高動態(tài)范圍(HDR)影像技術(shù)應(yīng)用概述

1、高動態(tài)范圍（HDR）影像技術(shù)應(yīng)用概述HDR介紹高動態(tài)范圍（High-DynamicRange，高動態(tài)范圍）HDR是對同一場景采用不同的曝光值進(jìn)行采樣，融合成局部自適應(yīng)曝光的高動態(tài)范圍圖像。比起普通圖像，它所能表現(xiàn)的畫面層次更加豐富，場景中的高亮度區(qū)和低亮度區(qū)的細(xì)節(jié)信息都能很好的保留下來，可以得到更加逼近現(xiàn)實的光影效果。高動態(tài)范圍圖像在影像制作、虛擬現(xiàn)實、遙感探測、醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟮膽?yīng)用價值1-2。近年隨著影像技術(shù)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求，諸多企業(yè)和研究學(xué)者都在為高動態(tài)范圍圖像的技術(shù)發(fā)展做出自己的努力。而對于HDR影像技術(shù)的研究，國外的科研機(jī)構(gòu)主要針對硬件技術(shù)和軟件實現(xiàn)方面，國內(nèi)研究學(xué)者則主要集中在

2、HDR的應(yīng)用研究方面。HDR應(yīng)用現(xiàn)狀影像制作領(lǐng)域高動態(tài)范圍成像技術(shù)自20世紀(jì)30至40年代由美國攝影師查爾斯威科夫首先提出，在20世紀(jì)晚期由美國南加州大學(xué)PaulDebevec博士公開提出了組合多個不同曝光量影像以生成HDR影像的技術(shù)，縱使感光器件或者膠片的寬容度有限，卻仍然能夠通過多次成像來得到高動態(tài)范圍的影像。富士、尼康、佳能、賓得以及索尼等公司近年也都大力發(fā)展HDR技術(shù)，努力改進(jìn)CCD的生產(chǎn)技術(shù)，解決HDR功能內(nèi)置時，由于提高相機(jī)感光度，而產(chǎn)生的噪點增多等諸多問題。在HDR連續(xù)影像記錄方面，SovietMontage2010年前首次提出雙機(jī)同步拍攝方案使用2臺5DII單反照相機(jī)，用個分光

3、棱鏡把影像分成兩個并分別進(jìn)入兩個相機(jī)，使不同位置的相機(jī)沒有視差，以獲取HDR的視頻短片，該方案主要針對穩(wěn)定畫面拍攝，以確保畫面像素的重合效果。RED公司HDRx技術(shù)，同時獲取正常曝光”和“高光保護(hù)”即過曝光兩幅畫面來達(dá)到HDR效果。越來越多的商家都在致力于HDR的商業(yè)化應(yīng)用，大家都在期待著值得推廣的技術(shù)方案出爐，屆時攝影、攝像等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也許將會發(fā)生重大的變革。2015年美國CES國際消費(fèi)電子展會，在這個世界最大、影響最為廣泛的消費(fèi)技術(shù)產(chǎn)業(yè)盛會上，在圖像拍攝領(lǐng)域被熟知的高動態(tài)范圍（HDR）技術(shù)，也開悄然地開始被電視所采用。HDR電視的最高亮度可達(dá)1000尼特，這使得場景色彩更加生動，畫面更

4、加清晰，影像效果更加真實。這項技術(shù)的應(yīng)用被認(rèn)為有可能會引發(fā)電視領(lǐng)域的一次新的變革。陳軍研究了視頻應(yīng)用前沿技術(shù)達(dá)芬奇平臺的程序開發(fā)過程，針對基于達(dá)芬奇的HDR圖像合成進(jìn)行了探討，開發(fā)基于RGB和YUV色彩空間的HDR圖像處理算法仿真程序，并對高動態(tài)范圍圖像處理算法在達(dá)芬奇平臺上如何進(jìn)行移植，進(jìn)行了方案設(shè)計和嘗試，該研究工作為高動態(tài)范圍圖像在達(dá)芬奇平臺上的應(yīng)用提供了有價值的參考。虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域曾珂等提出了改進(jìn)的虛擬環(huán)境實HDR光照工作流及相關(guān)模型，通過對實時光照渲染中的HDR光照渲染技術(shù)及實時陰影渲染中的高復(fù)雜度大規(guī)模陰影區(qū)域虛擬環(huán)境實時陰影渲染技術(shù)的相關(guān)研究和實現(xiàn)，來提高虛擬世界對真實場景模擬的逼

