Tonzuordnung: Tone Mapping: Erhellende Perspektiven in der Computer Vision

Von Fouad Sabry

Was ist Tonzuordnung

Tone Mapping ist eine Technik, die in der Bildverarbeitung und Computergrafik verwendet wird, um einen Farbsatz einem anderen zuzuordnen, um das Erscheinungsbild hochdynamischer Farben anzunähern. HDR-Bilder (HDR) in einem Medium, das über einen begrenzteren Dynamikbereich verfügt. Ausdrucke, CRT- oder LCD-Monitore und Projektoren verfügen alle über einen begrenzten Dynamikbereich, der nicht ausreicht, um das gesamte Spektrum der Lichtintensitäten in natürlichen Szenen wiederzugeben. Tone Mapping löst das Problem einer starken Kontrastreduzierung von der Helligkeit der Szene auf den darstellbaren Bereich und behält gleichzeitig die Bilddetails und die Farbdarstellung bei, die für die Würdigung des ursprünglichen Szeneninhalts wichtig sind.

Ihre Vorteile

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Tone_mapping

Kapitel 2: Gamma_korrektur

Kapitel 3: Multi-exposure_HDR_capture

Kapitel 4: High-dynamic-range_rendering

Kapitel 5: Shadow_and_highlight_enhancement

Kapitel 6: High_dynamic_range

Kapitel 7: Tone_Reproduktion

Kapitel 8: Luminanz_HDR

Kapitel 9: Aurora_HDR

Kapitel 10: EasyHDR

(II) Beantwortung der öffentlichen Frage Fragen zum Thema Tone Mapping.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz von Tone Mapping in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über Grundkenntnisse oder Informationen für jede Art von Tone Mapping hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 28. Apr. 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Tone Mapping

Um den Eindruck von Bildern mit hohem Dynamikumfang in einem Medium mit geringerem Dynamikumfang zu erzielen, wird Tone Mapping in der Bildverarbeitung und Computergrafik eingesetzt. Weder Ausdrucke noch CRT- oder LCD-Monitore oder Projektoren sind aufgrund ihres begrenzten Dynamikumfangs in der Lage, den gesamten Bereich der Lichtintensitäten in realen Umgebungen genau wiederzugeben. Tone Mapping ist eine Technik, bei der die Bilddetails und das Farbbild erhalten bleiben, die für die Wertschätzung des ursprünglichen Szeneninhalts entscheidend sind, und gleichzeitig der dramatische Kontrast zwischen der Szenenhelligkeit und dem darstellbaren Bereich reduziert wird.

Inverses Tone Mapping ist eine Methode, um den Dynamikumfang eines Bildes zu erhöhen, indem die Helligkeitswerte in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden.

Da es eine Herausforderung war, die große Bandbreite an Lichtverhältnissen in der realen Welt auf einem chemisch beschränkten Negativ einzufangen, verursachte das Aufkommen der filmbasierten Fotografie Probleme.

Frühe Filmentwickler versuchten, dieses Problem zu beheben, indem sie die Filmmaterialien und die Druckentwicklungssysteme so konzipierten, dass sie eine gewünschte S-förmige Tonwertkurve mit leicht erhöhtem Kontrast (ca. 15%) im mittleren Bereich und allmählich komprimierten Lichtern und Schatten ergaben [1].

Die Einrichtung von Luftverteidigungszonen, die die Belichtung und die Entwicklungszeit entsprechend der Menge der benötigten Schattendetails anpassen (und so die Lichtertöne steuern), vergrößerte den Tonwertumfang der Graustufen (und später die Erhöhung des Dynamikumfangs des Farbnegativfilms von seinen normalen sieben Blendenstufen auf 10.

Fotografen haben auch Abwedeln und Nachbelichten eingesetzt, um die Einschränkungen des Druckprozesses zu überwinden [2].

Die Entwicklung der Digitalfotografie bot die Möglichkeit, effektivere Antworten auf dieses Problem zu finden.

