CN103391435A

CN103391435A - 一种兼容ldr的hdr图像编码方法及其解码方法

Info

Publication number: CN103391435A
Application number: CN2013102921092A
Authority: CN
Inventors: 蔡述庭; 尹明; 王钦若; 张小波
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种兼容LDR的HDR图像编码方法，包括：步骤1：将原始HDR图像经色调映射转换为LDR图像；步骤2：重新读入经色调映射转换得到的LDR图像并进行反色调映射，得到处理后的HDR图像；步骤3：将原始HDR图像与处理后的HDR图像分别从RGB格式转换为YCbCr格式；步骤4：计算转换为YCbCr格式的原始HDR图像与处理后的HDR图像之间的YCbCr分量差，得到冗余信息并对冗余信息进行图像压缩；步骤5：将压缩后的冗余信息作为应用标记存入到经色调映射转换得到的LDR图像中。本发明将冗余信息作为色调映射转换得到的LDR图像的应用标记一起保存，更完整真实地反映原始HDR图像信息，使得HDR图像正常地在LDR显示器上显示，实现HDR到LDR的兼容。本发明同时公开了其解码方法。

Description

一种兼容LDR的HDR图像编码方法及其解码方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，具体涉及一种兼容LDR的HDR图像编码方法及其解码方法。

背景技术

HDR(High-Dynamic Range)图像全称是高动态范围图像，与普通图片存储的格式不同。普通JPEG，BMP图片均采用8位整型数据来保存单个通道分量，如RGB，每个分量均采用8位的数据来保存，单个像素总共24位。HDR图像相比较JPEG的优势在于每个通道均采用浮点数来表示，每个通道采用32位来存储，使得图片的动态范围得以最大程度的保留。

HDR图像由于其高对比度等优越特性，作为下一代图像的发展的一个方向被各界寄予厚望。但HDR的推广存在一些困难，包括HDR显示技术不成熟等，但更大的一个挑战是HDR要求的存储空间相比普通JEPG图片要大很多，这对显示设备提出了更高的要求。而且目前大量使用的LDR(Low-DynamicRange，低动态范围)显示器并不支持HDR图片的显示，使得HDR图片在普通LDR显示器上无法发挥出其优越性，因此HDR图像的进一步广泛应用也受到很大限制。但由于HDR显示技术目前尚未完全普及，HDR图像在HDR显示技术尚未大规模应用之前，如何设计兼容LDR显示器的HDR编码显得十分必要。

当前主要有两种方式来保存HDR信息，一种是Ward提出来的将HDR信息压缩后附加到JPEG的头文件的方法，G.Ward等人首先在2005年提出了JPEG-HDR的编码技术，使得HDR能以JPEG图片的形式在LDR显示器上显示，而同时保存了HDR的信息，具体来说，Ward采用的方法是将HDR映射为LDR JPEG图片后，将部分HDR信息保存到JPEG的头文件，然而，这种方法是有损的；另一种是台湾学者吴俊霖提出的将HDR信息隐藏到JPEG图片数据中的方法，并通过解密方式来解码隐藏信息来复原HDR。

这两种编码方法得到的HDR图片都可以JPEG形式在普通LDR显示器显示。Ward的方式相比较台湾学者方式的最大不同在于隐藏HDR信息方式不同。相对而言Ward的方式保存信息比较简单。Ward方法的一个缺陷是亮度分量损失较大。

因此，有必要提供一种真实度高，兼容性好的兼容LDR的HDR图像编码方法来满足现有需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种兼容LDR的HDR图像编码方法和解码方法，使HDR图像能够真实地在LDR显示器上显示，并具有较好的兼容性。

