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1、 代号代号 学号学号 密级密级 分 类 号分 类 号 1 0 7 0 11 0 7 0 1 TP314.7TP314.7 公开公开 09204213520920421352 题题( (中、英文中、英文) )目目 高动态范围图像合成显示系统设计与实现高动态范围图像合成显示系统设计与实现 Design and Implementation of High Dynamic Range Image Generating and Tone Mapping Displaying System 作 者 姓 名作 者 姓 名 学 科 门 类学 科 门 类 提交论文日期提交论文日期 指 导 教 师 姓 名 、
2、职 称指 导 教 师 姓 名 、 职 称 学科、专业学科、专业 二二一一二二年年一一月月 工科工科 刘艳辉刘艳辉 吴自力吴自力 高工高工 计算机系统结构计算机系统结构 西安电子科技大学西安电子科技大学 学位论文创新性声明学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并
3、表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期 西安电子科技大学西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 (保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。
4、 本人签名： 日期 导师签名： 日期 摘 要 近年来，高动态图像及其成像技术在专业摄影、电影特效、图像渲染、虚拟 现实等领域获得了广泛的应用。但是，由于获取、显示用专业设备价格昂贵，使 得高动态图像的应用很难在社会上普及。本文通过对高动态图像合成及显示相关 算法的分析研究，设计实现了一种由普通数码相机获取的多幅低动态图像计算合 成高动态图像、并将其在普通低动态显示器上进行显示的软件系统。 本文在对高动态图像合成及显示系统的功能需求进行分析的基础上，确定了 由数码相机标定、高动态图像合成、高动态图像映射显示及存取等部分构成的系 统实现方案；通过对数码相机辐射响应曲线的分析及相机标定算法的仿真对比
5、， 设计实现了对普通数码相机进行标定的系统功能模块；通过对典型高动态图像合 成算法的分析研究与实验仿真，设计实现了连续多幅低动态图像计算合成高动态 图像的功能模块；在对简单线性、自适应对数、普通直方图均衡化及对比度受限 自适应直方图均衡化等色调映射算法进行分析研究及仿真实验的基础上，设计实 现了高动态图像映射显示功能模块；最后集成实现了交互式高动态图像合成及显 示系统，并对集成系统进行了仿真测试。测试结果表明，实现功能达到设计要求。 由普通数码相机借助软件在 PC 机上实现对高动态图像的生成及映射显示， 虽 然在色彩校正、白平衡等方面还有待于进一步完善，但它避免了高昂专业硬件设 备的使用，降低
6、了使用门槛，对高动态图像技术的普及应用有着积极的推动作用。 关键词：高动态范围图像 数码相机辐射响应曲线 高动态范围图像存储 色调映射 对比度受限直方图均衡化 Abstract In recent years, high dynamic range (HDR) imaging technology has been widely used in the field of professional photography, film and game special lighting and shadow effects, image-based lighting, virtual realit
7、y and other computer graphics and digital imaging field. However, the hardware system used in acquiring and displaying HDR images is quite expensive that it cant be used in society more popularly. This paper design and implement the software which can merge HDRI from a set of low dynamic range (LDR)
8、 images taken with conventional digital camera and display the HDRI on the general monitor via analyze some algorithms related with HDRI synthesis and display. Based on the function analysis of the system, a system consisting of recovering the response curve of digital camera, generating HDR images,
9、 HDR images displaying and reading and writing of common image and radiance map format is designed; the module which recovering the response curve of digital camera (DC) is implemented via analysis of the response curve properties of DC and two algorithms recovering the response curve of DC; the mod
10、ule generating HDR image from a set of LDR images is implemented via analysis of the HDR image generating algorithm; the module mapping HDR image to LDR monitor is implemented via analysis of tone mapping algorithms such as linear-based, adaptive logarithm based, histogram equalization (HE) based an
11、d contrast-limited adaptive HE based algorithms; Finally, an interactive system integrating all modules above is implemented and testing is competed with actual images and requirements are achieved. This system implementation avoids using expensive hardware system to generating and displaying of HDR
12、 images. Although some factors such as image color correction, white balance etc. are not considered, the realization of the system has certain practical and reference value to the popularity of HDR images in society. Keyword: HDRI Response Curve of DC Radiance Map Format Tone Mapping CLAHE 目 录 第一章
13、绪论 1 1.1 选题背景及意义 1 1.2 相关技术应用研究现状 3 1.3 论文内容及章节安排 4 第二章 系统总体方案设计 7 2.1 系统需求分析 7 2.2 总体方案设计和功能说明. 8 2.2.1 系统的总体功能结构 8 2.2.2 系统功能说明 . 8 2.2.3 系统操作流程 . 9 2.3 本章小结 . 9 第三章 高动态图像合成技术研究与实现 . 11 3.1 高动态图像合成原理 11 3.1.1 数码相机的局限性和高动态图像合成原理概述 . 11 3.1.2 数码相机成像原理及辐射响应曲线. 12 3.1.3 高动态图像合成过程 15 3.2 数码相机辐射响应曲线的标定
14、. 16 3.2.1 序列图像的拍摄条件 16 3.2.2 Debevec, P. E.和 Malik, J.算法研究及仿真实现 17 3.2.3 Mitsunaga, T.和 Nayar, S. K.算法研究及仿真实现 21 3.3 高动态图像的合成 25 3.4 高动态图像的存储 27 3.4.1 Radiance Map 存储格式概述 . 27 3.4.2 Radiance Map 存储格式分析 . 27 3.5 本章小结 . 29 第四章 高动态图像色调映射技术研究与实现 . 31 4.1 色调映射算法概述 31 4.2 基于对数关系的色调映射算法研究与仿真实现 31 4.2.1 简单
15、的线性色调映射方法 31 4.2.2 自适应对数色调映射算法(Adaptive Logarithmic Mapping). 32 4.3 基于直方图均衡化的色调映射算法研究与仿真实现 35 4.3.1 基于普通直方图均衡化(HE)的色调映射算法 . 35 4.3.2 基于对比度受限自适应直方图均衡化(CLAHE)的色调映射算法 . 35 4.4 本章小结 39 第五章 高动态图像合成显示系统的实现 . 41 5.1 高动态图像合成显示系统的总体设计 . 41 5.1.1 系统的功能模块结构 41 5.1.2 系统功能说明 . 42 5.1.3 系统使用的操作流程 42 5.1.4 系统使用的外
16、部库 43 5.2 数码相机辐射响应曲线标定模块的编程实现 43 5.2.1 模块功能与流程 . 43 5.2.2 输入与输出 . 43 5.2.3 Debevec, P. E.和 Malik, J.标定算法编程实现 45 5.2.4 Mitsunaga, T.和 Nayar, S. K.标定算法编程实现 47 5.3 高动态图像合成模块的编程实现 . 48 5.3.1 模块功能与流程 . 48 5.3.2 输入与输出 . 48 5.3.3 高动态图像合成算法编程实现 49 5.4 高动态图像映射显示模块的编程实现 . 50 5.4.1 模块功能与流程 . 50 5.4.2 输入与输出 . 50 5.4.3 基于对数关系的色调映射算法的编程实现 . 50 5.4.4 基于直方图均衡化的色调映射算法的编程实现 . 51 5.5 高动态图像合成显示系统的集成与测试 53 5.5.1 系统集成 . 53 5.5.2 系统测试 . 53 5.6 本章小结 59 结束语 . 61 致谢 . 63 参考文献 . 65 第一章 绪论
