Альфапедия

Тональное отображение

редактировать
Техника обработки изображения Тональное изображение с высоким динамическим диапазоном (HDR) Римско-католической церкви Св. Кентигерса в Блэкпуле, Ланкашир, Англия, Великобритания

Отображение тонов - это метод, используемый в обработке изображений и компьютерной графике для сопоставления одного набора цветов с другим для приблизительно соответствует внешнему виду изображений с расширенным динамическим диапазоном в среде, которая имеет более ограниченный динамический диапазон. Распечатки, CRT или LCD мониторы и проекторы имеют ограниченный динамический диапазон, который недостаточен для воспроизведения всего диапазона интенсивности света, присутствующего в естественных сценах.. Отображение тонов решает проблему сильного снижения контрастности от сцены яркости до отображаемого диапазона, сохраняя при этом детали изображения и внешний вид цвета, важные для оценки исходного содержимого сцены.

Содержание
  • 1 Предпосылки
  • 2 Назначение и методы
  • 3 Цифровая фотография
  • 4 Устройства отображения
  • 5 Пример процесса создания изображений
  • 6 Галерея
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки
    • 9.1 Алгоритмы отображения тонов
Предпосылки

Введение пленочной фотографии создало проблемы, поскольку захват огромного динамического диапазона освещения из реального мира на химическом ограниченный негатив было очень сложно. Первые разработчики пленки пытались решить эту проблему, создавая комплекты пленки и системы проявки печати, которые давали желаемую S-образную кривую тона со слегка повышенным контрастом (около 15%) в среднем диапазоне и постепенно сжимали блики. и тени. Появление системы зон , которая основывает экспозицию на желаемых тонах тени наряду с изменением продолжительности времени, проведенного в химическом проявителе (таким образом, контролируя тона светлых участков), расширило тональный диапазон черного и белого (и позже, цвет) негативная пленка из исходного диапазона примерно от семи ступеней до примерно десяти. Фотографы также использовали затемнение и затемнение, чтобы преодолеть ограничения процесса печати.

Появление цифровой фотографии дало надежду на лучшее решение этой проблемы. Одним из первых алгоритмов, которые использовали Лэнд и Макканн в 1971 году, был Retinex, вдохновленный теориями восприятия легкости. Этот метод основан на биологических механизмах адаптации глаза, когда условия освещения являются проблемой. Алгоритмы отображения гаммы также широко изучались в контексте цветной печати. Для прогнозирования появления цвета использовались вычислительные модели, такие как CIECAM02 или iCAM. Несмотря на это, если алгоритмы не могли в достаточной степени отображать тона и цвета, по-прежнему требовался квалифицированный художник, как в случае с постобработкой кинематографических фильмов.

Технологии компьютерной графики, способные отображать высококонтрастные сцены, сместили акцент с цвета на яркость как основной ограничивающий фактор устройств отображения. Несколько операторов тонального отображения были разработаны для отображения изображений с высоким динамическим диапазоном (HDR) на стандартные дисплеи. В последнее время эта работа перешла от использования яркости для увеличения контрастности изображения к другим методам, таким как воспроизведение изображений с помощью пользователя. В настоящее время воспроизведение изображений сместилось в сторону решений, управляемых дисплеями, поскольку дисплеи теперь обладают расширенными алгоритмами обработки изображений, которые помогают адаптировать рендеринг изображения к условиям просмотра, экономить электроэнергию, масштабировать цветовую гамму и динамический диапазон.

Цель и методы

Цели тонального отображения могут быть сформулированы по-разному в зависимости от конкретного приложения. В некоторых случаях основной целью является создание просто эстетически приятных изображений, в то время как другие приложения могут делать упор на воспроизведении как можно большего количества деталей изображения или максимальном контрасте изображения. Целью в приложениях реалистичного рендеринга может быть получение перцептивного соответствия между реальной сценой и отображаемым изображением, даже если устройство отображения не может воспроизводить полный диапазон значений яркости.