因此，本发明提供了一种兼容LDR的HDR图像编码方法，包括以下步骤：步骤1：将原始HDR图像经色调映射转换为LDR图像；步骤2：重新读入经色调映射转换得到的LDR图像并进行反色调映射，得到处理后的HDR图像；步骤3：将所述原始HDR图像与所述处理后的HDR图像分别从RGB格式转换为YCbCr格式；步骤4：计算转换为YCbCr格式的原始HDR图像与处理后的HDR图像之间的YCbCr分量差，得到冗余信息并对所述冗余信息进行图像压缩；步骤5：将压缩后的冗余信息作为应用标记存入到所述经色调映射转换得到的LDR图像中。

较佳地，所述色调映射转换后的LDR图像采用标准JPEG格式进行压缩。

较佳地，所述转换后的JPEG格式的LDR图像的应用标记具有APP0至APP15的标记单元，所述步骤5中压缩的冗余数据保存在APP10标记单元中。

具体地，所述步骤2的转换按照如下公式进行：Y′＝0.257*R′+0.504*G′+0.098*B′+16；Cb′＝-0.148*R′-0.291*G′+0.439*B′+128；Cr′＝0.439*R′-0.368*G′-0.071*B′+128，其中R′、G′、B′表示经过了gamma校正的R、G、B通道。

较佳地，所述步骤3中，所述冗余采用JPEG2000格式进行压缩。

较佳地，所述冗余在进行JPEG2000压缩时，所述冗余的Y、Cb、Cr分量的最小值与范围也一并作为JPEG2000数据进行压缩保存。

相应地，本发明同时提供了一种如上所述的兼容LDR的HDR图像编码方法的解码方法，包括以下步骤：步骤1：读取LDR图像的数据内容；步骤2：从LDR图像的应用标记中读取冗佘信息，并对所述冗余信息进行解码；步骤3：重新读入LDR图像进行反色调映射转换为HDR图像；步骤4：将HDR图像及所述冗余信息分别从RGB格式转换到YCbCr格式；步骤5：根据转换为YCbCr格式的HDR图像及冗余信息进行HDR图像的复原；步骤6：将复原得到的HDR图像从YCbCr格式转换为RGB格式，从而得到原始HDR图像。

具体地，所述步骤3的转换按照如下公式：R′＝1.164*(Y′-16)+1.596*(Cr′-128)，G′＝1.164*(Y′-16)-0.813*(Cr′-128)-0.392*(Cb′-128)，B′＝1.164*(Y′-16)+2.017*(Cb′-128)。

与现有技术相比，本发明的兼容LDR的HDR图像编码方法，在编码过程中，将转换为YCbCr格式的原始HDR图像与经色调映射、反色调映射得到处理后的HDR图像之间的YCbCr分量差的冗余信息进行图像压缩，并作为JPEG的应用标记存入到经色调映射转换得到的LDR图像中，能够更完整真实地保存HDR图像信息，使得HDR图像正常无失真地在LDR显示器上显示，实现HDR到LDR的兼容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明兼容LDR的HDR图像编码方法的流程图；

图2是本发明实施例兼容LDR的HDR图像编码方法的流程图；

图3是本发明兼容LDR的HDR图像编码方法的解码方法的流程图；

图4是图2所示的兼容LDR的HDR图像编码方法的解码方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，本发明提供了一种兼容LDR的HDR图像编码方法，包括以下步骤：

