HDR色调映射（一）：基础概念

近年来，随着数字成像系统以及 5G 通信技术的高速发展，某些摄像摄影设备的图像传感器已有能力拍摄自然环境的高动态亮度范围（High DynamicRange, HDR）图像和视频，获得的图像或视频可以提供无限接近人眼感知的真实环境亮度，并包含更丰富的图像细节信息。随着用户对高质量、真实的图像和视频需求的不断增加，对高动态范围媒体数据的需求也在逐年增加。HDR 图像是一种高清晰度的图像类型，它所表现的真实自然界的高动态范围亮度变化是普通显示器无法表现的。与普通低动态范（LowDynamicRange,LDR）图像相比，HDR 图像的动态范围更广，整体明暗效果更好，细节信更丰富。特别是在高亮度区域和极暗区域，具有很强的细节保留的特性，表现出极其丰富多彩的自然图像层次，给人们带来高清晰、自然、真实的视觉体验。因此，高动态范围成像被广泛应用于卫星遥感、医学成像、虚拟现实、数字成像等各个领域：高动态范围成像在卫星遥感领域的应用，可以更准确地测量和控制成像数据；高动态范围成像在医学影像领域的应用，可以使医学图像反映出更多的细节信息，帮助医生分析和诊断病情在虚拟现实领域，高动态范围图像可以使画面更加逼真，无限接近真实的自然场景，提高场景画面的观赏性。在游戏中使用 HDR 特效，可以使游戏场景变得美观，增加游戏画面的视觉效果；在影像领域，可以利用高动态范围图像成像的原理，直接拍摄高动态范围的图像或视频，提高图像和视频的质量。各大互联网公司推出的街景集，将现实世界的地图与电子地图相结合。HDR 成像可以提高街景地图导航的实用性此外，HDR 影像还广泛应用于军事领域、防震、救灾、减灾、水文监测等领域。
然而，面对大多数设备能力的局限性，现有的传统显示器、投影仪等输出设备只能显示有限的亮度范围 [5cd/m 2 , 300cd/m 2 ]，传统的显示设备及打印输出设备无法完全的展示 HDR 图像和视频，丢失许多真实场景中的结构和颜色信息。因此，将 HDR 图像和视频在低动态范围的显示设备中有效呈现这一操作称之为色调映射操作（Tone Mapping Operation，TMO），它们旨在为压缩后的 LDR 内容保留更丰富的亮度、结构和颜色等信息。

如下图所示：左为为经过线性色调映射的HDR图，右边为经过gamma色调映射的HDR图

线性色调映射, gamma色调映射

通常色调映射分为：

方法	概述
全局色调映射	典型的全局 TMO 包括直方图均衡化、同构(S1+S )、伽马映射 (Sγ )、对数函数和 Sigmoid 非线性函数等。它们是处理代价较小的色调映射算法，因为 HDR 图像 S 中的每个像素都经历了同样的简单变换。全局 TMO 能很好地保存全局对比度，但可能会受到局部细节损失的影响。
局部色调映射	TMO 的局部操作算法。这是一个复杂的算法类型，保留了相邻区域之间的相对对比度（通常以局部梯度的形式），而人类视觉系统对其比较敏感。局部色调映射算法的一个常见设计原则是将 HDR 图像分解为一个基础层和一个细节层。基础层采用色调压缩技术，而细节层则采用细节再现或增强的方式。

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