Im Jahr 1971 verwendeten Land und McCann eine frühe Version eines Algorithmus namens Retinex, der von Theorien der Helligkeitswahrnehmung inspiriert war [³]. Diese Methode ist inspiriert von den biologischen Anpassungsmechanismen des Auges an die Lichtverhältnisse.

Es wurde auch viel an Gamut-Mapping-Algorithmen für den Farbdruck geforscht.

Um vorherzusagen, wie Farben aussehen könnten, wandten sich die Forscher Computermodellen wie CIECAM02 und iCAM zu.

Trotzdem, auch wenn die Farb- und Tonzuordnungsalgorithmen unzureichend sind, gab es immer noch eine Nachfrage nach einem talentierten Künstler, genau wie im Schneideraum eines Kinos.

Mit dem Aufkommen der kontrastreichen Computergrafiktechnologie verlagerte sich die primäre Einschränkung von Displays von Farbe auf Helligkeit. Um HDR-Fotos (High Dynamic Range) für normale Monitore anzupassen, wurden viele Tone-Mapping-Operatoren erstellt. Die jüngsten Entwicklungen in diesem Bereich haben sich über die Verwendung von Helligkeit zur Erhöhung des Kontrasts hinaus auf Techniken wie die benutzergestützte Bildreplikation ausgeweitet. Display-gesteuerte Lösungen sind derzeit die Norm für die Bildwiedergabe, da moderne Displays ausgeklügelte Bildverarbeitungsalgorithmen enthalten, die die Energieeffizienz verbessern, den Farbraum und den Dynamikbereich erweitern und die Bildwiedergabe basierend auf Umgebungsfaktoren anpassen.

Der erklärte Zweck des Tone Mappings kann je nach Implementierung sehr unterschiedlich sein. Es gibt Anwendungen, bei denen es in erster Linie darum geht, Bilder zu erstellen, die lediglich optisch ansprechend sind, während andere mehr Wert darauf legen, so viele Bildelemente wie möglich genau nachzubilden oder den Kontrast zu erhöhen. Selbst wenn das Anzeigegerät nicht den vollständigen Bereich der Helligkeitswerte wiedergeben kann, kann das Ziel in realistischen Rendering-Anwendungen darin bestehen, eine wahrgenommene Übereinstimmung zwischen der realen Szene und dem präsentierten Bild zu erzielen.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Tone-Mapping-Operatoren entwickelt.[4] Sie alle können in zwei Haupttypen unterteilt werden:

Nichtlineare Funktionen, die auf den globalen Variablen des Bildes wie Helligkeit und anderen globalen Faktoren basieren, bilden globale (oder räumlich einheitliche) Operatoren. Nachdem die optimale Funktion eines Bildes berechnet wurde, werden alle seine Pixel auf die gleiche Weise zugeordnet, unabhängig von den Werten ihrer Nachbarn. Diese Methoden sind schnell und einfach anzuwenden (sie können mit Nachschlagetabellen durchgeführt werden), aber sie können den Kontrast verringern. Reduzierter Kontrast und invertierte Farben sind zwei Beispiele für beliebte globale Tone-Mapping-Techniken.

Lokale (oder räumlich variable) Operatoren: Die Parameter der nichtlinearen Funktion variieren von Pixel zu Pixel, basierend auf den abgerufenen Features aus benachbarten Parametern. Mit anderen Worten, die Auswirkungen des Algorithmus variieren von Pixel zu Pixel je nach den Eigenschaften der Umgebung. Da das menschliche Sehvermögen in erster Linie empfindlich auf lokale Kontraste reagiert, sind diese Algorithmen komplexer als globale. Sie können Artefakte (z. B. Halo-Effekt und Klingeln) anzeigen. und die Ausgabe kann unnatürlich aussehen; Nichtsdestotrotz können sie (bei richtiger Anwendung) die beste Leistung erbringen.

Ein einfaches Beispiel für einen globalen Tone-Mapping-Filter ist {\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {V_{\text{in}}}{V_{\text{in}}+1}}} (Reinhard), wobei Vin die Luminanz des Originalpixels und Vout die Luminanz des gefilterten Pixels ist.

Diese Funktion