步骤S001：将原始HDR图像经色调映射转换为LDR图像；

步骤S002：重新读入经色调映射转换得到的LDR图像并进行反色调映射，得到处理后的HDR图像；

步骤S003：将所述原始HDR图像与所述处理后的HDR图像分别从RGB格式转换为YCbCr格式；

步骤S004：计算转换为YCbCr格式的原始HDR图像与处理后的HDR图像之间的YCbCr分量差，得到冗余信息并对所述冗余信息进行图像压缩；

步骤S005：将压缩后的冗余信息作为应用标记存入到所述经色调映射转换得到的LDR图像中。

较佳地，所述步骤S001中，所述色调映射转换后的LDR图像采用标准JPEG格式进行压缩。

较佳地，所述冗余信息采用JPEG2000格式进行压缩。

具体地，配合参考图2，首先原始HDR图片HDRI经色调映射(Tone MappingOperator，TMO)转换为LDR图片JPEG。为了得到冗余信息，重新读入色调映射后得到的LDR图片JPEG^-1，将该LDR图片JPEG^-1进行反色调映射得到处理后的HDR图像TMO^-1，将原始HDR图像HDRI与处理后的HDR图像TMO^-1分别进行RGB2YCbCr色彩空间转换，然后计算HDRI与TMO^-1的YcbCr分量之差，并将得到的冗余信息进行JPEG2000压缩编码，将压缩后的数据作为JPEG的应用标记存入到前面得到的LDR图片JPEG中，作为JPEG文件的一部分，最终得到兼容LDR的图片JPEG-HDR。这样保证了新得到的图片与JPEG标准保持兼容。

较佳地，所述转换后的JPEG格式的LDR图像的应用标记具有APP0至APP15的标记单元，所述步骤S005中压缩的冗余数据保存在APP10标记单元中。为了将冗余信息存入JPEG文件，可以将冗余信息存入JPEG的应用标记APPMarker中。JPEG标准提供了“APP0”到“APP15”的标记Marker类型。APP0用于保存特定初始化字符串，APP14被Adobe使用，APP8也将被SPIFF标准使用。本发明实施例优选APP10来保存冗余信息。另外由于一个标记Marker只能保存65533bytes的数据，因此必须多次申明同一个标记Marker。

由于YCC具有明显的亮度分量，因此将图像从RGB转换到YCC域。为了将YCC伸张到，也就是YcbCr与RGB都是0-255，上述步骤S002从RGB转换到YCC域的转换按照如下公式进行：Y′＝0.257*R′+0.504*G′+0.098*B′+16；Cb′＝-0.148*R′-0.291*G′+0.439*B′+128；Cr′＝0.439*R′-0.368*G′-0.071*B′+128，其中R′、G′、B′表示经过了gamma校正的R、G、B通道。

较佳地，计算冗余时，将HDRI与读取的JPEG前景数据的Y，Cb，Cr分量相减，从而得到二者的冗余信息。同时为了更精确的复原HDRI，本发明实施例将冗余信息的三个分量的最小值与范围也一并作为JPEG2000数据保存。

为了将得到的冗余信息压缩，本发明实施例优选采用了JPEG2000对其进行压缩，可以理解地，也可以采用其他图像压缩编码技术。JPEG2000是基于小波变换的图像压缩标准，由Joint Photographic Experts Group组织创建和维护。JPEG2000较JPEG具有更高的压缩比，且不会产生以往基于DCT技术的JPEG标准产生的块状模糊瑕疵。JPEG2000参考软件包括Jasper与kakadu等，相比较而言，Jasper具有更好的可读性，所以本发明实施例选用了Jasper库来作为JEPG2000压缩冗余的参考库。由于JEPG2000压缩编码技术为本领域技术人员所熟悉，其具体实现过程这里不再展开阐述。

参考图3，相应地，本发明同时提供了一种如上所述的兼容LDR的HDR图像编码方法的解码方法，包括以下步骤：

步骤S101：读取LDR图像的数据内容；

步骤S102：从LDR图像的应用标记中读取冗余信息，并对所述冗余信息进行解码；

步骤S103：重新读入LDR图像并进行反色调映射转换为HDR图像；

步骤S104：将HDR图像及所述冗余信息分别从RGB格式转换到YCbCr格式；

步骤S105：根据转换为YCbCr格式的HDR图像及冗余信息进行HDR图像的复原；

步骤S106：将复原得到的HDR图像从YCbCr格式转换为RGB格式，从而得到原始HDR图像。

其中，所述步骤S103的转换按照如下公式：R′＝1.164*(Y′-16)+1.596*(Cr′-128)，G′＝1.164*(Y′-16)-0.813*(Cr′-128)-0.392*(Cb′-128)，B′＝1.164*(Y′-16)+2.017*(Cb′-128)。

