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【ISP算法精粹】什么是global tone mapping和local tone mapping？

news 来源：原创 2025/5/21 7:50:12

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1. 简介

全局色调映射（Global Tone Mapping）和局部色调映射（Local Tone Mapping）是高动态范围（HDR）图像处理中的两种关键技术，用于将高动态范围图像的亮度值映射到标准动态范围（LDR）内，同时保留图像的细节和视觉质量。

全局色调映射（Global Tone Mapping）

全局色调映射对图像中的所有像素应用相同的映射函数，常见方法包括：

  • 线性映射：将图像的亮度范围直接线性缩放到显示设备的动态范围内。
  • 对数映射：使用对数函数压缩高亮度区域，扩展低亮度区域。
  • 伽马校正：调整图像的亮度分布，常用于显示设备的非线性响应补偿。

局部色调映射（Local Tone Mapping）

局部色调映射考虑图像的局部特征，对不同区域应用不同的映射函数，常见方法包括：

  • 直方图均衡化：通过调整图像的直方图来增强对比度。
  • 拉普拉斯滤波：基于图像的局部梯度信息进行处理。
  • 多尺度分解：将图像分解为不同尺度的分量，分别处理后再合并。

下面是使用Python实现这两种色调映射方法的代码：

import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as pltdef global_tone_mapping(image, gamma=2.2, exposure=1.0):"""全局色调映射实现参数:image: numpy数组，输入的HDR图像gamma: 伽马值，用于调整亮度分布exposure: 曝光值，用于调整整体亮度返回:numpy数组，处理后的LDR图像"""# 应用曝光调整exposed = np.clip(image * exposure, 0, None)# 应用伽马校正ldr_image = np.power(exposed, 1.0 / gamma)# 将值归一化到[0, 1]范围ldr_image = np.clip(ldr_image, 0, 1)return ldr_imagedef local_tone_mapping(image, sigma=15, contrast=1.0):"""局部色调映射实现（基于拉普拉斯滤波）参数:image: numpy数组，输入的HDR图像sigma: 高斯核标准差，控制局部区域大小contrast: 对比度增强因子返回:numpy数组，处理后的LDR图像"""# 将图像转换为对数空间log_image = np.log1p(image)# 计算全局平均亮度global_mean = np.mean(log_image)# 计算局部亮度（使用高斯滤波）local_mean = cv2.GaussianBlur(log_image, (0, 0), sigma)# 计算局部对比度（拉普拉斯算子）laplacian = cv2.Laplacian(log_image, cv2.CV_64F)# 应用局部色调映射tonemapped = global_mean + contrast * (log_image - local_mean) + 0.5 * laplacian# 将图像转回线性空间ldr_image = np.expm1(tonemapped)# 将值归一化到[0, 1]范围ldr_image = np.clip(ldr_image / np.max(ldr_image), 0, 1)return ldr_imagedef main():# 创建示例HDR图像（这里使用合成图像）# 在实际应用中，你可能需要使用OpenCV或其他库读取真实的HDR图像h, w = 200, 200x = np.linspace(0, 1, w)y = np.linspace(0, 1, h)xx, yy = np.meshgrid(x, y)# 创建具有高动态范围的图像hdr_image = np.zeros((h, w, 3))hdr_image[:, :, 0] = 5.0 * np.exp(-10 * (xx - 0.3)**2 - 10 * (yy - 0.7)**2)  # 红色高光hdr_image[:, :, 1] = 2.0 * np.exp(-5 * (xx - 0.7)**2 - 5 * (yy - 0.3)**2)   # 绿色高光hdr_image[:, :, 2] = 1.0 * (xx + yy)                                              # 蓝色渐变# 应用全局色调映射global_ldr = global_tone_mapping(hdr_image, gamma=2.2, exposure=0.5)# 应用局部色调映射local_ldr = local_tone_mapping(hdr_image, sigma=15, contrast=1.5)# 显示结果plt.figure(figsize=(15, 5))plt.subplot(131)plt.title('HDR Image (Scaled)')plt.imshow(np.clip(hdr_image / 5.0, 0, 1))  # 缩放以显示HDR图像plt.axis('off')plt.subplot(132)plt.title('Global Tone Mapping')plt.imshow(global_ldr)plt.axis('off')plt.subplot(133)plt.title('Local Tone Mapping')plt.imshow(local_ldr)plt.axis('off')plt.tight_layout()plt.show()if __name__ == "__main__":main()

