Tonemapping

Physiologischer Hintergrund

In der Natur kommt ein Dynamikumfang (Verhaltnis von größter und kleinster Leuchtdichte ) von über 10 ⁹ : 1 vor, WENN man das Sonnenlicht with the Sternen vergleicht. ^[1] Der zu einem bestimmten Zeitpunkt typischerweise beobachtete dynamische Umfang liegt in der Größenordnung von 1: 10.000. Die menschliche visuelle Wahrnehmung löste das Tone-Mapping-Problem, als es geschrieben wurde, dass das Lord’s Helligkeitsverhältnis anpasst . Auf unterschiedliche absolute Helligkeitsbedingungen ( photopische , mesopische, prototypische) reagierte nichtnlinear.

Viele Tone-Mapping-Verfahren basieren auf den Erkenntnissen Über die Menschlich visuelle Wahrnehmung, wenn ihr Ziel Besteht Darin, ein Möglichst naturgetreu Wirken Bild zu berechnen. Sterben Wichtigste Rolle spielen dabei sterben Fotorezeptoren , Derens Adaptation sich nach der Naka-Rushton Helenglei Chung Wie folgt beschreiben Lässt: ^[1]

{\ Display {\ frac {R} {R _ {\ mathrm {max}}}} = {\ frac {I ^ {n}} {I ^ {n} + \ sigma _ {\ mathrm {b}} ^ { n}}}}

Hier gehst du {\ displaystyle R} sterben Fotorezeptor-Reizstärke, {\ displaystyle R _ {\ mathrm {max}}} ist die maximale Reizstärke, {\ displaystyle I} ist die Lichtstärke und {\ Display \ sigma _ {\ mathrm {b}}}Die Lichtstärke, die die Halo-Reizkraft bei der vorherrschenden Hintergrundintensität reformiert. Mehrere Tone-Mapping-Verfahren basieren auf einer Gleichheit, die diese ähnelt.

Verfahren

Es gibt eine Reihe von Tone-Mapping-Operatoren, die sich darauf freuen, verschiedene Klassen zu gewinnen. Sogenannte Global Operators verderben Ihre Funktion, die HDR-Wert eines Dynamic Comprimers zuweist und Pixel verwendet . Im Gegensatz dazu wird bei lokalen Operatoren Diese Funktion für jedes Pixel ist nach lokalem Anpassungslevel variiert. Frequenzbasierte Operatoren nutzen die andere Technik, bei der Dynamikumfang von Bildregionen, und Sie können Ihnen helfen . Schließmöglich gibt es auch gradientbasierte Operatoren, die Helligkeitsgradienten sind Das Ausgangsbild für jedes Pixel abschwächen, über das LDR-Bild (Bild mit eingeschränktem Helligkeitsumfang)

Viele Betreiber, die Werte des Ausgangsbilds als Leuchtdioden in Einner (CD / m²) kalibriert sind. Das ist, was Darling, Dass, die Nichtlineare, Wahrhaftigkeit von Absoluten, Helligkeiten berücksichtigt; Deine letzte Minute wird demnach anders als eine Nachtszene dargestellt. Sie sind oft und oft, die ursprünglich Lichtverhältnisse direkt aus HDR-Bildern zu rekonstruieren, einschließlich Histogramm ausgewertet wird. Diejenigen, die Tone-Mapping-Verfahren vermissen, ignorieren diese Farbwahrnehmung und stellen es nicht auf Helligkeitswert auf allen Kanälen gleich ein.

Globale Operatoren [ Verarbeitung | Quelltextverarbeitung ]

Global Operators setzen Pixel des Ausgangsbilds unabhängig voneinander ein. Die Sünden von Schneller wie andere Verfahren und können oft in Echtzeit ausgeführt werden. Allerding gehört dem Verfasser der Szenen mit sehr großem Dynamikumfang, da sie eher schwieriger zu finden sind Details zu verlieren.

Viele Global Operator basieren auf Adaptionsmodellen, bei denen die Hintergrundintensität bekannt geworden ist. Diese Intensität kann abgeschwächt werden, wenn das arithmetische Mittel der Pixelwerte berechnet wird, das geometrische Mittel ist die jeweilige Methode. ^[3]

Der einzelne globale Betreiber rechnet den Draht des Ausgangsbilds linear auf dem Dynamikumfang des LDR-Bildes herunter. Dieses Verfahren ist einfach unzureichend, da Details und Kontrast verlorengehen.

