Отображение тонов

Изображение с тональным картированием в высоком динамическом диапазоне (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 приближения внешнего вида изображений с высоким динамическим диапазоном на носителе, который имеет более ограниченный динамический диапазон . Распечатки , ЭЛТ- или ЖК- 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 из-за яркости сцены. отображаемому диапазону, сохраняя детали изображения и внешний вид цвета, важные для оценки исходного содержимого сцены.

Фон [ править ]

Внедрение пленочной фотографии создало проблемы, поскольку захватить огромный динамический диапазон освещения из реального мира на химически ограниченном негативе 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 ^[1] . Появление системы зон, который основывает экспозицию на желаемых тонах тени наряду с изменением продолжительности времени, проведенного в химическом проявителе (таким образом, управляя тонами светлых участков), расширил тональный диапазон черно-белой (а позже и цветной) негативной пленки от исходного диапазона примерно семи останавливается примерно до десяти. Фотографы также использовали осветление и затемнение, чтобы преодолеть ограничения процесса печати ^[2] .

Появление цифровой фотографии дало надежду на лучшее решение этой проблемы. Одним из первых алгоритмов, использованных Лэндом и Макканном в 1971 году, был Retinex, вдохновленный теориями восприятия легкости ^[3]. 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 достаточно сопоставить 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 [ править ]

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 воспроизвести полный диапазон значений яркости.

В последние годы были разработаны различные операторы тонального отображения. ^{[4] 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 изображения отображается таким же образом, независимо от значения окружающих пикселей в изображении. Эти методы просты и быстры ^[1] (поскольку они могут быть реализованы с помощью справочных таблиц ), но они могут вызвать потерю контраста. Примерами общих методов глобального отображения тонов являются уменьшение контрастности и инверсия цвета .
• локальные (или пространственно изменяющиеся ) операторы: параметры нелинейной функции изменяются в каждом пикселе в соответствии с функциями, 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, поскольку человеческое зрение в основном чувствительно к локальному контрасту.

Простой пример глобального фильтра отображения тонов - это где V _in - это яркость исходного пикселя, а V _out - это яркость отфильтрованного пикселя. ^[2] Эта функция сопоставляет яркость V _в домене с отображаемым выходным диапазоном. В то время как этот фильтр обеспечивает приличный контраст для частей изображения с низкой яркостью (особенно, когда V _in <1 ), частей изображения с более высокой яркость будет становиться все более контрастной по мере того, как яркость отфильтрованного изображения достигает 1.${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = {\ frac {V _ {\ text {in}}} {V _ {\ text {in}} + 1}},}$${\ displaystyle [0, \ infty)}$${\ displaystyle [0,1).}$

, Возможно , более полезным метод глобального тонального отображения является гамма - сжатия , который имеет фильтр , где > 0 и 0 < γ <1 . Эта функция преобразует яркость V _в области в выходной диапазон. Γ регулирует контраст изображения; меньшее значение для меньшей контрастности. В то время как более низкая константа γ дает более низкий контраст и, возможно, также более тусклое изображение, она увеличивает экспозицию недоэкспонированных частей изображения и в то же время, если A <1 , она может уменьшить экспозицию передержанных частей изображения в достаточной степени, чтобы предотвратить их передержку.${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A \, V _ {\ text {in}} ^ {\ gamma},}$${\ displaystyle [0, A ^ {- 1 / \ gamma}]}$${\ displaystyle [0,1].}$

Еще более сложная группа алгоритмов отображения тонов основана на методах контрастной или градиентной области , которые являются «локальными». Такие операторы концентрируются на сохранении контраста между соседними регионами, а не на абсолютном значении, 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 может, как побочный эффект, вызывать свечение, подобное ореолу, вокруг темных объектов. Примеры таких методов тонального отображения включают: сжатие с высоким динамическим диапазоном в градиентной области ^[5]и Перцепционная структура для контрастной обработки изображений с широким динамическим диапазоном ^[6] (тональное отображение является одним из приложений этой структуры).

Другой подход к отображению тонов HDR-изображений основан на теории привязки восприятия легкости . ^[7] 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. Ключевая концепция этого метода тонального отображения (Восприятие легкости при воспроизведении тона ^[8]) представляет собой разложение HDR-изображения на области (рамки) постоянного освещения и локальный расчет значений яркости. Чистая легкость изображения рассчитывается путем объединения 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 из-за линейной обработки яркости.