5、真程度。趙磊提出了一種基于動態(tài)HDR背景下的透明物體渲染方法，在互動虛擬展示系統(tǒng)中展現(xiàn)了實時觀看復(fù)雜產(chǎn)品外觀、內(nèi)飾在動態(tài)真實HDR背景光照下材質(zhì)光影特性變化的功能，為虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域中針對復(fù)雜對象的真實感和實時性呈現(xiàn)問題提供了一種可借鑒的解決方案。李可嘉定義了9個用來渲染HDR效果的獨立的紋理渲染目標(biāo)對象來實現(xiàn)HDR算法，并將其配置好的合成器腳本運(yùn)用到大規(guī)模海洋實時渲染技術(shù)研究中，運(yùn)用HDR技術(shù)來提升海洋渲染的真實感。丁穎浩在軌道無人機(jī)三維視景仿真技術(shù)研究中為了避免在標(biāo)準(zhǔn)光照流程計算下產(chǎn)生的結(jié)果會受到軌道空間環(huán)境劇烈變化亮度影響而發(fā)生失真，而利用帶有色調(diào)映射算法的高動態(tài)范圍光照(HDRToneMa

6、pping)來達(dá)到接近真實的光照效果，有效地提高了軌道無人機(jī)視景仿真畫面的真實感11-12。趙再騫通過HDR技術(shù)渲染交會對接電視仿真圖像，對各像素點的亮度值進(jìn)行重新分配來突出圖像的細(xì)節(jié)，以此來提高決定航天員完成實際太空飛行任務(wù)的熟練度與精準(zhǔn)度的仿真圖像質(zhì)量，使載人手控交會對接任務(wù)完成的更加順利。遙感探測領(lǐng)域李山山等為了獲取更加接近真實景物的遙感影像，對亮度范圍高于普通遙感圖的高位動態(tài)影像(HighDynamicRangeImages，HDR)進(jìn)行了重點研究，提出了基于分段線性變換(PLT)的算法，使極暗區(qū)域和極亮區(qū)域得到有效擴(kuò)展，盡量多的捕獲符合原始地物特點的細(xì)節(jié)紋理，使圖像的整體質(zhì)量得到明顯

7、得提高。王華針對近年來開始應(yīng)用于軍事和空間探測等領(lǐng)域的CMOS圖像傳感器的HDR技術(shù)的工程實現(xiàn)方法進(jìn)行了研究，對于集成度高，功耗低，抗輻射能力強(qiáng)，但動態(tài)范圍不高的CMOS圖像傳感器，在HDR模式下，將圖像傳感器的每個像素進(jìn)行三次不同時間的曝光，后再進(jìn)行合成輸出，以獲取高動態(tài)的影像，對提高CMOS圖像傳感器在探測等領(lǐng)域的使用價值具有重要意義。張春華等結(jié)合使用專用相機(jī)拍攝的高動態(tài)范圍HDR的星空觀測圖像的特性，提出基于局部直方圖Gauss擬合的方法進(jìn)行星圖背景參數(shù)估計，提出基于最優(yōu)Gamma變換的弱小目標(biāo)增強(qiáng)算法進(jìn)行高亮恒星灰度動態(tài)范圍的壓縮和星圖中空間弱小目標(biāo)成像對比度的增加，以降低HDR星空觀

8、測圖像中恒星成像對空間目標(biāo)檢測的干擾18-19。醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域在現(xiàn)實環(huán)境場景中存在很寬的動態(tài)范圍，普通照片所能記錄的范圍是有限的，有些細(xì)節(jié)會被淹沒掉，使照片所呈現(xiàn)的影像效果與真實感知存在一定差異，那么，在醫(yī)療影像的成像系統(tǒng)中也會存在同樣的問題，在保證整體最優(yōu)化的狀態(tài)下，有些細(xì)節(jié)可能就很難得保障了。試將HDR的高動態(tài)范圍優(yōu)勢，遷移至醫(yī)學(xué)影像的獲取中，來提高醫(yī)學(xué)成像的質(zhì)量，提高對疾病檢測的準(zhǔn)確性。羅年提出利用痰涂片連續(xù)視野進(jìn)行結(jié)核菌的動態(tài)智能檢測，重點對顯微圖像動態(tài)范圍擴(kuò)展與其中結(jié)核菌目標(biāo)的提取進(jìn)行了研究，通過改變圖像獲取設(shè)備的曝光度的方法，獲取結(jié)核菌不同細(xì)節(jié)的圖像，再進(jìn)行圖像的融合，即獲取比一般圖