В последние годы были разработаны различные операторы тонального отображения. Все они могут быть разделены на два основных типа:

  • глобальные (или пространственно однородные) операторы: они являются нелинейными функциями, основанными на яркости и других глобальных переменных изображения. После того, как оптимальная функция была оценена в соответствии с конкретным изображением, каждый пиксель в изображении отображается одинаковым образом, независимо от значения окружающих пикселей в изображении. Эти методы просты и быстры (поскольку они могут быть реализованы с использованием таблиц поиска ), но они могут вызвать потерю контрастности. Примерами общих методов глобального тонального отображения являются операторы уменьшения контрастности и инверсии цвета.
  • локальные (или пространственно изменяющиеся): параметры нелинейной функции изменяются в каждом пикселе в соответствии с особенностями, извлеченными из окружающих параметров. Другими словами, действие алгоритма изменяется в каждом пикселе в соответствии с локальными особенностями изображения. Эти алгоритмы сложнее глобальных; они могут показывать артефакты (например, эффект ореола и звон); и результат может выглядеть нереалистичным, но они могут (при правильном использовании) обеспечить лучшую производительность, так как человеческое зрение в основном чувствительно к локальному контрасту.

Простой пример глобального фильтра тонального отображения: V out = V in V in + 1, {\ displaystyle V _ {\ text {out}} = {\ frac {V _ {\ text {in}}} {V _ {\ text {in}} + 1}},}V _ {\ text {out}} = {\ frac {V _ {\ text {in}}} {V _ {\ текст {in}} + 1}}, , где V in - это яркость исходного пикселя, а V out - это яркость отфильтрованного пикселя. Эта функция сопоставляет яркость V в в домене [0, ∞) {\ displaystyle [0, \ infty)}[0, \ infty) с отображаемым выходным диапазоном . [0, 1). {\ displaystyle [0,1).}[0,1). Хотя этот фильтр обеспечивает приличный контраст для частей изображения с низкой яркостью (особенно когда Vin< 1), parts of the image with higher luminance will get increasingly lower contrast as the luminance of the filtered image goes to 1.

, возможно, более полезное глобальное отображение тонов метод - гамма-сжатие с фильтром V out = AV в γ, {\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A \, V _ {\ text {in}} ^ { \ gamma},}V _ {\ text {out}} = A \, V _ {\ text {in}} ^ { \ gamma}, где A>0 и 0 < γ< 1. This function will map the luminance Vinв домене [0, A - 1 / γ] {\ displaystyle [0, A ^ { -1 / \ gamma}]}{\ displaystyle [0, A ^ {- 1 / \ gamma}]} в выходной диапазон [0, 1]. {\ Displaystyle [0,1].}[0,1]. γ регулирует контрастность изображения. ; меньшее значение для более низкого контраста. Хотя более низкая константа γ дает более низкий контраст и, возможно, также более тусклое изображение, оно увеличивает экспозицию недоэкспонированных частей изображения, в то же время, если A< 1, it can decrease the exposure of overexposed parts of the image enough to prevent them from being overexposed.

еще более сложная группа Алгоритмы тонального отображения основаны на методах контраста или градиентной области, которые являются «локальными». Такие операторы концентрируются на сохранении контраста между соседними областями, а не на абсолютном значение лютни, подход, мотивированный тем фактом, что человеческое восприятие наиболее чувствительно к контрасту в изображениях, а не к абсолютной интенсивности. Эти методы тонального отображения обычно дают очень четкие изображения, которые очень хорошо сохраняют мелкие контрастные детали; однако это часто делается за счет уменьшения общего контраста изображения, и в качестве побочного эффекта может возникать гало -подобное свечение вокруг темных объектов. Примеры таких методов тонального отображения включают в себя: сжатие высокого динамического диапазона в области градиента и структуру восприятия для контрастной обработки изображений с широким динамическим диапазоном (тональное отображение является одним из приложений этой структуры).

Другой подход к отображению тонов HDR-изображений основан на расширении. Эта теория объясняет многие характеристики зрительной системы человека, такие как постоянство легкости и ее недостатки (как в иллюзии шашечной тени ), которые важны для восприятия изображений. Ключевой концепцией этого метода тонального отображения (Восприятие яркости при воспроизведении тона) является разложение HDR-изображения на области (рамки) постоянного освещения и локальный расчет значений яркости. Чистая легкость изображения рассчитывается путем слияния рамок пропорционально их силе. Особенно важным является привязка - отношение яркости к известной яркости, а именно оценка того, какое значение яркости воспринимается как белое в сцене. Такой подход к отображению тонов не влияет на локальный контраст и сохраняет естественные цвета изображения HDR благодаря линейной обработке яркости.

