.jpg/1280px-St_Kentigerns_Church_HDR_(8226826999).jpg)
Тональное отображение — это метод, используемый в обработке изображений и компьютерной графике для сопоставления одного набора цветов с другим, чтобы приблизиться к внешнему виду изображений с расширенным динамическим диапазоном (HDR) в среде с более ограниченным динамическим диапазоном . Распечатки , ЭЛТ- или ЖК- мониторы и проекторы имеют ограниченный динамический диапазон, которого недостаточно для воспроизведения всего диапазона интенсивности света, присутствующего в естественных сценах. Отображение тонов решает проблему сильного снижения контрастности от яркости сцены до отображаемого диапазона, сохраняя при этом детали изображения и внешний вид цвета, важные для понимания исходного содержимого сцены.
Инверсное тональное отображение — это обратный метод, который позволяет расширить диапазон яркости, преобразуя изображение с низким динамическим диапазоном в изображение с более высоким динамическим диапазоном. [1] В частности, он используется для преобразования SDR-видео в HDR-видео . [2]
Внедрение пленочной фотографии создало проблемы, поскольку запечатлеть огромный динамический диапазон освещения реального мира на химически ограниченном негативе было очень сложно. Первые разработчики пленки пытались решить эту проблему, разрабатывая запасы пленки и системы проявления печати, которые давали желаемую кривую тонов S-образной формы со слегка повышенным контрастом (около 15%) в среднем диапазоне и постепенно сжимали светлые участки и тени [1] . Появление зональной системы , которая основывает экспозицию на желаемых тонах теней, а также варьирует продолжительность времени, проведенного в химическом проявителе (таким образом контролируя светлые тона), расширило тональный диапазон черно-белой (а позже и цветной) негативной пленки от его родной диапазон от семи до десяти остановок. Фотографы также использовали осветление и выжигание , 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 света [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 внешнего вида цвета использовались вычислительные модели, такие как CIECAM02 или iCAM. Несмотря на это, хотя алгоритмы не могли в достаточной степени отображать тона и цвета, все равно требовался опытный художник, как и в случае с постобработкой кинематографических фильмов.
Методы компьютерной графики, способные отображать высококонтрастные сцены, сместили акцент с цвета на яркость как основной ограничивающий фактор устройств отображения. Было разработано несколько операторов тонального отображения для отображения изображений с высоким динамическим диапазоном (HDR) на стандартные дисплеи. Совсем недавно эта работа перешла от использования яркости для повышения контрастности изображения к другим методам, таким как воспроизведение изображений с помощью пользователя. В настоящее время воспроизведение изображений сместилось в сторону решений, управляемых дисплеями, поскольку теперь дисплеи обладают усовершенствованными алгоритмами обработки изображений, которые помогают адаптировать рендеринг изображения к условиям просмотра, экономить электроэнергию, расширять цветовую гамму и динамический диапазон.
Цели тональной компрессии могут формулироваться по-разному в зависимости от конкретного приложения. В некоторых случаях основной целью является создание просто эстетически привлекательных изображений, в то время как в других приложениях упор может быть сделан на воспроизведение как можно большего количества деталей изображения или на максимизацию контрастности изображения. Целью приложений реалистичного рендеринга может быть получение перцепционного соответствия между реальной сценой и отображаемым изображением, даже если устройство отображения не способно воспроизводить полный диапазон значений яркости.
В последние годы были разработаны различные операторы тонального отображения. [4] Всех их можно разделить на два основных типа:
Простым примером фильтра глобального тонального отображения является (Рейнхард), где V in — яркость исходного пикселя, а V out — яркость отфильтрованного пикселя. [4] Эта функция сопоставляет яркость V in в домене с отображаемым выходным диапазоном. Хотя этот фильтр обеспечивает приличный контраст для частей изображения с низкой яркостью (особенно, когда V in < 1 ), части изображения с более высокой Яркость будет становиться все более низкой контрастностью, поскольку яркость отфильтрованного изображения достигает 1. Вариации этого фильтра обычно используются при рендеринге. [5]
Возможно, более полезным методом глобального тонального отображения является гамма-сжатие , в котором используется фильтр, где A > 0 и 0 < γ < 1 . Эта функция сопоставляет яркость V in в области с выходным диапазоном γ , регулирующим контрастность изображения; более низкое значение для более низкой контрастности. Хотя более низкая константа γ дает меньший контраст и, возможно, более тусклое изображение, она увеличивает экспозицию недоэкспонированных частей изображения и в то же время, если A < 1 , она может уменьшить экспозицию переэкспонированных частей изображения настолько, что предотвратить их передержку.
