9.3 高动态范围

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2023-12-01

高动态范围

作者|OpenCV-Python Tutorials 编译|Vincent 来源|OpenCV-Python Tutorials

目标

在本章中，我们将

了解如何根据曝光顺序生成和显示HDR图像。
使用曝光融合来合并曝光序列。

理论

高动态范围成像（HDRI或HDR）是一种用于成像和摄影的技术，可以比标准数字成像或摄影技术重现更大的动态亮度范围。虽然人眼可以适应各种光照条件，但是大多数成像设备每通道使用8位，因此我们仅限于256级。当我们拍摄现实世界的照片时，明亮的区域可能会曝光过度，而黑暗的区域可能会曝光不足，因此我们无法一次拍摄所有细节。HDR成像适用于每个通道使用8位以上（通常为32位浮点值）的图像，从而允许更大的动态范围。

获取HDR图像的方法有多种，但是最常见的一种方法是使用以不同曝光值拍摄的场景照片。要综合这些曝光，了解相机的响应功能以及估算算法的功能非常有用。合并HDR图像后，必须将其转换回8位才能在常规显示器上查看。此过程称为音调映射。当场景或摄像机的对象在两次拍摄之间移动时，还会增加其他复杂性，因为应记录并调整具有不同曝光度的图像。

在本教程中，我们展示了两种算法（Debevec，Robertson）来根据曝光序列生成和显示HDR图像，并演示了另一种称为曝光融合（Mertens）的方法，该方法可以生成低动态范围图像，并且不需要曝光时间数据。此外，我们估计相机响应函数（CRF）对于许多计算机视觉算法都具有重要价值。HDR流水线的每个步骤都可以使用不同的算法和参数来实现，因此请查看参考手册以了解所有内容。

曝光序列HDR

在本教程中，我们将查看以下场景，其中有4张曝光图像，曝光时间分别为15、2.5、1 / 4和1/30秒。（你可以从Wikipedia下载图像）

exposures

1. 将曝光图像加载到列表中

import cv2 as cv
import numpy as np
# 将曝光图像加载到列表中
img_fn = ["img0.jpg", "img1.jpg", "img2.jpg", "img3.jpg"]
img_list = [cv.imread(fn) for fn in img_fn]
exposure_times = np.array([15.0, 2.5, 0.25, 0.0333], dtype=np.float32)

2. 将曝光合成HDR图像 在此阶段，我们将曝光序列合并为一张HDR图像，显示了OpenCV中的两种可能性。第一种方法是Debevec，第二种方法是Robertson。请注意，HDR图像的类型为float32，而不是uint8，因为它包含所有曝光图像的完整动态范围。

# 将曝光合成HDR图像
merge_debevec = cv.createMergeDebevec()
hdr_debevec = merge_debevec.process(img_list, times=exposure_times.copy())
merge_robertson = cv.createMergeRobertson()
hdr_robertson = merge_robertson.process(img_list, times=exposure_times.copy())

3. 色调图HDR图像 我们将32位浮点HDR数据映射到[0..1]范围内。实际上，在某些情况下，该值可以大于1或小于0，因此请注意，我们稍后将必须裁剪数据以避免溢出。

# 色调图HDR图像
tonemap1 = cv.createTonemap(gamma=2.2)
res_debevec = tonemap1.process(hdr_debevec.copy())

4. 使用Mertens融合曝光 在这里，我们展示了一种替代算法，用于合并曝光图像，而我们不需要曝光时间。我们也不需要使用任何色调映射算法，因为Mertens算法已经为我们提供了[0..1]范围内的结果。

# 使用Mertens融合曝光
merge_mertens = cv.createMergeMertens()
res_mertens = merge_mertens.process(img_list)

5. 转为8-bit并保存 为了保存或显示结果，我们需要将数据转换为[0..255]范围内的8位整数。

# 转化数据类型为8-bit并保存
res_debevec_8bit = np.clip(res_debevec*255, 0, 255).astype('uint8')
res_robertson_8bit = np.clip(res_robertson*255, 0, 255).astype('uint8')
res_mertens_8bit = np.clip(res_mertens*255, 0, 255).astype('uint8')
cv.imwrite("ldr_debevec.jpg", res_debevec_8bit)
cv.imwrite("ldr_robertson.jpg", res_robertson_8bit)
cv.imwrite("fusion_mertens.jpg", res_mertens_8bit)

结果

你可以看到不同的结果，但是请考虑到每种算法都有其他额外的参数，你应该将它们附加以达到期望的结果。最佳实践是尝试不同的方法，然后看看哪种方法最适合你的场景。

Debevec:

Robertson:

Mertenes融合

估计相机响应函数

摄像机响应功能（CRF）使我们可以将场景辐射度与测量强度值联系起来。CRF在某些计算机视觉算法（包括HDR算法）中非常重要。在这里，我们估计逆相机响应函数并将其用于HDR合并。

# 估计相机响应函数(CRF)
cal_debevec = cv.createCalibrateDebevec()
crf_debevec = cal_debevec.process(img_list, times=exposure_times)
hdr_debevec = merge_debevec.process(img_list, times=exposure_times.copy(), response=crf_debevec.copy())
cal_robertson = cv.createCalibrateRobertson()
crf_robertson = cal_robertson.process(img_list, times=exposure_times)
hdr_robertson = merge_robertson.process(img_list, times=exposure_times.copy(), response=crf_robertson.copy())

相机响应功能由每个颜色通道的256长度向量表示。对于此序列，我们得到以下估计：

附加资源

Paul E Debevec and Jitendra Malik. Recovering high dynamic range radiance maps from photographs. In ACM SIGGRAPH 2008 classes, page 31. ACM, 2008. [48]
Mark A Robertson, Sean Borman, and Robert L Stevenson. Dynamic range improvement through multiple exposures. In Image Processing, 1999. ICIP 99. Proceedings. 1999 International Conference on, volume 3, pages 159–163. IEEE, 1999. [182]
Tom Mertens, Jan Kautz, and Frank Van Reeth. Exposure fusion. In Computer Graphics and Applications, 2007. PG'07. 15th Pacific Conference on, pages 382–390. IEEE, 2007. [148]
Images from Wikipedia-HDR

练习

尝试所有色调图算法：cv::TonemapDrago,cv::TonemapMantiuk和cv::TonemapReinhard
尝试更改HDR校准和色调图方法中的参数。