Одна простая форма тонального отображения берет стандартное изображение (не HDR - динамический диапазон уже сжат) и применяет нерезкое маскирование с большим радиусом, что увеличивает локальный контраст, а не резкость. Подробнее см. нерезкое маскирование: локальное усиление контраста.

Одним из часто используемых алгоритмов отображения тонов является iCAM06, который основан как на модели цветового оформления, так и на иерархическом отображении. После двусторонней фильтрации изображение разбивается на базовый слой и слой деталей. Адаптация белой точки и адаптация цветности применяются к базовому слою, а улучшение деталей применяется к слою деталей. В конце концов два слоя объединяются и преобразуются в цветовое пространство IPT. В целом, этот метод хорош, но имеет некоторые недостатки, особенно в том, насколько сложен в вычислительном отношении метод фильтрации. Предлагаемое решение этой проблемы включает оптимизацию производительности фильтра. Базовый слой изображения также преобразуется в пространство RGB для сжатия тона. Этот метод также позволяет в большей степени регулировать выходной сигнал и увеличивать насыщенность, что делает его менее затратным в вычислениях и лучше снижает общий эффект ореола.

Цифровая фотография
HDR-изображение с тональной отображением Dundas Square ; Отображение тонов выполнялось как метод постобработки с использованием фотографического программного обеспечения Photomatix.

Формы отображения тонов задолго до цифровой фотографии. Манипуляции с пленкой и процесс проявки для рендеринга высококонтрастных сцен, особенно снятых при ярком солнечном свете, на бумаге для печати с относительно низким динамическим диапазоном, по сути, является формой отображения тонов, хотя обычно это не называется. Локальная настройка тональности при обработке пленки в основном выполняется с помощью осветления и затемнения, и это особенно рекомендуется и ассоциируется с Анселем Адамсом, как описано в его книге «Печать»; см. также его Система зон.

Обычный процесс компенсации экспозиции, осветления теней и изменения контраста, применяемый глобально к цифровым изображениям как часть профессионального или серьезного любительского рабочего процесса, также является формой тонального отображения..

Однако тональное отображение HDR, обычно с использованием местных операторов, становится все более популярным среди цифровых фотографов в качестве метода постобработки, когда несколько экспозиций с разной выдержкой объединяются для получения изображения HDR и оператора тонального отображения. затем применяется к результату. В настоящее время в Интернете имеется множество примеров цифровых изображений с локальным отображением тонов, которые неточно называют «фотографиями HDR», и они разного качества. Эта популярность частично обусловлена ​​характерным внешним видом изображений с локальным отображением тонов, которые многие люди находят привлекательными, а частично - желанием запечатлеть высококонтрастные сцены, которые трудно или невозможно сфотографировать с одной экспозицией, и которые могут даже не выглядеть привлекательно. когда их можно поймать. Хотя цифровые датчики на самом деле захватывают более высокий динамический диапазон, чем пленочные, они полностью теряют детализацию ярких участков, обрезают их до чисто белого цвета, что дает непривлекательный результат по сравнению с негативной пленкой, которая имеет тенденцию сохранять цвет и некоторые детали в светлых участках.

В некоторых случаях используется локальное отображение тонов, даже если динамический диапазон исходного изображения может быть зафиксирован на целевом носителе, либо для создания отличительного внешнего вида изображения с локальным отображением тонов, либо для получения более близкого изображения к художественному видению фотографом сцены, удаляя резкие контрасты, которые часто выглядят непривлекательно. В некоторых случаях изображения с отображением тона создаются из одной экспозиции, которая затем обрабатывается с помощью обычных инструментов обработки для создания входных данных для процесса создания изображения HDR. Это позволяет избежать артефактов, которые могут появиться при комбинировании различных экспозиций из-за движущихся объектов в сцене или дрожания камеры. Однако, когда тональное отображение применяется к одной экспозиции таким образом, промежуточное изображение имеет только нормальный динамический диапазон, а количество деталей в тени или светлых участках, которые могут быть визуализированы, - это только то, что было захвачено при исходной экспозиции.