这段代码实现了两种色调映射方法：

  1. global_tone_mapping 函数通过曝光调整和伽马校正实现全局色调映射。
  2. local_tone_mapping 函数通过对数变换、高斯滤波和拉普拉斯算子实现局部色调映射。

主函数创建了一个合成的HDR图像，并对其应用两种色调映射方法，最后显示原始HDR图像和处理后的LDR图像进行对比。在实际应用中，你可能需要使用OpenCV或其他库读取真实的HDR图像文件。

2. 实现全局色调映射的代码中，gamma值如何选择？

在全局色调映射中，gamma值的选择直接影响图像的亮度分布和视觉效果。以下是关于gamma值选择的详细说明：

gamma值的基本原理

  • gamma>1：降低图像亮度，使暗部更暗，适合处理过亮的图像。
  • gamma=1：不改变图像亮度（线性映射）。
  • gamma<1：提高图像亮度，使亮部更亮，适合处理过暗的图像。

如何选择合适的gamma值

  1. 基于显示设备特性

    • 标准sRGB显示设备通常使用gamma=2.2。
    • 若显示设备支持线性色彩空间，则使用gamma=1.0。

  2. 基于图像内容特性

    • 高对比度图像：使用较大的gamma值（如2.2-2.6）压缩动态范围。
    • 低对比度图像：使用较小的gamma值（如1.8-2.0）增强对比度。

  3. 经验公式

    • 自动计算gamma值：gamma = log(0.5) / log(mean_intensity)
    • 其中mean_intensity是图像的平均亮度（范围0-1）。

下面是一个改进的全局色调映射实现，增加了自动gamma计算功能：

import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as pltdef global_tone_mapping(image, gamma=None, exposure=1.0):"""全局色调映射实现参数:image: numpy数组，输入的HDR图像gamma: 伽马值，用于调整亮度分布。若为None，则自动计算exposure: 曝光值，用于调整整体亮度返回:numpy数组，处理后的LDR图像"""# 应用曝光调整exposed = np.clip(image * exposure, 0, None)# 自动计算gamma值（如果未指定）if gamma is None:# 计算图像的平均亮度gray = cv2.cvtColor(exposed, cv2.COLOR_RGB2GRAY) if exposed.ndim == 3 else exposedmean_intensity = np.mean(gray)# 避免除以零if mean_intensity > 0:gamma = np.log(0.5) / np.log(mean_intensity)else:gamma = 2.2  # 默认值# 应用伽马校正ldr_image = np.power(exposed, 1.0 / gamma)# 将值归一化到[0, 1]范围ldr_image = np.clip(ldr_image, 0, 1)return ldr_imagedef local_tone_mapping(image, sigma=15, contrast=1.0):"""局部色调映射实现（基于拉普拉斯滤波）参数:image: numpy数组，输入的HDR图像sigma: 高斯核标准差，控制局部区域大小contrast: 对比度增强因子返回:numpy数组，处理后的LDR图像"""# 将图像转换为对数空间log_image = np.log1p(image)# 计算全局平均亮度global_mean = np.mean(log_image)# 计算局部亮度（使用高斯滤波）local_mean = cv2.GaussianBlur(log_image, (0, 0), sigma)# 计算局部对比度（拉普拉斯算子）laplacian = cv2.Laplacian(log_image, cv2.CV_64F)# 应用局部色调映射tonemapped = global_mean + contrast * (log_image - local_mean) + 0.5 * laplacian# 将图像转回线性空间ldr_image = np.expm1(tonemapped)# 将值归一化到[0, 1]范围ldr_image = np.clip(ldr_image / np.max(ldr_image), 0, 1)return ldr_imagedef main():# 创建示例HDR图像（这里使用合成图像）# 在实际应用中，你可能需要使用OpenCV或其他库读取真实的HDR图像h, w = 200, 200x = np.linspace(0, 1, w)y = np.linspace(0, 1, h)xx, yy = np.meshgrid(x, y)# 创建具有高动态范围的图像hdr_image = np.zeros((h, w, 3))hdr_image[:, :, 0] = 5.0 * np.exp(-10 * (xx - 0.3)**2 - 10 * (yy - 0.7)**2)  # 红色高光hdr_image[:, :, 1] = 2.0 * np.exp(-5 * (xx - 0.7)**2 - 5 * (yy - 0.3)**2)   # 绿色高光hdr_image[:, :, 2] = 1.0 * (xx + yy)                                              # 蓝色渐变# 应用全局色调映射（自动gamma）global_ldr_auto = global_tone_mapping(hdr_image, exposure=0.5)# 应用全局色调映射（手动gamma）global_ldr_manual = global_tone_mapping(hdr_image, gamma=2.2, exposure=0.5)# 应用局部色调映射local_ldr = local_tone_mapping(hdr_image, sigma=15, contrast=1.5)# 显示结果plt.figure(figsize=(15, 10))plt.subplot(221)plt.title('HDR Image (Scaled)')plt.imshow(np.clip(hdr_image / 5.0, 0, 1))  # 缩放以显示HDR图像plt.axis('off')plt.subplot(222)plt.title('Global Tone Mapping (Auto Gamma)')plt.imshow(global_ldr_auto)plt.axis('off')plt.subplot(223)plt.title('Global Tone Mapping (Manual Gamma=2.2)')plt.imshow(global_ldr_manual)plt.axis('off')plt.subplot(224)plt.title('Local Tone Mapping')plt.imshow(local_ldr)plt.axis('off')plt.tight_layout()plt.show()if __name__ == "__main__":main()

