【图像处理基石】什么是tone mapping？

1. 什么是tone mapping？

Tone mapping（色调映射）是一种用于将高动态范围（HDR）图像的颜色值映射到低动态范围（LDR）的技术，目的是使图像能够在有限动态范围的显示设备（如屏幕、打印机等）上呈现，同时尽可能保留视觉细节和自然观感。其核心作用包括：

1. 动态范围压缩
   现实世界的亮度范围（HDR）远超普通显示器或相纸的显示能力。例如，人眼可感知的亮度范围可达10^14:1，而普通LCD显示器仅为约1000:1。Tone mapping通过算法压缩HDR数据，使其适应设备的显示限制。

2. 视觉效果优化
   映射过程并非简单的线性压缩，而是结合人眼对亮度的非线性感知特性，优先保留高对比度区域的细节（如亮部不过曝、暗部不丢失层次），使结果更符合人类视觉习惯。例如，游戏引擎（如Unity的HDRP）通过体积框架动态调整色调映射参数，以实现更真实的画面表现。

3. 应用场景
   广泛应用于计算机图形学、摄影后期、影视渲染及实时渲染领域。例如，HDR照片需经tone mapping处理才能在普通屏幕上正确显示；游戏引擎通过该技术模拟真实光照效果，避免画面因动态范围不足而失真。

与Gamma校正不同，tone mapping关注的是动态范围的整体映射策略，而非仅对亮度进行幂律变换。其算法多样，包括全局映射（如Reinhard算法）和局部映射（如基于区域的对比度调整），具体选择取决于场景需求与性能限制。

2. Tone mapping在摄影和影视后期制作中的应用有什么不同？

Tone mapping在摄影和影视后期制作中的应用存在以下核心差异，结合知识库内容分析如下：

1. 核心目标差异

• 摄影领域：
  主要解决静态图像的动态范围压缩问题。由于相纸或普通显示器无法还原真实世界的高动态范围（如逆光场景中的亮部与暗部细节），需通过全局或局部映射算法（如Reinhard算法）将HDR数据压缩到LDR，同时保留视觉层次。例如，摄影师需确保单张照片中天空不过曝、阴影区域纹理清晰。

• 影视后期：
  需处理动态影像序列的连续性与一致性。影视作品需在动态画面中维持稳定的视觉效果，避免因帧间亮度剧烈变化导致观感不适。此外，影视后期常结合色彩分级（Color Grading）调整整体氛围，例如在UE4引擎中通过Tone mapping将HDR渲染结果映射到LDR时，需兼顾艺术风格与物理真实感。

2. 技术实现差异

• 摄影领域：
  多采用全局色调映射（Global Tonemapping），即对整张图像应用统一参数压缩动态范围。例如，使用“ACES曲线”平衡高光与阴影，或通过S曲线增强对比度。此类方法计算效率高，适合单帧处理。

• 影视后期：
  更依赖局部色调映射（Local Tonemapping）与自适应算法。例如，在复杂光照场景中，对不同区域（如人脸、背景）动态调整压缩强度，避免全局映射导致的细节丢失或色彩失真。此外，影视渲染需考虑运动模糊、镜头光晕等特效与Tone mapping的兼容性。

3. 应用场景差异

• 摄影领域：
  侧重单帧优化与输出设备适配。例如，HDR照片需经Tone mapping处理后才能在普通显示器或相纸上准确呈现。摄影师可能手动调整参数以突出特定细节（如星空摄影中的银河与地景）。

• 影视后期：
  需实现多帧一致性与艺术表达。影视作品需在时间轴上保持亮度与色彩的连贯性，同时通过Tone mapping强化叙事（如低对比度映射营造压抑氛围，高对比度映射突出戏剧冲突）。此外，实时渲染场景（如游戏引擎）需平衡Tone mapping的性能开销与画质。

摄影中的Tone mapping聚焦于静态图像的物理真实感与设备适配，而影视后期更注重动态序列的艺术表达与技术复杂度。两者均需权衡动态范围压缩与细节保留，但影视领域需额外解决时间连续性、渲染性能等挑战。

3. 用python实现一个简单的tone mapping算法

以下是一个基于Python和OpenCV的简单全局Tone Mapping算法实现（以Drago算法为例），适用于HDR图像的动态范围压缩：

import cv2
import numpy as np

def simple_tonemap(hdr_image_path, gamma=2.2):
    # 读取HDR图像（需为.exr或.hdr格式）
    hdr_image = cv2.imread(hdr_image_path, flags=cv2.IMREAD_ANYDEPTH)
    
    # 创建Drago Tonemapping对象（全局算法）
    tonemap = cv2.createTonemapDrago(gamma=gamma)
    
    # 执行色调映射（HDR转LDR）
    ldr_image = tonemap.process(hdr_image.copy())
    
    # 将结果归一化到0-255并转换为8位图像
    ldr_image = np.clip(ldr_image * 255, 0, 255).astype(np.uint8)
    
    return ldr_image

# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    hdr_path = "input.hdr"  # 替换为你的HDR文件路径
    result = simple_tonemap(hdr_path, gamma=2.2)
    cv2.imwrite("output.jpg", result)

关键点说明：

1. HDR图像输入：需使用支持高动态范围的格式（如.hdr/.exr），可通过多张不同曝光的LDR图像合成
2. Drago算法：基于对数映射的全局压缩方法，通过gamma参数控制亮度非线性响应
3. 动态范围压缩：ldr_image = np.clip(...)确保输出符合8位显示设备的0-255范围

扩展建议：

• 可尝试其他算法如Reinhard（cv2.createTonemapReinhard()）
• 局部映射需结合双边滤波或金字塔分解
• 调整gamma值可优化暗部/亮部细节保留程度

需要安装依赖库：

pip install opencv-python numpy