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 областями, а не на абсолютном значении, и этот подход мотивирован тем фактом, что человеческое восприятие наиболее чувствительно к контрасту изображений, а не к абсолютной интенсивности. Эти методы тональной компрессии обычно создают очень четкие изображения, которые очень хорошо сохраняют мелкие контрастные детали; однако это часто делается за счет снижения общего контраста изображения и в качестве побочного эффекта может привести к появлению ореолоподобного свечения вокруг темных объектов. Примеры таких методов отображения тонов включают в себя: сжатие с высоким динамическим диапазоном в градиентной области [5] и структуру восприятия для контрастной обработки изображений с высоким динамическим диапазоном [6] (отображение тонов является одним из применений этой структуры).
Другой подход к тональной компрессии HDR-изображений основан на теории привязки восприятия легкости. [7] Эта теория объясняет многие характеристики зрительной системы человека, такие как постоянство освещенности и ее провалы (как в иллюзии шахматной тени ), которые важны при восприятии изображений. Ключевая концепция этого метода тонального отображения (Lightness Perception in Tone Reproduction [8] ) — это разложение HDR-изображения на области (каркасы) последовательного освещения и локальный расчет значений освещенности. Чистая легкость изображения рассчитывается путем слияния рамок пропорционально их прочности. Особенно важным является привязка — связь яркости с известной яркостью, а именно оценка того, какое значение яркости воспринимается как белый в сцене. Этот подход к отображению тонов не влияет на локальный контраст и сохраняет естественные цвета HDR-изображения благодаря линейной обработке яркости.
Одна простая форма тональной компрессии берет стандартное изображение (не HDR — динамический диапазон уже сжат) и применяет нерезкую маскировку с большим радиусом, которая увеличивает локальный контраст, а не резкость. Подробности см. в разделе «Нерезкая маскировка: локальное усиление контраста» .
Одним из широко используемых алгоритмов отображения тонов является iCAM06, который основан как на модели цветового отображения , так и на иерархическом отображении. [9] После двусторонней фильтрации изображение разбивается на базовый слой и слой детализации. Адаптация точки белого и адаптация цветности применяются к базовому слою, а улучшение детализации применяется к слою детализации. В конечном итоге два слоя объединяются и преобразуются в цветовое пространство IPT. В целом этот метод хорош, но имеет некоторые недостатки, в частности, вычислительную сложность метода фильтрации. Предлагаемое решение этой проблемы [10] включает оптимизацию производительности фильтра. Базовый слой изображения также преобразуется в пространство RGB для тонального сжатия. Этот метод также позволяет лучше регулировать выходной сигнал и повышать насыщенность, что делает его менее интенсивным в вычислительном отношении и лучше снижает общий эффект ореола.
.jpg/1280px-Yonge-Dundas_Square_-_2010_(HDR).jpg)
Формы тональной компрессии задолго до цифровой фотографии. Манипулирование пленкой и процессом проявки для визуализации высококонтрастных сцен, особенно тех, которые сняты при ярком солнечном свете, на бумаге для печати с относительно низким динамическим диапазоном, по сути, является формой тональной компрессии, хотя обычно ее так не называют. Локальная настройка тональности при обработке пленки в основном осуществляется посредством уклонения и выжигания , и ее особенно поддерживает и связывает с Анселем Адамсом , как описано в его книге «Печать»; см. также его систему зон .
Обычный процесс компенсации экспозиции , осветления теней и изменения контраста, применяемый повсеместно к цифровым изображениям как часть профессионального или серьезного любительского рабочего процесса, также является формой тональной компрессии.
Однако тональное отображение HDR, обычно с использованием местных операторов, становится все более популярным среди цифровых фотографов в качестве метода постобработки, при котором несколько экспозиций с разными выдержками объединяются для создания изображения HDR, а затем к результату применяется оператор тонального отображения. . В настоящее время в Интернете можно найти множество примеров цифровых изображений с локальной тональной компрессией, неточно известных как «HDR-фотографии», и они имеют различное качество. Эта популярность частично обусловлена отличительным внешним видом изображений с локальной тональной компрессией, которые многие люди находят привлекательными, а частично желанием запечатлеть высококонтрастные сцены, которые трудно или невозможно сфотографировать за одну экспозицию и которые могут не выглядеть привлекательно даже когда их можно будет поймать. Хотя цифровые датчики на самом деле фиксируют более широкий динамический диапазон, чем пленка, они полностью теряют детализацию в самых ярких областях, ограничивая их до чистого белого, 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 захвачен 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, убрав резкие контрасты, которые часто выглядят непривлекательно. В некоторых случаях изображения с тональной компрессией создаются из одной экспозиции, которая затем обрабатывается с помощью обычных инструментов обработки для получения входных данных для процесса создания изображения HDR. Это позволяет избежать артефактов, которые могут появиться при комбинировании разных экспозиций из-за движущихся объектов в сцене или дрожания камеры. Однако когда тональная компрессия применяется к одной экспозиции таким образом, промежуточное изображение имеет только нормальный динамический диапазон, а количество деталей в тенях или светлых участках, которые можно визуализировать, равно только тому, которое было захвачено при исходной экспозиции.