这个改进版本的全局色调映射函数允许：

  1. 当gamma参数为None时，自动根据图像平均亮度计算gamma值。
  2. 保留手动指定gamma值的选项，以满足特定需求。

在实际应用中，你可以根据图像内容和显示设备特性调整gamma值，或者使用自动计算功能获得较好的默认效果。

3. 局部色调映射怎么优化？

局部色调映射的优化可以从多个维度进行，包括算法改进、计算效率提升和视觉效果增强等方面。以下是几种常见的优化方法及其Python实现：

1. 多尺度分解优化

将图像分解为不同尺度的细节层和基础层，对每层应用不同的处理参数，保留更多细节的同时避免光晕现象。

2. 自适应滤波

使用导向滤波或双边滤波替代简单的高斯滤波，更好地保留边缘信息。

3. 对比度限制

引入对比度限制机制，防止局部对比度过度增强导致的伪影。

下面是优化后的局部色调映射实现：

import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as pltdef global_tone_mapping(image, gamma=None, exposure=1.0):"""全局色调映射实现参数:image: numpy数组，输入的HDR图像gamma: 伽马值，用于调整亮度分布。若为None，则自动计算exposure: 曝光值，用于调整整体亮度返回:numpy数组，处理后的LDR图像"""# 应用曝光调整exposed = np.clip(image * exposure, 0, None)# 自动计算gamma值（如果未指定）if gamma is None:# 计算图像的平均亮度gray = cv2.cvtColor(exposed, cv2.COLOR_RGB2GRAY) if exposed.ndim == 3 else exposedmean_intensity = np.mean(gray)# 避免除以零if mean_intensity > 0:gamma = np.log(0.5) / np.log(mean_intensity)else:gamma = 2.2  # 默认值# 应用伽马校正ldr_image = np.power(exposed, 1.0 / gamma)# 将值归一化到[0, 1]范围ldr_image = np.clip(ldr_image, 0, 1)return ldr_imagedef guided_filter(I, p, r, eps):"""导向滤波实现参数:I: 导向图像p: 输入图像r: 滤波半径eps: 正则化参数返回:numpy数组，滤波结果"""# 计算导向图像的均值mean_I = cv2.boxFilter(I, -1, (r, r))# 计算输入图像的均值mean_p = cv2.boxFilter(p, -1, (r, r))# 计算I和p的协方差corr_I = cv2.boxFilter(I * I, -1, (r, r))corr_Ip = cv2.boxFilter(I * p, -1, (r, r))# 计算方差和协方差var_I = corr_I - mean_I * mean_Icov_Ip = corr_Ip - mean_I * mean_p# 计算线性系数a = cov_Ip / (var_I + eps)b = mean_p - a * mean_I# 计算系数的均值mean_a = cv2.boxFilter(a, -1, (r, r))mean_b = cv2.boxFilter(b, -1, (r, r))# 输出结果q = mean_a * I + mean_breturn qdef optimized_local_tone_mapping(image, scales=3, sigma_base=15, sigma_detail=5, contrast=1.0, clip_limit=1.5):"""优化的局部色调映射实现（基于多尺度分解和导向滤波）参数:image: numpy数组，输入的HDR图像scales: 分解的尺度数sigma_base: 基础层滤波的标准差sigma_detail: 细节层滤波的标准差contrast: 对比度增强因子clip_limit: 局部对比度限制因子返回:numpy数组，处理后的LDR图像"""# 将图像转换为对数空间log_image = np.log1p(image)# 计算全局平均亮度global_mean = np.mean(log_image)# 初始化输出图像tonemapped = np.zeros_like(log_image)# 多尺度分解for s in range(scales):# 计算当前尺度的权重weight = 1.0 / (2 ** s)# 计算当前尺度的滤波参数sigma = sigma_base * (2 ** s)# 使用导向滤波计算基础层if s == 0:# 第一层使用原图作为导向if log_image.ndim == 