Müller

Der weltweite Tone-Mapping-Operator wurde 1984 von Miller und Hoffmann vorgestellt. ^[4] Das Ziel Datei darin, gerendert HDR-Bilder für das architektonische Lichtdesign darstellen. Dazu wird das Ausgangsbild zunächst in empfundene Helligkeiten umwandelt. Helligkeitsverhältnisse variierender Bildbereich rollt dabei gleich bleiben. Dies ist richtig, weil sich die Helligkeiten normalisierten und schließlich in Luminanzwerte umgewandelt wurden . Die Helligkeit-Luminanz-Beziehung basiert auf psychophysikalischen Daten, die nur bis ca. 1000 cd / m² gültig sind, auch für das Innenraum-Szenen Eigentum.

Tumblin-Eile Meier

Tumblin und Rushmeiers Operator auf den Froh Psychophysikern, die Millers Verfahren. ^[5] [6] Allerdings wird eine etwas andere Helligkeitsfunion verwöhnt als bei Miller. Im Gegensatz zu Miller Zögern der Tumblin-Rushmeier-Operator-Nichte, die Helligkeitsverhältnisse, ohne die Helligkeiten selbst zu erhalten.

Mündel

Wards Operator Gehört zu dem Tone-Mapping-Verfahren, stirbt sie nicht auf sterben Helligkeitswahrnehmung Konzentrieren, Sondern versuchen Kontraste beizubehalten. ^[7] das Dabei Werden sterben beim Betrachten des Ausgangsbildes wahrgenommenen JND -Werte über Eine Threshold-Intensitäts -Funktion ( „Schwellwert gegen intensity“) mit dem entsprechend JNDs LDR im Bild in Beziehung Gesetzt. Die Ausgangswerte wurden als sogenannte konstante Faktor skaliert.

Ferwerda

Auch der Betreiber von Ferwerda et al. Zurückhaltung, JNDs in Beziehung zu setzen. ^[8] Ist die Arbeit von ebenfalls linear, jedoch im Gegensatz zu Ward eine Skotopische Komponente. Auch der Schärfeverlust bei dunklen Szenen wird gefiltert, unabhängig von den Bildfrequenzen über einen Schwellenwert.

Drago

Dragos Operator nutzt den Tatsache, der das menschliche Sehsystem der Intensität in erster Näherung logarithmisch reagiert. ^{[9] Das} Basar des Logarithmus wird für jeden Pixel unterschiedlich gewählt, so dass größere Bereiche stärker komprimiert werden.

Reinhard und Devlin

In diesem Fall ist die Regelmäßigkeit der visuellen Systeme nicht mehr logarithmisch. Der Operator von Reinhard und Devlin basiert auf den Ergebnissen elektrophysiologischer Experimente, die nun Fotografen bei der Intensität nach einer Sigmoidfunktion ansprechen können. ^[10] There Operator wird auf die Farbkanäle einzeln angewendet.

Ward (Histogrammanpassung)

Wards Histogram-Adjustment-Technik berechnet ein Histogramm aus dem Logarithmus der Pixelwerte. ^[11] Das Tone Mapping basiert auf dem sogenannten Histogramm, welches im Gegensatz zur visuellen Wahrnehmung berücksichtigt wurde. Insbesondere wurde der Nachbearbeitungsschritt zu Aspekten der Blendung, Farbempfindlichkeit und Schärfe. Diese Faktoren sind besonders wichtig für die Nachtszenen eines großen Unterschieds.

Schlick

This Verfahren, gleichartige rationale Quantisierung, verwechselt Eine Sigmoid-ähnliche Funktion. ^[12] Der Operator ist durch zwei Utility-defined Parameter konfigurierbar, Wirkung ist sehr intuitiv abzuschätzen.

Reinhard

Die von Reinhard und anderen versprechen eine Lichtmethode, die auf der Fotografie der Tone-Mapping- Technik, dem speziellen Sonensystem, basiert . ^[13] Wer in der modernen Fotografie wurde in der gesamten Region komprimiert. Für diesen Operator Gibt es auch eine lokale Variante (siehe unten).

Lokaler und frequenzbasierter Betreiber

Local Operators Können eine Große Klasse von HDR-Bildern bearbeiten, da sie einen Großen Dynamikumfang darstellen können, ohne Details zu verlieren. Hier gehts, man sieht das menschliche Klischee Helligkeitswahrnehmung sich anpassen, ohne kleinere Regionen.