Одна простая форма тонального отображения берет стандартное изображение (не HDR - динамический диапазон уже сжат) и применяет нерезкое маскирование с большим радиусом, которое увеличивает локальный контраст, а не резкость. См. Подробности в разделе « Нерезкое маскирование: локальное усиление контраста» .

Одним из часто используемых алгоритмов отображения тонов является iCAM06, который основан как на модели внешнего вида цвета, так и на иерархическом отображении. ^[9] 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 ^[10]для этого предусмотрена оптимизация производительности фильтра. Базовый слой изображения также преобразуется в пространство RGB для сжатия тона. Этот метод также позволяет в большей степени регулировать выходной сигнал и улучшать насыщенность, что делает его менее затратным в вычислениях и лучше снижает общий эффект ореола.

Цифровая фотография [ править ]

Формы тонального картографирования 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 регулировка тональности при обработке пленки в первую очередь осуществляется с помощью осветления и прожигания , и это особенно поддерживается и ассоциируется с Анселем Адамсом , как описано в его книге «Печать»; см. также его Систему Зон .

Обычный процесс компенсации экспозиции , осветления теней и изменения контраста, применяемый к цифровым изображениям в глобальном масштабе в рамках профессионального или серьезного любительского рабочего процесса, также является формой отображения тонов.

Однако тональное отображение HDR, обычно используемое местными операторами,становится все более популярным среди цифровых фотографов как метод постобработки, когда несколько экспозиций с разной выдержкой комбинируются для получения изображения HDR, а затем к результату применяется оператор тонального отображения. В настоящее время в Интернете есть много 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 широкий динамический диапазон, чем пленочные, они полностью теряют детализацию в самых ярких областяхобрезка 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 создания изображения, более близкого к художественному видению фотографа. сцену, удалив 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 тональная карта применяется к одной экспозиции таким образом, промежуточное изображение имеет только нормальный динамический диапазон,а количество деталей в тенях или светлых участках, которые могут быть отображены, - это только то, что было зафиксировано при исходной экспозиции.

Устройства отображения [ править ]

Одна из первоначальных целей тонального отображения заключалась в том, чтобы иметь возможность воспроизвести данную сцену или изображение на устройстве отображения таким образом, чтобы восприятие яркости изображения для человека-зрителя близко соответствовало ощущению яркости в реальном мире. Однако идеальное совпадение для этой проблемы невозможно, и поэтому выходное изображение на дисплее часто строится на основе компромисса между различными функциями изображения. Выбор между функциями часто основывается на необходимом приложении, и при наличии соответствующих показателей для приложения одним из возможных решений является рассмотрение проблемы как проблемы оптимизации ^[11] .

Для этого метода сначала создаются модели 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 кривой тонов между кадрами не будет заметным в конечном выходном изображении.

Пример процесса визуализации [ править ]

Изображения справа показывают интерьер церкви, сцену, яркость которой намного больше, чем та, которую можно отобразить на мониторе или записать с помощью обычной камеры. Шесть отдельных экспозиций с камеры показывают яркость сцены в некотором диапазоне, преобразованном в диапазон яркости, который может отображаться на мониторе. Диапазон яркости, записываемой 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 высококачественные бытовые и специализированные научные цифровые камеры могут напрямую записывать изображение с высоким динамическим диапазоном, например, с изображениями RAW .

В идеальном случае камера может измерять яркость напрямую и сохранять ее в HDR-изображении; однако большинство изображений с высоким динамическим диапазоном, создаваемых сегодня камерами, не откалиброваны или даже не пропорциональны яркости из-за практических причин, таких как стоимость и время, необходимые для измерения точных значений яркости - художникам часто достаточно использовать несколько экспозиций, чтобы получить " HDR-изображение », 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 цветов и отсутствия крупных цветов. шкала 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 рассматриваются 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:

• Районы прямого освещения и тени на Гранд-Каньоне

• Мультяшный внешний вид

Отображение тонов также может дать отличительные визуальные эффекты в окончательном изображении, такие как видимый ореол вокруг башни на изображении Корнельской школы права ниже. 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 человеческую зрительную систему, заставляя 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 очень велики или фотограф намеренно устанавливает очень крутой градиент яркости, ореолы становятся видимыми.