3:# 对于彩色图像，使用亮度通道作为导向gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_RGB2GRAY)base = np.stack([guided_filter(gray, log_image[:,:,c], int(sigma), 0.01) for c in range(3)], axis=2)else:base = guided_filter(log_image, log_image, int(sigma), 0.01)else:# 后续层使用上一层的基础层作为导向if base.ndim == 3:gray_base = cv2.cvtColor(np.expm1(base), cv2.COLOR_RGB2GRAY)base = np.stack([guided_filter(gray_base, log_image[:,:,c], int(sigma), 0.01) for c in range(3)], axis=2)else:base = guided_filter(base, log_image, int(sigma), 0.01)# 计算细节层detail = log_image - base# 对比度限制detail_std = np.std(detail)detail = np.clip(detail, -clip_limit * detail_std, clip_limit * detail_std)# 应用细节增强enhanced_detail = detail * contrast# 累加结果tonemapped += weight * (global_mean + enhanced_detail)# 将图像转回线性空间ldr_image = np.expm1(tonemapped)# 将值归一化到[0, 1]范围ldr_image = np.clip(ldr_image / np.max(ldr_image), 0, 1)return ldr_imagedef main():# 创建示例HDR图像（这里使用合成图像）# 在实际应用中，你可能需要使用OpenCV或其他库读取真实的HDR图像h, w = 200, 200x = np.linspace(0, 1, w)y = np.linspace(0, 1, h)xx, yy = np.meshgrid(x, y)# 创建具有高动态范围的图像hdr_image = np.zeros((h, w, 3))hdr_image[:, :, 0] = 5.0 * np.exp(-10 * (xx - 0.3)**2 - 10 * (yy - 0.7)**2)  # 红色高光hdr_image[:, :, 1] = 2.0 * np.exp(-5 * (xx - 0.7)**2 - 5 * (yy - 0.3)**2)   # 绿色高光hdr_image[:, :, 2] = 1.0 * (xx + yy)                                              # 蓝色渐变# 应用全局色调映射（自动gamma）global_ldr_auto = global_tone_mapping(hdr_image, exposure=0.5)# 应用原始局部色调映射local_ldr_original = local_tone_mapping(hdr_image, sigma=15, contrast=1.5)# 应用优化的局部色调映射local_ldr_optimized = optimized_local_tone_mapping(hdr_image, scales=3, sigma_base=15, sigma_detail=5, contrast=1.5, clip_limit=1.5)# 显示结果plt.figure(figsize=(15, 10))plt.subplot(221)plt.title('HDR Image (Scaled)')plt.imshow(np.clip(hdr_image / 5.0, 0, 1))  # 缩放以显示HDR图像plt.axis('off')plt.subplot(222)plt.title('Global Tone Mapping')plt.imshow(global_ldr_auto)plt.axis('off')plt.subplot(223)plt.title('Original Local Tone Mapping')plt.imshow(local_ldr_original)plt.axis('off')plt.subplot(224)plt.title('Optimized Local Tone Mapping')plt.imshow(local_ldr_optimized)plt.axis('off')plt.tight_layout()plt.show()if __name__ == "__main__":main()

