单曝光HDR成像关键技术研究

The key technologies of single-exposure High Dynamic Range (HDR) imaging are researched in this project. The single exposure HDR imaging can solve the problems occurred in multiple exposure HDR imaging technologies, such as high computation complexity, high time consuming and useless for dynamical scenes; meanwhile, it can avoid high cost and large size in HDR imaging by hardwares directly. The single exposure HDR imaging is the most promising HDR imaging technology. To bring into full play this potential and build the basis for achieving convenient and efficent HDR imaging which meets the market consume demands will be the research goals of this project. Thus, the project will research on the following contents: 1) multiple LDR images generation from single LDR image; 2) the fusion of multiple images; 3) pixel dynamic range expansion algorithm; 4) HDR reconstruction of the pixels in highlight areas. During the project, the methods including mechanism analysis, mathematical modeling, scheme exploration, and computer simulation will be used for the research on single exposure HDR imaging.

本项目研究单曝光HDR（High Dynamic Range）成像关键技术。单曝光HDR成像技术可以解决多曝光HDR成像技术计算复杂、耗时长以及无法对动态场景成像等问题，也可以解决硬件直接HDR成像成本高、体积大等问题，是具有极大发展潜力的HDR成像技术。充分发挥这种技术的潜力，为实现能够满足图像处理相关邻域应用需求的便捷、高效的HDR成像奠定理论基础是本项目的研究目标。为此，本项目将对以下四个方面进行研究：1）由单帧图像生成多帧图像的算法；2）多帧图像融合的权值函数；3）像素动态范围扩展算法；4）图像中光源高亮度区域的HDR重建算法。项目中将采用成像机理分析、数学建模、方案探索以及计算机仿真的方式对单曝光HDR成像技术展开研究。

目前常用的多曝光HDR成像技术，需要多帧图像的像素位置完全对齐，这就要求拍摄过程中相机和场景保持静止。这两个条件在实际中很难满足，需要结合图像配准、鬼影去除等一系列其它技术，导致多曝光HDR成像技术复杂度高、耗时长且无法对动态场景拍摄。而硬件直接HDR成像由于价格昂贵无法普及大众市场，只在少数场合应用。单曝光HDR成像技术可以解决多曝光HDR成像技术计算复杂、耗时长以及无法对动态场景成像等问题，也可以解决硬件直接HDR成像成本高、无法普及大众等问题，是具有极大发展潜力的HDR成像技术。项目主要对四个方面进行研究：1）相机响应函数CRF估计建模；2）权值函数选型设计；3）像素动态范围扩展算法；4）图像中光源高亮度区域的HDR重建算法。提出了两种基于单帧图像的CRF估计及建模算法，明确了有无先验数据时，采用哪种先验概率建模方式效果好，这对基于单帧图像CRF估计的欠定问题具有重要理论指导意义，同时对于单曝光HDR成像具有关键作用。提出了基于多分辨率分解的多帧图像融合算法，为多帧LDR图像的产生提供了实验验证。研究了多种权值函数的性能并对其在HDR成像中的性能做了仿真验证，这对HDR成像中权值函数的选取起到指导作用。提出了五种像素动态范围扩展算法，有用同一个数学模型实现了针对不同区域局部特性的扩展算法，也有既模拟了相机成像的逆过程又考虑了相邻像素相关性的算法。通过CRF的逆变换来重建场景辐射值是我们提出的原创性算法，为单曝光HDR成像技术提供了重要的理论依据与实践验证。提出了三种用于高亮度区域HDR重建的预处理算法，这对于实际中大量存在的包含光源的场景的单曝光HDR成像提供了科学依据和理论基础。基于以上研究，发表了8篇论文、申请了3项专利、生成了5个单曝光HDR成像算法软件包，参加了国际会议及学术交流，培养了多名研究生。这些成果为实现能够满足图像处理相关邻域应用需求的便捷、高效的HDR成像奠定了理论基础，可以推进单曝光HDR成像技术的应用发展。