[发明专利]实时高动态范围图像的绘制和显示方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时高动态范围图像的绘制和显示方法。

背景技术

一幅图像亮度级的最大值和最小值之比被称为动态范围。通过眼睛瞳孔的自动调节，人类眼睛能够感受到的亮度的动态范围为1000000000∶1。即使在计算机生成的图像中，采用全局光照算法生成的图像的动态范围最高也能达到30000∶1。在传统方法中，每个像素的颜色是由24个二进制位存储，其中红、绿、蓝三色每个通道占用8位，有时加上8位的alpha通道，一共32位。最后渲染出的颜色介于0.0-1.0之间，能显示的明亮对比度为256∶1。所以传统方法很难表示高对比度和高动态范围的真实场景。最近几年，由于计算机计算能力的飞速增长，在消费级的图形硬件已经能够实现实时的高动态范围绘制。

在绘制高动态范围图像时，需要保存高动态范围信息。有一类方法是直接用高精度浮点格式的缓存保存，比如当前最新的显卡支持A16B16G16R16F和A32B32G32R32F格式的缓存。此类方法需要消耗更多容量的缓存，并且无法应用于老的硬件设备上。本发明采用了RGBE8的编码格式，通过对信息编码来保存高动态范围信息。该方法无需硬件的额外支持，消耗显存少，通过参数调整能够以不同的精度压缩不同范围的颜色信息。

当前的显示设备的显示范围通常都属于低动态范围，高动态范围图像不能直接在通常的显示设备上显示，否则会丢失图像的高动态范围信息，造成曝光不足或者过度曝光。高动态范围的图像需要经过色调映射将颜色信息从高动态范围映射到低动态范围，才能正确地在显示设备上显示出来。色调映射方法通常分为全局算子和局部算子。全局算子的基本思想是对一幅图像上的所有像素用同一个映射函数进行映射。全局算子架构简单，效率较高，但是对于较亮和较暗的区域容易失真。在局部算子方法中，每个像素不再由统一映射函数处理，而是根据其相邻像素来决定映射的结果。局部算子改善了细节失真的问题，通常能获得比全局算子更好的效果。但是算法通常比较复杂，效率不高，一般应用在非实时绘制领域。本发明针对实时绘制的领域，因此采用了全局算子方法，设计了新的全局映射函数，在确保实时性的同时获得了较好的图像质量。

真实环境中存在这样一种现象：由于光线在大气或者人眼中的散射，特别明亮的物体周围有一层光晕，称之为辉光效果。高动态范围图像经过色调映射后，仍然存在很亮的部分，如果直接显示出来看起来会不自然。因此需要模拟辉光效果以获得更真实的图像。辉光效果需要将原场景进行模糊处理，这一般是通过二维高斯滤波函数完成的。采用此种方法图像的质量严重依赖于采样点的个数，但是采样点太多会使得计算量大大增加，无法保证实时性。本发明采用了二次卷积的方法来进行高斯模糊，使得对n²个采样点只需2n次计算，该方法简单快速，同时也能获得较好的图像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时绘制和显示高动态范围图像的方法。

实时绘制并显示高动态范围图像的方法包括如下步骤：

1)在绘制图像时采用RGBE8格式，保存高动态范围信息；该格式将图像像素的颜色向量用R、G、B、E四分量表示，其中E为指数分量，由R、G、B三个分量共享；每一分量大小为1字节，四个分量共占用4字节空间；

2)计算高动态范围信息图像的亮度的几何平均值，对保存了高动态范围信息的图像进行亮度过滤，生成一幅新图像，新图像只包含原图像亮度大于一定阙值的像素，对新图像进行二维高斯模糊，生成辉光效果的图像；

3)采用全局压缩函数对包含了高动态范围信息的图像进行色调映射，使得高动态范围信息被压缩到低动态范围；

4)把进行了色调映射的图像和辉光效果的图像进行alpha混合，实现最终效果。

所述的在绘制图像时采用RGBE8格式，保存高动态范围信息的步骤为：

1)设p为图像像素，其颜色向量由四元组r、b、b、a表示，其中r、g、b、a分别代表红、绿、蓝、alpha分量，计算p的红、绿、蓝颜色分量的最大值m；