这个优化版本的局部色调映射具有以下特点：

  1. 多尺度分解：将图像分解为多个尺度的基础层和细节层，每层使用不同的处理参数。

  2. 导向滤波：替代简单的高斯滤波，更好地保留边缘信息，减少光晕现象。

  3. 对比度限制：对细节层进行对比度限制，防止局部对比度过度增强导致的伪影。

  4. 自适应权重：不同尺度层使用不同的权重，平衡全局和局部效果。

你可以通过调整scales、sigma_base、sigma_detail、contrast和clip_limit等参数来获得不同的视觉效果。例如：

  • 增加scales可以保留更多细节，但会增加计算复杂度。
  • 调整clip_limit可以控制局部对比度的增强程度。
  • 修改sigma_base和sigma_detail可以调整滤波的精细程度。

这些优化方法能够显著提升局部色调映射的效果，特别是在保留细节和减少伪影方面。

4. 还有哪些优化局部色调映射的思路？

除了前面提到的多尺度分解、导向滤波和对比度限制等方法，局部色调映射还有许多其他优化思路。以下是一些进阶的优化方向及其实现原理：

1. 基于视网膜感知模型的优化

模仿人眼视网膜的处理机制，将图像分为亮度通道和颜色通道分别处理：

  • 亮度通道：使用对数变换压缩动态范围，保留细节。
  • 颜色通道：通过色度保持算法避免颜色失真。
def retina_tone_mapping(image, alpha=0.5, beta=0.5):"""基于视网膜感知模型的色调映射"""# 分离亮度和色度lab = cv2.cvtColor((image * 255).astype(np.uint8), cv2.COLOR_RGB2LAB)L, a, b = cv2.split(lab)# 对数压缩亮度通道L_log = np.log1p(L.astype(np.float32) / 100.0)L_mapped = (L_log / np.max(L_log) * 100).astype(np.uint8)# 重构LAB图像并转回RGBlab_mapped = cv2.merge([L_mapped, a, b])rgb_mapped = cv2.cvtColor(lab_mapped, cv2.COLOR_LAB2RGB)return rgb_mapped.astype(np.float32) / 255.0

2. 直方图优化技术

通过改进的直方图处理增强局部对比度：

  • 自适应直方图均衡化（CLAHE）：将图像分块处理，避免全局直方图均衡化的过度增强问题。
  • 双直方图均衡化：分别处理亮度的上下部分，保留更多细节。
def clahe_tone_mapping(image, clip_limit=2.0, tile_grid_size=(8, 8)):"""使用CLAHE进行局部色调映射"""# 转换为LAB色彩空间lab = cv2.cvtColor((image * 255).astype(np.uint8), cv2.COLOR_RGB2LAB)L, a, b = cv2.split(lab)# 应用CLAHE到亮度通道clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=clip_limit, tileGridSize=tile_grid_size)L_clahe = clahe.apply(L)# 重构LAB图像并转回RGBlab_clahe = cv2.merge([L_clahe, a, b])rgb_clahe = cv2.cvtColor(lab_clahe, cv2.COLOR_LAB2RGB)return rgb_clahe.astype(np.float32) / 255.0

3. 梯度域优化

直接在梯度域操作，保留重要的梯度信息：

  • 梯度域滤波：对图像梯度进行滤波，避免传统方法中的光晕效应。
  • 梯度保留插值：在压缩动态范围的同时保留关键梯度。
def gradient_domain_tone_mapping(image, sigma=0.5, epsilon=0.01):"""梯度域色调映射"""# 计算亮度通道gray = cv2.cvtColor((image * 255).astype(np.uint8), cv2.COLOR_RGB2GRAY).astype(np.float32) / 255.0# 计算梯度sobelx = cv2.Sobel(gray, cv2.CV_64F, 1, 0, ksize=3)sobely = cv2.Sobel(gray, cv2.CV_64F, 0, 1, ksize=3)gradient_mag = np.sqrt(sobelx**2 + sobely**2)# 梯度压缩compressed_gradient = gradient_mag / (1 + sigma * gradient_mag)# 重建图像（简化版，实际需通过泊松方程求解）# 这里使用简化的方法：基于梯度比值调整亮度scale = compressed_gradient / (gradient_mag + epsilon)scaled_gray = gray * scale# 重构彩色图像scaled_rgb = image * np.stack([scaled_gray / (gray + epsilon)]*3, axis=2)scaled_rgb = np.clip(scaled_rgb, 0, 1)return scaled_rgb

