一種基于視覺系統(tǒng)的寬動(dòng)態(tài)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，特指一種基于視覺系統(tǒng)的寬動(dòng)態(tài)處理方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是亮度變化范圍非常大的情況下讓攝像機(jī)看清影像的一種技術(shù)。當(dāng)我 們用攝像機(jī)對同時(shí)包括高亮區(qū)域和背光區(qū)域的場景進(jìn)行取景時(shí)，輸出圖像在高亮區(qū)域由于 曝光過度成為一片白色，而在陰暗區(qū)域因曝光不足成為一片黑色，從而無法看清這些區(qū)域 的景象使圖像質(zhì)量完全無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。造成這種現(xiàn)象的原因在于普通攝像機(jī)的 成像缺陷，也就是通常所講的動(dòng)態(tài)范圍不足。而寬動(dòng)態(tài)技術(shù)由于能夠覆蓋更寬的動(dòng)態(tài)范圍， 有效提高光線變化范圍大的場景的成像質(zhì)量，在視頻監(jiān)控、遙感測量、軍事偵察等方面有廣 泛的應(yīng)用。
[0003] 目前寬動(dòng)態(tài)技術(shù)按照處理方式分兩類：一類是硬件方式，另一類是軟件方式?；?硬件的實(shí)現(xiàn)方法主要是改進(jìn)采集設(shè)備的結(jié)構(gòu)組織，包括基于高動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)、對傳感器芯 片進(jìn)行特殊改造等。但這類方法實(shí)現(xiàn)工藝較為復(fù)雜，成本較高，不利于大面積應(yīng)用推廣。
[0004] 更廣泛的處理方式是基于軟件的方法，代表方法為色調(diào)映射法和多曝光融合法， 都是利用普通相機(jī)對同一場景以不同的曝光方式采集多次數(shù)據(jù)，然后通過各種算法處理將 它們的細(xì)節(jié)融合成新的圖像也即寬動(dòng)態(tài)范圍圖像，最后在普通顯示器上顯示出來。這類方 法的不足之處在于需要對場景進(jìn)行多次拍攝，然后對多幅圖像進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)性無法得到 滿足。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有寬動(dòng)態(tài)方法的不足，提出一種基于視覺系統(tǒng)的寬動(dòng)態(tài)處理方法， 其只使用當(dāng)前場景的一幀圖像信息，根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)特點(diǎn)制定一個(gè)兩層寬動(dòng)態(tài)處理機(jī) 制，并且使用像素鄰域信息計(jì)算參數(shù)環(huán)境變量，使得處理后的圖像能夠?qū)Π祬^(qū)域還原信息， 對亮區(qū)域抑制強(qiáng)光減少光暈影響，對中間區(qū)域拉伸，獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于視覺系統(tǒng)的寬動(dòng)態(tài)處理方法，具體步驟如下：
[0008] (1)對指定場景拍攝一副圖像，得到該場景的RGB顏色空間圖像；
[0009] (2)將圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到Y(jié)UV顏色空間，獲得其中的亮度信息Y分量；
[0010] 將圖像從RGB顏色空間變換到Y(jié)UV顏色空間，變換公式如下：
[0012] 在YUV顏色空間，亮度信息Y和兩個(gè)色度信息U、V是完全分離的，所以這種顏色表 示方法更符合人眼的視覺特性。
[0013] (3)使用Y分量的像素鄰域信息計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的環(huán)境因子；
[0014] 環(huán)境因子a的取值直接決定輸出結(jié)果，也即決定了寬動(dòng)態(tài)圖像的效果，環(huán)境因子 a采用YUV顏色空間的亮度分量信息Y來進(jìn)行計(jì)算，公式如下：
[0016] 其中G是一個(gè)高斯模板，f;是亮度信息Y的均值。