Галерея [ править ]

• Пример отображения тонов HDR

• 5 тональная карта экспозиции острова Тиберина в Риме .

• Изображение сцены на станции Ниппори с 3 экспозицией (-2,0, + 2) тональной картографией .

• HDR-изображение с Тауэрского моста в Лондоне, тонированное с 5 экспозиций.

• HDR-изображение собора Святого Павла в Лондоне, тонированное с 9-ти экспозиций.

• Составное изображение с тональной картой башни Корнельской школы права в Итаке, Нью-Йорк .

См. Также [ править ]

• Цветной перевод
• Гамма-коррекция
• Воспроизведение тона

Ссылки [ править ]

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». Джон Вили и сыновья.
3. ^ Адамс, A. 1981. "Печать, серия фотографий Анселя Адамса 3." Нью-Йоркское графическое общество
4. ^ Land, EH, и McCann, JJ 1971. "Легкость и теория сетчатки". 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» вEurographics2002.DOI:10.1145 / 1073204.1073242
6. ^ Raanan Фаттал, Дани Lischinski, Майкл Верман. «Сжатие с расширенным динамическим диапазоном в градиентной области»
7. ^ Рафал Mantiuk, Karol Myszkowski, Hans-Peter Зайдель. «Перцепционная структура для контрастной обработки изображений с широким динамическим диапазоном»
8. ^ Алан Гилкрист. «Якорная теория восприятия легкости».
9. ^ Гжегож Кравчик, Кароль Мышковски, Ганс-Петер Зайдель. «Восприятие легкости при воспроизведении тона для изображений с расширенным динамическим диапазоном»
10. ^ Fairchild, MD, Johnson, GM: «Структура iCAM для внешнего вида, различий и качества изображений». J Electron. Imaging, 2004 г.
11. ^ Сяо, Дж., Ли, В., Лю, Г., Шоу, С., и Чжан, Ю. (nd). Иерархическое отображение тонов на основе цветовой модели внешнего вида изображения. [12]
12. ^ Mantiuk, Р., Дейли, С., & Kerofsky, Л. (й). 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. ^ Дюран иДжули Дорси, «Быстрая двусторонняя фильтрация для отображения изображений с высоким динамическим диапазоном». Транзакции ACM по графике, 2002, 21, 3, 257 - 266.https://people.csail.mit.edu/fredo/PUBLI/Siggraph2002/DurandBateral.pdf

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме HDR-изображения с тональной картой .

• CVLTonemap: отображение тонов с ускорением на GPU
• HDR Темная комната
• pfstmo: реализация операторов тонального отображения
• exrtools: набор утилит для работы с изображениями OpenEXR (включает некоторые операторы отображения тонов)
• pfstools - это набор программ командной строки с открытым исходным кодом для чтения, записи и управления изображениями и видеокадрами с высоким динамическим диапазоном (HDR).
• Luminance HDR / QtPfsGui - это бесплатное программное обеспечение для рабочего процесса HDR (с открытым исходным кодом) для Linux, Windows и Mac OS X, основанное на пакете pfstools.
• LDR tonemapping - это бесплатный (с открытым исходным кодом) преобразователь тона для изображений с низким динамическим диапазоном (также известный как «псевдо-HDR»).
• Atlas - это бесплатный перенос операторов тонального отображения pfstmo (с открытым исходным кодом) на Adobe After Effects.
• Flickr HDR pool , коллекция сюрреалистических сопоставлений тонов
• Документ Калифорнийского университета в Беркли с необработанными данными для эффекта Пуркинье
• Застрял в таможне , обширное руководство по созданию изображений HDR

Алгоритмы отображения тонов [ править ]

• Тоновая карта на основе восприятия для условий низкой освещенности
• Воспроизведение фотографического тона для цифровых изображений
• Восприятие легкости при воспроизведении тона для изображений с расширенным динамическим диапазоном
• Контрастная обработка изображений с расширенным динамическим диапазоном
• Быстрая двусторонняя фильтрация для отображения изображений с расширенным динамическим диапазоном
• Быстрое приближение двустороннего фильтра с использованием подхода обработки сигналов
• Сжатие с расширенным динамическим диапазоном в градиентной области