Über die Räumlichkeiten Helligkeit für Pixel, um einen Radiator Filter zu verwässern, wird auf der Nachbarpixel angewendet. Diese Methode füllt sich mit den Halo-Artefakten und Kontrastumkehrungen nach den Kanten, so wie es bei den Helligkeitsunterschieden im Inneren des Filterradius vorherrschen ist. Über dieses Problem wurden verschiedene Methoden verwöhnt:

• Eine Möglichkeit besteht darin, den Filterradius zu variieren. ^{[14] [13] Der} Radius des Filters wird, so lange es verschwindet, das Pixel der Kante des Ergebnisses Gemälde, auch wenn der neue Mittelwert von alten um einen bestimmten Wert abweicht.
• Eine weitere Möglichkeit ist die Bilaterale Filterung . Hier sehen Sie den Radius des Filters, filtern Sie ihn im Hintergrund der Entfernung zum zentralen Pixel, ohne Bezug auf die Abwesenheit der absoluten Unterschiede des Heiligen Stuhls. Pixel, der Wert ist stark von dem des zentralen Pixels unterscheiden, haben nur wenig Einfluss auf die Ergebnis. Durand und Dorsey verwöhnt für beide Faktoren Gaußfunktionen ^[15] ; Pattanaik und Yee wenden für den Radialfaktor der Zylinderfunktion außer dem Sacred-Factor of Exponential Function an. ^[16]
• Die bilaterale Filterung ist eine Tendenz zu Überfluss, sowie die Fülle der Heiligen Dreifaltigkeit Gradienten . Andere Orte waren kurvige Bereiche und Regionen mit Hohem Gradienten nicht genügend weichgezeichnet. Choudhury und Tumblin haben mit der trilateralen Filterung eine Erweiterung vorgesehen, die auch die Helligkeitsgradienten berücksichtigt. ^[17]

Zur Bestimmung des optimalen Filterradius können als Reihe von Tiefpass Filter gefilterte Versionen der Ausgangbilder verwendet werden. ^[13] [14]

Frequenzbasierte Operatoren verwenden dieses Filter in HDR-Bild mit einer Bandbreite von Frequenzen und ein Filter mit LDR-Bild mit Frequenzen, die kombiniert wurden. Allerdings kann das gefilterte Bild auch so interpretiert werden, dass Pixel ein lokales Adaptionswert liefert. Also lesen Sie sich immer bereit zwischen lokalen und frequenzbasierten Operatoren.

Chiu

Chiuet al. Es waren diese Ehrungen, die die Vorteile eines Sie nahe Bildregion Variable Operators erkannt haben. ^[18] Da ihr Verfahren nur einen einfachen Gauß-Filter verdirbt, sind starke Halo-Effekte zu erwarten.

Rahman

Rahman und Jobson arbeiten auf der Retinex-Theorie . ^[19] There Operator wird auf die Farbkanäle einzeln angewendet. In der Einfachheit variiert der Chius Operator, aber im logarithmischen Bereich. In den Komplexen ist das LDR-Bild aus einer Reihe von verschiedenen Versionen des Ausgangsbilds. Der Gewichtsverlust von Bildern wird durch ein Dienstprogramm definiert Parameter steuert.

pour

Fairchilds iCAM ist ein Farbwahrnehmungsmodell, als Verfeinerung des CIECAM02- Modells, das chromatische Adaption widerspiegelt . ^{[20] Die} Middle-East-Parameter lesen nur einen Kompromiss aus, um dynamische Kompression und Halo-Effekte zu erzeugen. Dort arbeitet Operator meine absoluten, Calibriert Helligkeitswerte. When to rains When should be a way to a rothfull Farbverschiebung, bei zu hohen Werten wird ein zu dunkles Bild berechnet.

Pattanaik

Auch Pattanaiks Operator ist im Grunde ein Farbwahrnehmungsmodell. ^[21] Dein Model ist Sehr Auffällig und das Eigentum gehört uns für Fotos mit Extreme Dynamics.

Ashikhmin

Ashikhmins Operator Reluctance, Viele Schritte der visuellen Wahrnehmung, die für die Dynamikkompression relevant sind, einzubeziehen. ^[14] Durch einen variablen Filterradius wird versucht, von der dynamischen Kompression den Kontrast beizubehalten.