4. 基于深度学习的方法

利用神经网络学习最优的色调映射函数：

  • CNN模型：端到端学习从HDR到LDR的映射。
  • 生成对抗网络（GAN）：生成更真实自然的结果。
# 简化的深度学习色调映射模型（实际需训练）
import tensorflow as tfdef build_tone_mapping_model(input_shape):"""构建简单的CNN色调映射模型"""model = tf.keras.Sequential([tf.keras.layers.Conv2D(32, (3,3), activation='relu', padding='same', input_shape=input_shape),tf.keras.layers.Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same'),tf.keras.layers.Conv2D(32, (3,3), activation='relu', padding='same'),tf.keras.layers.Conv2D(3, (3,3), activation='sigmoid', padding='same')])return model

5. 混合方法

结合多种技术的优势：

  • 全局+局部混合：先用全局方法处理基础亮度，再用局部方法增强细节。
  • 自适应参数调整：根据图像内容自动调整局部处理参数。
def hybrid_tone_mapping(image, global_weight=0.6, local_weight=0.4):"""混合全局和局部方法"""# 全局处理global_result = global_tone_mapping(image)# 局部处理local_result = optimized_local_tone_mapping(image)# 加权融合hybrid_result = global_weight * global_result + local_weight * local_resultreturn np.clip(hybrid_result, 0, 1)

6. GPU加速优化

对于实时应用，使用CUDA或OpenCL加速计算密集型操作：

  • 并行计算：将滤波、梯度计算等操作并行化。
  • 内存优化：减少中间结果的内存占用。
# 使用numba进行GPU加速示例
from numba import cuda@cuda.jit
def parallel_log_transform(src, dst):"""并行对数变换"""i, j = cuda.grid(2)if i < src.shape[0] and j < src.shape[1]:dst[i, j] = np.log1p(src[i, j])

优化方向总结

方法核心优势适用场景
视网膜感知模型符合人眼视觉特性，保色性好人像、风景照片
直方图优化增强局部对比度医学影像、监控视频
梯度域处理精确控制细节保留高动态范围场景
深度学习自适应学习最优映射复杂场景、高质量需求
混合方法平衡效率与效果通用场景
GPU加速实时处理视频、游戏等实时应用