Устройства отображения

Одной из первоначальных целей тонального отображения была возможность воспроизвести заданную сцену или изображение на устройстве отображения таким образом, чтобы восприятие яркости изображения для человека, наблюдающего близко соответствует ощущению яркости в реальном мире. Однако идеальное совпадение для этой проблемы невозможно, и поэтому выходное изображение на дисплее часто строится из компромисса между различными функциями изображения. Выбор между функциями часто зависит от необходимого приложения, и при наличии соответствующих показателей для приложения одним из возможных решений является рассмотрение проблемы как проблемы оптимизации.

Для этого метода сначала создаются модели для визуальной системы человека (HVS) и дисплея, а также простой оператор тонального отображения. Искажения контрастности взвешиваются в соответствии с их индивидуальной видимостью, аппроксимируемой HVS. С помощью этих моделей целевая функция, которая определяет градационную кривую, может быть создана и решена с помощью быстрого квадратичного решателя.

С добавлением фильтров этот метод также можно распространить на видео. Фильтры гарантируют, что быстрое изменение цветовой кривой между кадрами не будет заметным в конечном выходном изображении.

Пример процесса визуализации
Отображение тонов Изображение с расширенным динамическим диапазоном Пример, показывающий витражи в южной нише Old Saint Paul's, Wellington, Новая Зеландия. Шесть отдельных экспозиций, использованных для создания предыдущего изображения. На изображениях с низкой выдержкой комната темная и нечеткая, но детали окон видны. На изображениях с высокой экспозицией окна яркие и нечеткие, но детали комнаты видны.

Изображения справа показывают интерьер церкви, сцену, в которой изменение яркости намного больше, чем у той, что может отображаться на мониторе или записываться обычной камерой. Шесть отдельных экспозиций с камеры показывают сияние сцены в некотором диапазоне, преобразованном в диапазон яркости, который может отображаться на мониторе. Диапазон яркости, регистрируемой на каждой фотографии, ограничен, поэтому не все детали могут быть отображены сразу: например, детали темного церковного интерьера не могут отображаться одновременно с деталями яркого витража. К шести изображениям применяется алгоритм для воссоздания карты яркости с высоким динамическим диапазоном исходной сцены (изображение с высоким динамическим диапазоном ). В качестве альтернативы, некоторые высокопроизводительные бытовые и специализированные научные цифровые камеры могут записывать изображение с высоким динамическим диапазоном напрямую, например, с изображениями RAW.

В идеальном случае камера может измерять яркость напрямую и сохранять это в изображении HDR; однако большинство изображений с высоким динамическим диапазоном, создаваемых сегодня камерами, не откалиброваны и даже не пропорциональны яркости по практическим причинам, таким как стоимость и время, необходимые для измерения точных значений яркости - художникам часто достаточно использовать несколько экспозиций, чтобы получить " Изображение HDR », которое приблизительно соответствует истинному сигналу яркости.

Изображение с высоким динамическим диапазоном передается оператору тонального отображения, в данном случае локальному оператору, который преобразует изображение в изображение с низким динамическим диапазоном, подходящее для просмотра на мониторе. По сравнению с интерьером церкви, витраж отображается с гораздо меньшей яркостью, чем можно было бы получить при линейном сопоставлении яркости сцены и интенсивности пикселей. Однако эта неточность для восприятия менее важна, чем детализация изображения, которая теперь может отображаться как в окне, так и в интерьере церкви одновременно.

Техника локального отображения тонов при обработке изображений HDR часто дает ряд характерных эффектов в изображениях, таких как яркие ореолы вокруг темных объектов, темные ореолы вокруг ярких объектов, а иногда и «мультяшный» вид из-за чрезвычайно ярких цвета и отсутствие масштабных цветовых вариаций. Эти результаты вызваны применением геометрического пространственного искажения захваченного изображения вместе с искажением цветового пространства, в то время как только искажения цветового пространства являются эффектом отображения тонов, а все другие искажения представляют собой скорее настраиваемую технику фильтрации, чем любое отображение тона или цветового пространства. Таким образом, результаты локального тонального картирования часто оцениваются как искажающие природу документального фотографического изображения и далекие от фотографического реализма.