9、像具有更寬動態(tài)范圍的HDR結(jié)核菌數(shù)字圖像，將人眼所無法感知的結(jié)核菌也提取出來，提高了檢測的準(zhǔn)確性21-25。吳云飛在對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的高清體繪制研究中，提出了一種基于特征分析的局部特征加強(qiáng)體繪制方法，對體數(shù)據(jù)進(jìn)行局部特征分析和局部特征加強(qiáng)繪制進(jìn)行兩個過程的處理，對采樣光線上大部分的特征區(qū)域執(zhí)行加強(qiáng)累積，使最終的累積顏色值處于一個高動態(tài)范圍(HighDynamicRang，HDR)，并基于自適應(yīng)等方法來完成高動態(tài)范圍圖像的正常顯示，實現(xiàn)對體數(shù)據(jù)的快速高質(zhì)量特征繪制。邊青山等根據(jù)膝骨性關(guān)節(jié)炎病灶點斷面圖像數(shù)據(jù)運(yùn)用計算機(jī)圖像重建技術(shù)將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字模型，進(jìn)行膝部經(jīng)筋循行區(qū)域、病灶點及經(jīng)筋的三維

10、可視化影像研究。研究中使用含有的高對比光照信的HDR圖像來代替虛擬燈光效果，來提升渲染圖像的對比度，增強(qiáng)影像的真實感。該研究為中醫(yī)學(xué)科診斷病情實現(xiàn)三維診斷分析、為中醫(yī)學(xué)科臨床治療方法選擇提供了科學(xué)依據(jù)。劉賓從系統(tǒng)控制設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、圖像融合及顯示方面展開高動態(tài)范圍X射線成像檢測技術(shù)的研究，以線性遞變高壓射線源控制配合探測器曝光時間間隔的調(diào)整，來自動獲取不同管電壓間隔的透照圖像序列；利用相鄰管電壓間隔圖像對應(yīng)厚度重復(fù)率約束的思想對原始透照數(shù)據(jù)進(jìn)行二次抽樣，提取不同厚度區(qū)域?qū)?yīng)的有效信息；再通過一系列運(yùn)算處理后，最終獲得融合后的高動態(tài)范圍圖像，對不同材質(zhì)、厚度分布的大厚度比物體均具有較強(qiáng)的適用性。

11、該方法一定程度上改善了X射線數(shù)字成像在檢測大厚度比物體時，由于傳統(tǒng)固定管電壓成像模式出現(xiàn)過曝光和欠曝光共存現(xiàn)象而導(dǎo)致圖像中數(shù)據(jù)信息嚴(yán)重缺失，結(jié)構(gòu)信息無法完整再現(xiàn)的問題30-31。其他領(lǐng)域何海冉對紅外圖像發(fā)展的新方向高動態(tài)紅外圖像(HighDynamicRangeInfraredImages)進(jìn)行了研究，基于線性映射方法對高動態(tài)紅外圖像進(jìn)行可視化后圖像細(xì)節(jié)的增強(qiáng)33-34，利用CLAHE算法35-36對有大尺度變化信息特點的基礎(chǔ)層進(jìn)行增強(qiáng)處理，利用Gamma算法對變化不明顯的細(xì)節(jié)層進(jìn)行像素的非線性的調(diào)整37-38來達(dá)到增強(qiáng)的目的。戴價在多臺投影機(jī)無縫拼接校正中減弱和消除多臺投影機(jī)由于亮度疊加后所產(chǎn)生的亮度差異的亮度校正中，采用了基于相機(jī)HDR(HighDynamicRange，HDR)的方法先求出相機(jī)的亮度響應(yīng)曲線，再以相機(jī)的亮度響應(yīng)曲線為基礎(chǔ)，使相機(jī)的輸入為投影機(jī)的輸出，從而間接求得投影機(jī)的亮度響應(yīng)曲線，這種方法縮減了求出投影機(jī)亮度曲線的時間需求和價格需求，而得出的亮度曲線測量與直接使用照度計比較，結(jié)果相差在10%以內(nèi)。楊中東提出基于高動態(tài)(HighDynamicRange,HDR)成像的三維視覺測量系統(tǒng)，來提高激光掃描三維視覺測量的精確度，在光學(xué)空間實現(xiàn)對三維視覺測量成像系統(tǒng)的高動態(tài)成像擴(kuò)展，采用HDR圖像作為三維視覺測量系統(tǒng)圖像處理軟件的輸入進(jìn)行坐標(biāo)位置的解算