Faculté informatique et communications IC, Section des systèmes de communication, Institut de systèmes de communication ISC (Laboratoire de communications audiovisuelles 2 LCAV2)

Tone mapping for high dynamic range images

Meylan, Laurence ; Süsstrunk, Sabine (Dir.) ; Gerstner, Wulfram (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3588.

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    Summary
    Tone mapping is an essential step for the reproduction of "nice looking" images. It provides the mapping between the luminances of the original scene to the output device's display values. When the dynamic range of the captured scene is smaller or larger than that of the display device, tone mapping expands or compresses the luminance ratios. We address the problem of tone mapping high dynamic range (HDR) images to standard displays (CRT, LCD) and to HDR displays. With standard displays, the dynamic range of the captured HDR scene must be compressed significantly, which can induce a loss of contrast resulting in a loss of detail visibility. Local tone mapping operators can be used in addition to the global compression to increase the local contrast and thus improve detail visibility, but this tends to create artifacts. We developed a local tone mapping method that solves the problems generally encountered by local tone mapping algorithms. Namely, it does not create halo artifacts, nor graying-out of low contrast areas, and provides good color rendition. We then investigated specifically the rendition of color and confirmed that local tone mapping algorithms must be applied to the luminance channel only. We showed that the correlation between luminance and chrominance plays a role in the appearance of the final image but a perfect decorrelation is not necessary. Recently developed HDR monitors enable the display of HDR images with hardly any compression of their dynamic range. The arrival of these displays on the market create the need for new tone mapping algorithms. In particular, legacy images that were mapped to SDR displays must be re-rendered to HDR displays, taking best advantage of the increase in dynamic range. This operation can be seen as the reverse of the tone mapping to SDR. We propose a piecewise linear tone scale function that enhances the brightness of specular highlights so that the sensation of naturalness is improved. Our tone scale algorithm is based on the segmentation of the image into its diffuse and specular components as well as on the range of display luminance that is allocated to the specular component and the diffuse component, respectively. We performed a psychovisual experiment to validate the benefit of our tone scale. The results showed that, with HDR displays, allocating more luminance range to the specular component than what was allocated in the image rendered to SDR displays provides more natural looking images.
    Résumé
    La reproduction des tons est une étape essentielle pour l'affichage d'images qui plaisent à l'utilisateur. Cette étape fait la correspondance entre les luminances de la scène originale et les valeurs affichées à l'écran. Par exemple, si le rang dynamique de la scène est supérieur ou inférieur à la capacité de l'écran, un algorithme de reproduction des tons devra compresser ou étendre le rang dynamique de manière à rendre l'image compatible avec l'écran. Dans cette thèse, nous adressons spécifiquement le problème de reproduction des scènes à grand rang dynamique (appelées "scènes HDR") pour l'affichage sur écrans standards (LCD, CRT) ainsi que sur de nouveaux écrans à très grand rang dynamique appelés "écrans HDR". Lors de l'affichage sur un écran standard, le rang dynamique d'une scène HDR doit être compressé de manière significative, ce qui peut provoquer une perte de contraste et un manque de visibilité dans les détails. Des opérateurs locaux peuvent être utilisés en plus de la compression globale pour améliorer le contraste local ainsi que la visibilité des détails, mais les méthodes existantes génèrent souvent des artefacts visuels. Notre algorithme de reproduction des tons agit locallement et propose des solutions aux problèmes de halos, de zones grisâtres ou du mauvais rendu de la couleur. Suite à cela, nous avons étudié spécifiquement le traitement de la couleur. Notre recherche confirme que les opérateurs locaux doivent être appliqués seulement sur la luminance. La corrélation entre la luminance et la chrominance joue un rôle dans le rendu final de la couleur mais une décorrélation parfaite n'est pas nécessaire. Le récent développement d'écrans HDR rend possible l'affichage d'images contenant de très grands contrastes sans presque aucune compression du rang dynamique. L'arrivée de tels écrans sur le marché crée un besoin pour de nouveaux algorithmes de reproduction des tons. En particulier, les images traitées dans le but d'être affichées sur des écrans standards doivent être retraitées pour être affichées sur un écran HDR en tirant le plus grand bénéfice de l'augmentation du rang dynamique de l'écran. Nous proposons l'utilisation d'une fonction linéaire par morceaux dont la forme permet d'augmenter la clarté des spécularités de l'image, améliorant ainsi la sensation de naturel que provoque sa visualisation. Notre algorithme est basé sur une segmentation de l'image en ses composants diffus et spéculaires ainsi que sur le pourcentage de rang dynamique de l'écran réservé à la composante spéculaire. Le bénéfice de notre fonction linéaire par morceaux est validé par une expérience psychovisuelle. Les résultats de cette expérience montrent qu'avec un écran HDR, allouer une plus grande partie du rang dynamique à la composante spéculaire que celle allouée lors de l'affichage sur un écran standard conduit à des images plus agréables à regarder et plus naturelles.