線設(shè)計(jì);改進(jìn)了5×5中值濾波器的流水設(shè)計(jì)，比較器數(shù)目從360個(gè)減少到125個(gè);采用table-driven算法近似求解指數(shù)函數(shù)結(jié)果，硬件復(fù)雜度大大降低。
　　(5)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行RTL仿真，Modelsim定點(diǎn)和Matlab浮點(diǎn)計(jì)算結(jié)果基本一致。搭建了FPGA驗(yàn)證平臺(tái)，采用Xilinx xc6slx45器件實(shí)現(xiàn)算法。FPGA綜合結(jié)果表明，設(shè)