Reinhard

Von Reinhards Tone-Mapping Operator existierte in der lokalen Variante, die in der Aktion ähnlich wie Abwedeln verwöhnte . ^[13]

Pattanaik

Pattanaik und Yees Tone-Mapping-Operator verwendet einen Weichzeichnungsfilter, The Edges Beibehält. ^[16] Meine dieser Methode wurde Halos Deutlich erneuert.

Yee

Viele HDR-Bilder Enthalten Große Bereiche, Die Entweder Hell Of Darkness. Yee und Pattanaiks Operator basierend auf der Segmentierung der Bilder in der alten Region, einschließlich der Histogramm ausgewertet wird. Für jeden Bildbereich wird ein unschlössliches Anpassung-Level verwendet. ^[22]

Oppenheim

Oppenheimet al. waren diejenigen, die diese Dynamikkompression für Bilder verlangten. ^[23] Ihr Betreiber berechnet den Logarithmus für jeden Pixelwert. Anschließend gab es auch vier -Transformationen , über die man sehr stark abgeschwächt werden konnte. Das Verfahren geht davon aus, dass die Oberflächen der Szene diffus sind; für andere Bilder liefert es möglicherweise unzufriedenstellende Ergebnisse.

Durand

Durand und Dorsey drehen sich um bilaterale Filterung, um Kant zu halten, aber Innenbereiche weichzuzeichnen. ^[15]

Choudhury

Choudhury führt mit der trilateralen Filterung eine Erweiterung ein, der auch Intensitätsgradienten berücksichtigt. ^[17]

iCAM06

iCAM06 ist eines der fortschrittlichsten Wahrnehmungsmodelle, welches die Signalverarbeitung von Visuels- Systemen imitiert und eine Vielzahl von Effecten der Visuellen Wahrnehmung berücksichtigt. ^[24] Im Gegensatz zum iCAM-Modell ist es speziell zur dynamischen Komprimierung von HDR-Bildern entwickelt. Dort Betreiber basierend auf der bilateralen Filterung.

Gradientenbasierte Operatoren

Die Klasse der Tone-Mapping-Operatoren berechnet, dass Gradienten des Ausgangsbilds und schwächt sie ab.

Horn

Horns Methode berechnet stirbt gradient Dezember Bildet Profilierung mittels Vorwärtsdifferenzierung und setzt Gradienten, Derens Stärke unter Einem Schwellenwert Liegt, auf 0. ^[25] Um die LDR Bild zu erhalten, das Durcheinander Gradientenfeld Durch numerische Lösung Einer Differentialgleichung integriert Werden.

Fattal

Fattal Tone Mapping Operator Wendt Eine Komprimierungsfunktion auf das Gradientenfeld ein, sterben stärkere Steigung mehr als schwächere verringert. ^[26] Characterized Werden feine Einzelheiten beibehalten, während Größere Helligkeitsgradienten abgeschwächt Werden. Wo Operator ist Durch Zwei Parameter konfigurierbar, mit Denen sie einem Kompromiss between starken Kompression und Detailtreue EINSTELLEN Läßt.

Vergleich

Tone-Mapping Operator unterscheiden sich in geschwindigkeit, Vorhandensein und Stärke von Artefakten, Beibehaltung von Bild – Details Eulen der fähigkeit, HDR Fotos mit sehr großem Dynamikbereich comp Rimi Schulter zu can. Einige Studie befassen sich mit DM Vergleich von Tone-Mapping-Verfahren. ^{[27] [28] [29]} Die Internationale Beleuchtungskommission hat das Arbeitskomitee TC8-08 Gebildet Mikron Methoden zur Validierung von Tone Mapping Operator zu Entwickeln. ^[30] Beim visuellen Vergleich verschiedener Betreiber Ergibt sich sterben Schwierigkeit that Änderung hängt Parameter große Auswirkungen auf das Plan Ergebnis Haben Können.

Literatur

• Erik Reinhard ua: High Dynamic Range Imaging. Morgan Kaufman, San Francisco 2006, ISBN 0-12-585263-0

Weblinks

• Evaluierung von Tone Mapping Operatoren (Englisch)
• Erik Reinhards Kommentar zu unnatürlichen Tone-Mapping-Parametereinstellungen (englisch)

Einzelstunden

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3. Hochspringen↑ Reinhard ua: High Dynamic Range Imaging, S. 212
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