具体地，配合参考图4，解码时，首先读取已兼容LDR图片JPEG-HDR图片数据内容，同时从JPEG的头文件中的应用标记App Maker中读取冗余信息，并将其进行JPEG2000解码。重新读入LDR图像JPEG^-1并进行反色调映射转换为HDR图像TMO^-1，将TMO^-1图片进行色彩空间转换到YcbCr，冗余信息也转换到YcbCr，复原HDR数据，再将复原得到的数据图像通过YCbCr到RGB的色彩空间转换，最后得到原始的HDR图像HDRI。

与现有技术相比，本发明的兼容LDR的HDR图像编码方法，在编码过程中，将转换为YCbCr格式的原始HDR图像与经色调映射、反色调映射得到处理后的HDR图像之间的YCbCr分量差的冗余信息进行图像压缩，并作为JPEG的应用标记存入到经色调映射转换得到的LDR图像中，能够更完整真实地保存HDR图像信息，使得HDR图像正常地在LDR显示器上显示，实现HDR到LDR的兼容。

以上对本发明实施例所提供的兼容LDR的HDR图像编码方法及其解码方法，进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种兼容LDR的HDR图像编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将原始HDR图像经色调映射转换为LDR图像；

步骤2：重新读入经色调映射转换得到的LDR图像并进行反色调映射，得到处理后的HDR图像；

步骤3：将所述原始HDR图像与所述处理后的HDR图像分别从RGB格式转换为YCbCr格式；

步骤4：计算转换为YCbCr格式的原始HDR图像与处理后的HDR图像之间的YCbCr分量差，得到冗余信息并对所述冗余信息进行图像压缩；

步骤5：将压缩后的冗余信息作为应用标记存入到所述经色调映射转换得到的LDR图像中。

2.如权利要求1所述的兼容LDR的HDR图像编码方法，其特征在于，所述步骤1中，所述色调映射转换后的LDR图像采用标准JPEG格式进行压缩。

3.如权利要求2所述的兼容LDR的HDR图像编码方法，其特征在于，所述转换后的JPEG格式的LDR图像的应用标记具有APP0至APP15的标记单元，所述步骤5中压缩的冗余数据保存在APP10标记单元中。

4.如权利要求1所述的兼容LDR的HDR图像编码方法，其特征在于，所述步骤2的转换按照如下公式进行：Y′＝0.257*R′+0.504*G′+0.098*B′+16；Cb′＝-0.148*R′-0.291*G′+0.439*B′+128；Cr′＝0.439*R′-0.368*G′-0.071*B′+128，其中R′、G′、B′表示经过了gamma校正的R、G、B通道。

5.如权利要求1所述的兼容LDR的HDR图像编码方法，其特征在于，所述步骤3中，所述冗余采用JPEG2000格式进行压缩。

6.如权利要求5所述的兼容LDR的HDR图像编码方法，其特征在于，所述冗余在进行JPEG2000压缩时，所述冗余的Y、Cb、Cr分量的最小值与范围也一并作为JPEG2000数据进行压缩保存。

7.一种如权利要求1所述的兼容LDR的HDR图像编码方法的解码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：读取LDR图像的数据内容；

步骤2：从LDR图像的应用标记中读取冗余信息，并对所述冗余信息进行解码；

步骤3：重新读入LDR图像进行反色调映射转换为HDR图像；

步骤4：将HDR图像及所述冗余信息分别从RGB格式转换到YCbCr格式；

步骤5：根据转换为YCbCr格式的HDR图像及冗余信息进行HDR图像的复原；

步骤6：将复原得到的HDR图像从YCbCr格式转换为RGB格式，从而得到原始HDR图像。

8.如权利要求7所述的兼容LDR的HDR图像编码方法的解码方法，其特征在于，所述步骤3的转换按照如下公式：R′＝1.164*(Y′-16)+1.596*(Cr′-128)，G′＝1.164*(Y′-16)-0.813*(Cr′-128)-0.392*(Cb′-128)，B′＝1.164*(Y′-16)+2.017*(Cb′-128)。