Не все изображения с тональной картой визуально различимы. Уменьшение динамического диапазона с помощью тонального отображения часто полезно в ярких, освещенных солнцем сценах, где разница в интенсивности между прямым освещением и тенью велика. В этих случаях общий контраст сцены уменьшается, но сохраняется локальный контраст, в то время как изображение в целом продолжает выглядеть естественно. Использование тональной карты в этом контексте может не быть очевидным из окончательного изображения:

  • Области прямого освещения и тени на Гранд-Каньоне

  • Ведро со свежесобранной вишней.jpg

  • Мультяшный вид

Тоновая карта также может создавать отличительные визуальные эффекты в финальном изображении. Например, видимый ореол вокруг башни на изображении ниже Корнельской школы права. Его можно использовать для создания этих эффектов, даже если динамический диапазон исходного изображения не особенно велик. Ореолы на изображениях возникают из-за того, что оператор локального отображения тонов осветляет области вокруг темных объектов, чтобы поддерживать локальный контраст в исходном изображении, что обманывает зрительную систему человека и заставляет воспринимать темные объекты как темные, даже если их фактическая яркость равна такая же, как у областей изображения, воспринимаемых как яркие. Обычно этот эффект неуловим, но если контрасты в исходном изображении слишком велики или фотограф намеренно устанавливает очень крутой градиент яркости, ореолы становятся видимыми.

Галерея
См. Также
Ссылки
  1. ^Ливингстон, М. 2002. «Видение и искусство: биология видения». Гарри Н. Абрамс
  2. ^Хант, Р. 2004. «Воспроизведение цвета в фотографии, печати и телевидении: 6-е издание». John Wiley Sons.
  3. ^Адамс, A. 1981. "Печать, серия фотографий Анселя Адамса 3." Нью-Йоркское графическое общество
  4. ^Лэнд, Э. Х., и Макканн, Дж. Дж. 1971. "Легкость и теория сетчатки глаза". Журнал Оптического общества Америки 61, 1, 1–11.
  5. ^Кейт Девлин, Алан Чалмерс, Александр Уилки, Вернер Пургатхофер. «Отчет STAR о воспроизведении тона и физическом спектральном воспроизведении» в Eurographics 2002. DOI : 10.1145 / 1073204.1073242
  6. ^Раанан Фаттал, Дани Лищински, Майкл Верман. «Сжатие с расширенным динамическим диапазоном в градиентной области»
  7. ^Рафал Мантюк, Кароль Мышковски, Ханс-Петер Зайдель. «Структура восприятия для контрастной обработки изображений с широким динамическим диапазоном»
  8. ^Алан Гилкрист. «Якорная теория восприятия легкости».
  9. ^Гжегож Кравчик, Кароль Мышковски, Ханс-Петер Зайдель. «Восприятие легкости при воспроизведении тона для изображений с широким динамическим диапазоном»
  10. ^Фэйрчайлд, М. Д., Джонсон, Г. М.: «Структура iCAM для внешнего вида, различий и качества изображений». J Electron. Imaging, 2004
  11. ^Сяо, Дж., Ли, В., Лю, Г., Шоу, С., и Чжан, Ю. (нет данных). Иерархическое отображение тонов на основе модели цветового оформления изображения. [12]
  12. ^Мантюк, Р., Дейли, С., и Керофски, Л. (нет данных). Отображение адаптивного тонального отображения. http://resources.mpi-inf.mpg.de/hdr/datmo/mantiuk08datm.pdf
  13. ^https://web.archive.org/web/20150206044300/http://docs.opencv.org /trunk/doc/tutorials/photo/hdr_imaging/hdr_imaging.html
  14. ^Durand и Джули Дорси, «Быстрая двусторонняя фильтрация для отображения изображений с широким динамическим диапазоном». Транзакции ACM на графике, 2002, 21, 3, 257 - 266. https://people.csail.mit.edu/fredo/PUBLI/Siggrapdiv class="ht"002/DurandBateral.pdf
  1. ^G. Цю и др., «Отображение тона для изображения HDR с использованием оптимизации - новое решение в закрытой форме», Proc. ICPR 2006, 18-я Международная конференция по распознаванию образов, том 1, стр.996-999
  2. ^Рейнхард, Эрик (2002). «Фотографическое воспроизведение тона цифровых изображений» (PDF). Транзакции ACM на графике. 21 (3): 267–276. doi : 10.1145 / 566654.566575.
Внешние ссылки
Викискладе есть медиафайлы, связанные с HDR-изображениями с тональным отображением.

Алгоритмы отображения тонов

Последняя правка сделана 2021-06-11 06:40:04
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте