[发明专利]改进的HDR图像编码和解码方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及与被称为低动态范围（LDR）图像的遗留图像相比具有增大的动态辉度（luminance）范围的至少一个图像或视频的改进的编码的装置和方法和得到的产品（例如数据储存产品或例如存储在存储器中的编码后的信号）。

背景技术

近来，图像采集、显示和特别是编码已从所谓的低动态范围（LDR）成像（例如类似PAL或MPEG2的经典系统）改进到所谓的高动态范围成像（HDR）。传感器现今具有较高的原生(native)信号电压范围（在饱和或至少给出最大允许像素电压的场景辉度与最小值或替代的典型噪声水平之间），或它们具有用于通过多个图像（例如从具有不同敏感度的空间系统，或具有不同曝光设置的连续图片）组成得到的图像来延展该传感器范围的技术。利用LDR摄像机采集(capturing)的区别是这样的LDR摄像机通常修剪和/或软修剪一些区域，如在外部的明亮辉度变成白（那些存储的编码的LDR图像像素的亮度（luma）Y为255），而HDR采集系统可合理地如实地采集在场景中的所有辉度。尽管这样，但是怎么处理它们仍然是个问题，即，如何针对例如在电视网络系统上的传输来对它们进行编码，并且如何在例如HDR显示器上（如实地，或以优选的方式，或至少可接受地）渲染它们，HDR显示器具有比LDR显示器的典型峰值明度更高的峰值明度（例如3000尼特，而不是100或500尼特）。

因为对图片的渲染的外观取决于很多变量，例如图片中的内容，所渲染于的显示器的种类（例如其峰值明度）和观看环境，通常所采集的原始传感器图片（其可以紧密相关于原始场景，但是绝对不与最终渲染环境有关，从而没有关于人将如何看这两个场景的信息）经历其像素颜色的转换（其被称为分级）。通常这可以是人分级员。例如，在电影制作中，可能难以精确地照亮房屋内部（还给定了定时和定价约束），更不必说建立特殊灰度模式的雷云。场景照明组可以然后争取近似正确的照明，其至少在所有地方建立“足够”或“正确量”的光，并且可以定位实践（例如如在桌上的蜡烛之类的氛围照明（或模拟其的一些事物），霓虹灯等）。但是分级员然后在图像处理软件中对其进行改进，例如他可以画出阳光，如同在实际场景中穿过窗户落下那样。

LDR编码具有表征其的另一属性。天真地，可能认为LDR仅仅是其中亮度具有每像素8位代码字（或当然类似的实施例）的编码，并且反之亦然，8位表示LDR。但是在理论上，可以对8位代码的那些图像阵列中的任意进行编码，从而可以至少在理论上对非常复杂的图案进行编码，从而为什么HDR图像不可以。

问题是（并且其部分是长历史传统的遗留）根据特定代码映射函数将传感器电压（即场景辉度的线性表示）编码为8位代码字。这是简单的、不太非线性单调和连续的函数，即伽马2.2。理念是，经由这样的直接连接系统对采集、编码和渲染的这一紧密链接将相当于几乎自动地正确做出分级。信号被直接施加到CRT显示器的阴极，并且这是由于该CRT物理结构才选择伽马2.2（其附带地还给出合理的均匀精神性视觉明度范围来利用）。如果仅存在单个类型的显示器，其将正确地将驱动值渲染成输出辉度，只要其被为LDR信号的驱动信号驱动。并且利用直接来自摄像机的补偿伽马（即大约1/2.2）对其进行自动预分级。而且，如果在创建侧的任何分级艺术家希望微调或改进像素颜色，则他将在创建侧的正好同一CRT上观看信号时这么做，从而消费者家庭电视机将大约精确地给出相同渲染（除在观看者上的环绕效果之外），因为其由同一校正的图像驱动。

在任何情况下，该LDR编码链用作闭合的规范，其中渲染和编码（或分级）相当于同一事情。现今，具有非常不同的显示器（例如在家庭的LCD，用于在火车上观看图像内容的Ipad、家庭投影仪和最近非常高明度的HDR显示器）使得渲染或色域映射应当是完全与图像编码分离的阶段成为必要，因为给定同一输入图像，这些显示器将显示出在它们的输出外观中的非常大的变化，这可能比期望的更加严重。

但是在任何情况下，在内容创建侧，例如在摄像机和编码之间，在LDR系统中仍然遵循该紧密链接。尽管现代消费者摄像机（尤其是因为最近它们开始并入HDR功能）可使用比伽马2.2更精密的代码映射函数，它们仍然具有相对类似的功能，其不是高度非线性的，即不是如此不同使得我们不能利用线性分析逼近它们的数学行为的很多方面。