Одной из первоначальных целей тональной компрессии была возможность воспроизвести данную сцену или изображение на устройстве отображения так, чтобы ощущение яркости изображения для человека-зрителя близко соответствовало ощущению яркости в реальном мире. Однако идеальное решение этой проблемы никогда не возможно, и поэтому выходное изображение на дисплее часто строится на основе компромисса между различными функциями изображения. Выбор между функциями часто зависит от необходимого приложения, и при наличии соответствующих показателей для приложения одним из возможных решений является рассмотрение этой проблемы как проблемы оптимизации [11] .
Для этого метода сначала генерируются модели зрительной системы человека (HVS) и дисплея, а также простой оператор тонального отображения. Контрастные искажения взвешиваются в соответствии с их индивидуальной видимостью, аппроксимированной HVS. С помощью этих моделей можно создать и решить целевую функцию, определяющую тоновую кривую, с помощью быстрого квадратичного решателя.
С добавлением фильтров этот метод можно распространить и на видео. Фильтры гарантируют, что быстрое изменение тоновой кривой между кадрами не будет заметным в конечном выходном изображении.
На изображениях справа показан интерьер церкви, сцена, вариация яркости которой намного больше, чем та, которую можно отобразить на мониторе или записать обычной камерой. Шесть отдельных снимков камеры показывают яркость сцены в некотором диапазоне, преобразованном в диапазон яркости, который может отображаться на мониторе. Диапазон сияний, зафиксированных на каждой фотографии, ограничен, поэтому не все детали могут быть отображены сразу: например, детали темного церковного интерьера не могут быть отображены одновременно с деталями яркого витража. К шести изображениям применяется алгоритм для воссоздания карты яркости исходной сцены с расширенным динамическим диапазоном ( изображение с расширенным динамическим диапазоном ). В качестве альтернативы некоторые потребительские и специализированные научные цифровые камеры более высокого класса могут напрямую записывать изображение с расширенным динамическим диапазоном, например, с изображениями в формате RAW .
В идеальном случае камера может напрямую измерять яркость и сохранять ее в HDR-изображении; однако большинство изображений с широким динамическим диапазоном, создаваемых сегодня камерами, не откалиброваны и даже не пропорциональны яркости по практическим причинам, таким как стоимость и время, необходимые для измерения точных значений яркости — художникам часто достаточно использовать несколько экспозиций, чтобы получить « HDR-изображение», которое примерно соответствует истинному сигналу яркости.
Изображение с расширенным динамическим диапазоном передается оператору тонального отображения, в данном случае местному 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 между яркостью сцены и интенсивностью пикселей. Однако эта неточность с точки зрения восприятия менее важна, чем деталь изображения, которое теперь можно показывать одновременно и в окне, и в интерьере церкви.
Метод локального тонального отображения при обработке изображений HDR часто создает ряд характерных эффектов на 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 объектов. масштабировать цветовые вариации. Эти результаты вызваны применением искажений геометрического пространства захваченного изображения вместе с искажениями цветового пространства, при этом только искажения цветового пространства являются эффектом отображения тонов, а все остальные искажения представляют собой скорее специальный метод фильтрации, чем любое отображение тонов или цветового пространства. Так, результаты локальной тональной компрессии часто оцениваются как извращающие природу документального фотографического изображения и далекие от фотографического реализма.
Не все изображения с тональной компрессией визуально различимы. Уменьшение динамического диапазона с помощью тональной компрессии часто бывает полезно в ярких сценах с солнечным освещением, где разница в интенсивности между прямым освещением и тенью велика. В этих случаях общий контраст сцены снижается, но локальный контраст сохраняется, а изображение в целом продолжает выглядеть естественно. Использование тональной компрессии в этом контексте может быть не заметно на окончательном изображении:
Тональное отображение также может создавать отличительные визуальные эффекты на конечном изображении, такие как видимый ореол вокруг башни на изображении юридической школы Корнелла ниже. Его можно использовать для создания этих эффектов, даже если динамический диапазон исходного изображения не особенно высок. Ореолы на изображениях возникают из-за того, что оператор локального тонального отображения осветляет области вокруг темных объектов, чтобы сохранить локальный контраст в исходном изображении, что обманывает зрительную систему человека, заставляя воспринимать темные объекты как темные, даже если их фактическая яркость равна то же, что и области изображения, воспринимаемые как яркие. Обычно этот эффект незаметен, но если контрасты в исходном изображении слишком велики или фотограф намеренно устанавливает очень крутой градиент яркости, ореолы становятся видимыми.
![{\displaystyle [0,A^{-1/\gamma }]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0e1d2e8a520c5c41f02a2624c8307e39af026719)
![{\displaystyle [0,1].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8786b5ef9daedb24adb59e7825c4096d99a99648)
