Detail enhancement for high-dynamic-range infrared images based onguided image filter 阅读笔记

本文提出了一种新的图像增强方法,利用引导滤波器分离背景层和细节层,通过改进的直方图投影压缩背景层,使用增益掩模增强细节,有效减少噪声并避免梯度反转。该算法具有快速计算和伪影少的优点,适用于高动态范围图像处理。

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摘要

  • 采用引导滤波器分离细节层和背景层,利用改进的直方图投影方式将背景层压缩到8bit,利用滤波器加权系数的增益掩模增强细节分量,然后将两部分进行重组。

1 介绍

  • 考虑到显示器的显示范围以及人眼的视觉只能区分128个灰度级,因此需要进行动态范围压缩。
  • 常用的图像增强技术:
    (1)gama校正
    (2)AGC(简单,去除极值线性量化)
    (3)HE(非线性映射,但增强噪声,丢失细节,均匀区域被冲刷?)
    (4)HE衍生:
    • 全局直方图global HE(GHE),可通过调整参数抑制均匀区域的增强,包括:平台直方图(PHE),亮度保持直方图(BPBHE)
    • 局部直方图local HE(LHE),可使得局部区域表现由于GHE,但是计算量非常大,包括局部直方图均衡化AHE(严重的噪声),对比度限制AHE:CLAHE,虽然改善了AHE的缺点,但是仍然有计算量大的问题。
    • 考虑到基于直方图的量化方法都只用到了直方图信息,显然不能很好地增强细节。
  • 为了增强细节
    (1)The balanced CLAHE andcontrast enhancement (BCCE)
    (2)the bilateral filterand dynamic range partitioning (BF&DRP):需要仔细调整参数以适应不同的场景,根据此提出了(BF&DDE)算法,具有明显的细节增强能力。梯度反转带来的伪影,高计算复杂度。
  • 本文提出基于引导滤波器的细节增强方案
    (1)快速,计算
高动态范围成像(High Dynamic Range Imaging,HDRI)在图像增强方面有重要应用。 ### 原理 高动态范围成像通过将不同曝光度的图像进行融合,以捕捉场景中更广泛的亮度范围。在现实场景中,亮度的变化范围可能非常大,普通的成像设备(如相机)由于其动态范围有限,无法同时记录场景中最亮和最暗部分的细节。而HDRI技术通过拍摄同一场景的多张不同曝光的图像,然后将这些图像进行合成,从而生成一张具有更宽动态范围的图像。例如,一张曝光不足的图像可以捕捉到场景中亮部的细节,而一张曝光过度的图像可以捕捉到暗部的细节,将它们融合后就能得到一张亮部和暗部细节都丰富的图像 [^1]。 ### 实现步骤 1. **图像采集**:使用相机拍摄同一场景的多张不同曝光的图像。通常,这些图像的曝光时间会按照一定的间隔进行设置,例如以1EV(曝光值)为间隔拍摄3 - 5张图像。 2. **图像对齐**:由于拍摄过程中可能存在相机的轻微抖动,导致不同曝光图像之间存在位置偏差,因此需要对这些图像进行对齐处理,以确保它们在合成时能够准确地对应。 3. **权重计算**:为每张图像的每个像素分配一个权重,该权重表示该像素在合成图像中的贡献程度。一般来说,曝光合适的像素权重较高,而曝光过度或不足的像素权重较低。 4. **图像融合**:根据计算得到的权重,将不同曝光的图像进行融合,生成一张高动态范围的图像。 5. **色调映射**:由于显示设备的动态范围通常有限,无法直接显示高动态范围的图像,因此需要进行色调映射处理,将高动态范围的图像转换为低动态范围的图像,以便在普通的显示设备上显示。 ### 代码示例(Python + OpenCV) ```python import cv2 import numpy as np # 读取不同曝光的图像 img1 = cv2.imread('underexposed.jpg') img2 = cv2.imread('normal_exposed.jpg') img3 = cv2.imread('overexposed.jpg') # 创建一个HDR合成器 merge_mertens = cv2.createMergeMertens() # 合成HDR图像 hdr = merge_mertens.process([img1, img2, img3]) # 色调映射 tonemap = cv2.createTonemap(gamma=2.2) ldr = tonemap.process(hdr) # 显示结果 cv2.imshow('HDR Image', ldr) cv2.waitKey(0) cv2.destroyAllWindows() ``` ### 应用场景 - **摄影**:在风景摄影、建筑摄影等领域,HDRI可以使照片的亮部不过曝,暗部不欠曝,增强图像的视觉效果。 - **计算机图形学**:在游戏、动画等领域,HDRI可以用于创建更逼真的光照效果,提高场景的真实感。 - **医学成像**:在医学图像中,HDRI可以增强图像的对比度,帮助医生更清晰地观察病变部位。 ### 优势和挑战 - **优势**:能够显著增强图像的动态范围,使图像的亮部和暗部细节都更加丰富,提高图像的视觉质量。 - **挑战**:图像采集过程相对复杂,需要拍摄多张不同曝光的图像;合成过程中可能会出现光晕、伪影等问题,需要进行复杂的处理来解决;色调映射算法的选择也会影响最终图像的效果,不同的算法可能会产生不同的视觉风格。
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