[0017] (4)根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)特點(diǎn)，利用環(huán)境因子得到寬動(dòng)態(tài)變換公式；
[0018] 人眼視覺系統(tǒng)（Human Visual System，簡稱HVS)主要由視網(wǎng)膜組成，包含三個(gè)功 能層：感光層、外網(wǎng)層。內(nèi)網(wǎng)層。感光層主要負(fù)責(zé)光信號的轉(zhuǎn)換、傳遞、壓縮處理。這里本發(fā) 明將需處理的光信號分為兩部分：第一部分為入射光信號，第二部分為外網(wǎng)層基于鄰域反 饋的光信號。
[0019] 第一部分入射光信號用經(jīng)典壓縮公式Naka-Rushton方程表不：
[0021] 其中X是輸入，y是輸出，a是環(huán)境因子，環(huán)境因子a是大于0的一個(gè)正數(shù)。
[0022] 公式1的曲線示意圖如圖1所示，可以得出一個(gè)規(guī)律：在輸入X屬于[0, 1]區(qū)間 時(shí)，a越小，y提升越大；a越大，y提升越小。
[0023] 第二部分外網(wǎng)層基于鄰域反饋的光信號是對入射光信號起調(diào)節(jié)作用，這是由于人 眼在暗的地方進(jìn)入亮的地方有個(gè)適應(yīng)過程，或者在亮的地方進(jìn)入暗的地方有個(gè)適應(yīng)過程， 這個(gè)過程就是一個(gè)逐漸反饋適應(yīng)的過程。本發(fā)明用下面的公式來表示這個(gè)過程：
[0025] 公式2的曲線示意圖如圖2所示，可以得出一個(gè)規(guī)律：在輸入X屬于[0, 1]區(qū)間 時(shí)，a越小，y提升越??；a越大，y提升越大。這個(gè)變化規(guī)律和公式1的變化規(guī)律正好相反， 起到一個(gè)調(diào)節(jié)平衡的作用，正好符合人眼的視覺特性。
[0026] 綜合公式1和公式2可以得到一個(gè)模擬的兩層視覺系統(tǒng)，也即本發(fā)明提出的最終 的寬動(dòng)態(tài)變換公式：
[0028] 從圖3可以看出，通過對a進(jìn)行不同的調(diào)整，輸出y與輸入X形成由多簇類伽馬曲 線組合的非線性關(guān)系。在輸入X屬于[0, 1]區(qū)間時(shí)，a越小，y提升越大；a越大，y提升越 小。
[0029] (5)利用寬動(dòng)態(tài)變換公式對原始RGB圖像進(jìn)行變換，得到寬動(dòng)態(tài)RGB圖像。
[0030] 變換時(shí)把每個(gè)像素在RGB顏色空間的三個(gè)分量（R，G，B)依次當(dāng)做公式3的輸入X， 用公式3計(jì)算新的輸出（R'，G'，B')。
[0031 ] 本發(fā)明提出的基于視覺系統(tǒng)的寬度態(tài)方法較好的保留高亮區(qū)域和陰暗區(qū)域的細(xì) 節(jié)信息，得到的寬動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量較好且資源消耗少，特別是由于無需通過多次拍攝合成一 幅高動(dòng)態(tài)圖像，能夠很好的滿足實(shí)時(shí)處理的需求。
【附圖說明】：
[0032] 圖1是Naka-Rushton方程曲線示意圖
[0033] 圖2是外網(wǎng)層基于鄰域反饋的方程曲線示意圖；
[0034] 圖3是寬動(dòng)態(tài)變換方程曲線示意圖；
[0035] 圖4是白天場景的原圖和寬動(dòng)態(tài)結(jié)果圖；
[0036] 圖5是夜晚場景的原圖和寬動(dòng)態(tài)結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0037] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0038] 首先對指定場景拍攝一副圖像，得到該場景的RGB顏色空間圖像。眾所周知，自然 界中任何一種色光都可由R、G、B三基色按不同的比例相加混合而成，當(dāng)三基色分量都為0 時(shí)混合為黑色光；當(dāng)三基色分量都為255時(shí)混合為白色光。RGB顏色空間采用物理三基色 表示，適合彩色顯象管工作，然而這種表示方法并不符合人眼的視覺特點(diǎn)。因而，我們將圖 像從RGB顏色空間變換到Y(jié)UV顏色空間，變換公式如下：
[0040] 在YUV顏色空間，亮度信息Y和兩個(gè)色度信息U