这些方法可以根据具体需求组合使用，例如将深度学习模型与传统算法结合，或在GPU上加速混合方法，以达到最佳的视觉效果和处理效率。

5. 用 PyTorch 实现基于深度学习的色调映射方法

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision.transforms.functional as F
import os
from PIL import Image
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt# 定义色调映射模型
class ToneMappingNet(nn.Module):def __init__(self):super(ToneMappingNet, self).__init__()# 编码器部分 - 提取特征self.encoder = nn.Sequential(nn.Conv2d(3, 32, kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.ReLU(inplace=True),nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.ReLU(inplace=True),nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2))# 解码器部分 - 生成LDR图像self.decoder = nn.Sequential(nn.ConvTranspose2d(64, 32, kernel_size=2, stride=2),nn.ReLU(inplace=True),nn.Conv2d(32, 32, kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.ReLU(inplace=True),nn.Conv2d(32, 3, kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.Sigmoid()  # 将输出限制在[0,1]范围内)def forward(self, x):x = self.encoder(x)x = self.decoder(x)return x# 自定义数据集类
class HDRLDataset(Dataset):def __init__(self, hdr_dir, ldr_dir, transform=None):self.hdr_dir = hdr_dirself.ldr_dir = ldr_dirself.transform = transformself.hdr_files = sorted(os.listdir(hdr_dir))self.ldr_files = sorted(os.listdir(ldr_dir))# 确保HDR和LDR图像数量匹配assert len(self.hdr_files) == len(self.ldr_files), "HDR和LDR图像数量不匹配"def __len__(self):return len(self.hdr_files)def __getitem__(self, idx):hdr_path = os.path.join(self.hdr_dir, self.hdr_files[idx])ldr_path = os.path.join(self.ldr_dir, self.ldr_files[idx])# 加载HDR图像 (使用OpenCV或其他库读取HDR格式)hdr_img = cv2.imread(hdr_path, cv2.IMREAD_ANYDEPTH)hdr_img = cv2.cvtColor(hdr_img, cv2.COLOR_BGR2RGB)# 加载LDR图像ldr_img = Image.open(ldr_path).convert('RGB')# 应用变换if self.transform:hdr_img = self.transform(hdr_img)ldr_img = self.transform(ldr_img)# 将HDR图像转换为Tensor并归一化hdr_tensor = torch.tensor(hdr_img, dtype=torch.float32).permute(2, 0, 1)ldr_tensor = transforms.ToTensor()(ldr_img)return hdr_tensor, ldr_tensor# 训练函数
def train_model(model, train_loader, criterion, optimizer, device, epochs=100):model.train()for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0for hdr_images, ldr_images in train_loader:hdr_images = hdr_images.to(device)ldr_images = ldr_images.to(device)# 前向传播outputs = model(hdr_images)loss = criterion(outputs, ldr_images)# 反向传播和优化optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()running_loss += loss.item()# 打印训练信息avg_loss = running_loss / len(train_loader)print(f'Epoch {epoch+1}/{epochs}, Loss: {avg_loss:.6f}')return model# 推理函数
def predict(model, hdr_image, device):model.eval()with torch.no_grad():hdr_tensor = torch.tensor(hdr_image, dtype=torch.float32).permute(2, 0, 1).unsqueeze(0).to(device)ldr_pred = model(hdr_tensor)ldr_pred = ldr_pred.squeeze(0).cpu().permute(1, 2, 0).numpy()return ldr_pred# 可视化结果
def visualize_results(hdr_image, ldr_pred, ldr_gt=None):plt.figure(figsize=(15, 5))plt.subplot(131)plt.title('HDR Image (Scaled)')# 缩放HDR图像以便显示hdr_scaled = np.clip(hdr_image / np.max(hdr_image), 0, 1)plt.imshow(hdr_scaled)plt.axis('off')plt.subplot(132)plt.title('Predicted LDR')plt.imshow(ldr_pred)plt.axis('off')if ldr_gt is not None:plt.subplot(133)plt.title('Ground Truth LDR')plt.imshow(ldr_gt)plt.axis('off')plt.tight_layout()plt.show()# 主函数
def main():# 设置设备device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')# 初始化模型model = ToneMappingNet().to(device)# 定义损失函数和优化器criterion = nn.MSELoss()optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)# 创建数据集和数据加载器# 注意：需要准备HDR-LDR图像对数据集transform = transforms.Compose([transforms.Resize((256, 256)),transforms.RandomCrop(224),transforms.RandomHorizontalFlip()])# 实际使用时替换为你的数据集路径train_dataset = HDRLDataset(hdr_dir='./data/hdr_train', ldr_dir='./data/ldr_train', transform=transform)train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=4, shuffle=True)# 训练模型model = train_model(model, train_loader, criterion, optimizer, device, epochs=50)# 保存模型torch.save(model.state_dict(), 'tone_mapping_model.pth')# 加载模型进行推理model.load_state_dict(torch.load('tone_mapping_model.pth'))# 示例：对单张图像进行推理# 注意：需要提供HDR图像进行测试test_hdr_image = cv2.imread('test.hdr', cv2.IMREAD_ANYDEPTH)test_hdr_image = cv2.cvtColor(test_hdr_image, cv2.COLOR_BGR2RGB)# 预处理测试图像test_hdr_image = cv2.resize(test_hdr_image, (224, 224))test_hdr_image = test_hdr_image / np.max(test_hdr_image)  # 归一化# 预测ldr_prediction = predict(model, test_hdr_image, device)# 可视化结果visualize_results(test_hdr_image, ldr_prediction)if __name__ == "__main__":main()

当然可以！以下是使用PyTorch实现基于深度学习的色调映射方法，包括模型定义、训练流程和推理代码：

这个实现包含以下核心组件：

  1. ToneMappingNet模型：

    • 使用编码器-解码器架构
    • 包含卷积层和上采样层
    • 输出范围通过Sigmoid限制在[0,1]

  2. HDRLDataset数据集类：

    • 处理HDR-LDR图像对
    • 支持图像变换和增强

  3. 训练流程：

    • 使用MSE损失函数
    • Adam优化器
    • 支持多轮训练

  4. 推理功能：

    • 对单张HDR图像进行处理
    • 返回预测的LDR图像

  5. 可视化工具：

    • 对比显示HDR原图和生成的LDR图像

使用时需要准备HDR-LDR图像对数据集，其中HDR图像作为输入，对应的LDR图像作为目标输出。模型会学习它们之间的映射关系。

对于更复杂的场景，可以考虑扩展网络结构，例如加入残差块、注意力机制或使用更先进的U-Net架构。此外，还可以尝试使用感知损失（如VGG特征损失）来提高视觉质量。

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