高动态范围图像编码及光照技术研究

摘要

由于高动态范围(high dynamic range，HDR)图像在视觉效果上的优秀表现，给计算机图形学相关领域带来翻天覆地的变化。随着计算机图形学的发展，HDR技术的应用将越来越盛行，但目前市面上大多数显示设备只能用于显示低动态范围(lowdynamic range，LDR)图像，因此，设计一种兼容高动态范围图像与低动态范围图像的方法显得尤为重要。本文的第一个任务就是提出一种HDR图像的兼容性编码方法，一方面使得HDR图像的色调映射格式能在传统显示器上读取显示，同时将HDR信息隐藏在LDR图像的头文件中;另一方面可以通过反色调映射(inverse tonemapping operator，iTMO)，并借助LDR图像的头文件信息来恢复HDR图像。当应用只针对LDR图像时，只需提取文件中的一部分即可显示色调映射后的图像，当应用针对HDR图像时，对储存的文件进行反色调映射变换即可。
　　本文兼容性编码模型中，一个关键步骤是反色调映射算法的设计。反色调映射变换用于将LDR图像转换为HDR图像，本文提出一种基于频域分离的反色调映射算法，目的是保留图像的细节及局部对比度。频域分离通过双边滤波器实现，随后低频域部分图像执行线性扩展和能量增强运算，最后与图像的高频域部分合并，生成HDR图像。实验证明，本文提出的算法优于许多其他算法。
　　基于图像的光照(image based lighting，IBL)技术帮助人们将计算机生成的3D物体整合到真实场景中，IBL技术运用HDR图像作为光源，是HDR技术的一个重要应用领域。传统的IBL模型较为简单，难以达到理想的渲染效果，这是因为传统的IBL技术很少考虑从计算机合成体投射到环境的阴影及反射光线。因此，本文的另一个任务是改进传统的IBL技术，将计算机合成体与周围环境的相互影响考虑到全局光照模型中，该思路可以通过为计算机合成体构造支撑面来实现，合成体的阴影及反射光线将通过支撑面来展现。改进的基于HDR图像的光照技术还可以依个人喜好，通过纹理移植的方法来轻微改动背景图像。可以将生成的纹理储存在纹理库，需要时将其移植到目标区域表面。本文改进的IBL技术能产生逼真的视觉效果。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 HDR技术研究现状及分析

1．2．1 图像色调映射及反色调映射变换研究

1．2．2 HDR图像编码技术研究

1．2．3 基于HDR图像的光照技术研究

1．2．4 HDR技术在国内的发展现状

1．3 本课题研究内容

第二章 HDR图像技术原理

2．1 人类视觉系统

2．2 HDR图像基本概念

2．3 HDR图像的获取方式

2．3．1 多幅LDR图像合成HDR图像

2．3．2 摄像机拍摄HDR图像

2．3．3 通过渲染技术获取HDR图像

2．3．4 反色调映射算法生成HDR图像

2．4 HDR图像的储存格式

2．4．1 Randiance RGBE编码格式

2．4．2 Tiff编码格式

2．4．3 JEPG-HDR编码格式

2．5 HDR图像的显示

2．6 HDR技术应用领域

2．7 本章小结

第三章 HDR图像的色调映射及反色调映射变换

3．1 HDR图像的色调映射变换

3．1．1 色调映射全局算法

3．1．2 色调映射局部算法

3．1．3 基于频域的色调映射算子

3．1．4 基于图像分割的色调映射算子

3．2 HDR图像的反色调映射变换

3．2．1 反色调映射变换全局算子

3．2．2 反色调映射变换分类算子

3．2．3 基于映射模板的扩展模型

3．3 改进的基于频域的反色调映射变换

3．3．1 基于频域的反色调映射变换技术路线

3．3．2 测试基于频域的反色调映射变换

3．4 本章小结

第四章 兼容LDR图像的HDR编码技术

4．1 兼容LDR图像的HDR编码技术框架

4．2 编码过程

4．2．1 选取色调映射模型及反色调映射模型

4．2．2 处理冗余信息并压缩图像

4．3 解码过程

4．4 测试兼容LDR图像的HDR编码模型

4．5 本章小结

第五章 基于HDR图像的光照技术

5．1 IBL技术模型

5．2 获取HDR全景光照图

5．3 环境贴图格式

5．3．1 角贴图

5．3．2 立方体环境贴图

5．3．3 经纬度环境贴图

5．4 提取光源

5．4．1 光源的分类

5．4．2 从HDR环境贴图获取光照信息

5．5 构造全局光照环境

5．6 改进基于HDR图像的光照技术

5．6．1 基于HDR图像的光照技术改进模型

5．6．2 验证改进的基于HDR图像的光照模型

5．7 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