Stereoscopic high dynamic range imaging

Two modern technologies show promise to dramatically increase immersion in virtual environments. Stereoscopic imaging captures two images representing the views of both eyes and allows for better depth perception. High dynamic range (HDR) imaging accurately represents real world lighting as opposed to traditional low dynamic range (LDR) imaging. HDR provides a better contrast and more natural looking scenes. The combination of the two technologies in order to gain advantages of both has been, until now, mostly unexplored due to the current limitations in the imaging pipeline. This thesis reviews both fields, proposes stereoscopic high dynamic range (SHDR) imaging pipeline outlining the challenges that need to be resolved to enable SHDR and focuses on capture and compression aspects of that pipeline. The problems of capturing SHDR images that would potentially require two HDR cameras and introduce ghosting, are mitigated by capturing an HDR and LDR pair and using it to generate SHDR images. A detailed user study compared four different methods of generating SHDR images. Results demonstrated that one of the methods may produce images perceptually indistinguishable from the ground truth. Insights obtained while developing static image operators guided the design of SHDR video techniques. Three methods for generating SHDR video from an HDR-LDR video pair are proposed and compared to the ground truth SHDR videos. Results showed little overall error and identified a method with the least error. Once captured, SHDR content needs to be efficiently compressed. Five SHDR compression methods that are backward compatible are presented. The proposed methods can encode SHDR content to little more than that of a traditional single LDR image (18% larger for one method) and the backward compatibility property encourages early adoption of the format. The work presented in this thesis has introduced and advanced capture and compression methods for the adoption of SHDR imaging. In general, this research paves the way for a novel field of SHDR imaging which should lead to improved and more realistic representation of captured scenes

Variational image fusion

The main goal of this work is the fusion of multiple images to a single composite that offers more information than the individual input images. We approach those fusion tasks within a variational framework. First, we present iterative schemes that are well-suited for such variational problems and related tasks. They lead to efficient algorithms that are simple to implement and well-parallelisable. Next, we design a general fusion technique that aims for an image with optimal local contrast. This is the key for a versatile method that performs well in many application areas such as multispectral imaging, decolourisation, and exposure fusion. To handle motion within an exposure set, we present the following two-step approach: First, we introduce the complete rank transform to design an optic flow approach that is robust against severe illumination changes. Second, we eliminate remaining misalignments by means of brightness transfer functions that relate the brightness values between frames. Additional knowledge about the exposure set enables us to propose the first fully coupled method that jointly computes an aligned high dynamic range image and dense displacement fields. Finally, we present a technique that infers depth information from differently focused images. In this context, we additionally introduce a novel second order regulariser that adapts to the image structure in an anisotropic way.Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Fusion mehrerer Bilder zu einem Einzelbild, das mehr Informationen bietet als die einzelnen Eingangsbilder. Wir verwirklichen diese Fusionsaufgaben in einem variationellen Rahmen. Zunächst präsentieren wir iterative Schemata, die sich gut für solche variationellen Probleme und verwandte Aufgaben eignen. Danach entwerfen wir eine Fusionstechnik, die ein Bild mit optimalem lokalen Kontrast anstrebt. Dies ist der Schlüssel für eine vielseitige Methode, die gute Ergebnisse für zahlreiche Anwendungsbereiche wie Multispektralaufnahmen, Bildentfärbung oder Belichtungsreihenfusion liefert. Um Bewegungen in einer Belichtungsreihe zu handhaben, präsentieren wir folgenden Zweischrittansatz: Zuerst stellen wir die komplette Rangtransformation vor, um eine optische Flussmethode zu entwerfen, die robust gegenüber starken Beleuchtungsänderungen ist. Dann eliminieren wir verbleibende Registrierungsfehler mit der Helligkeitstransferfunktion, welche die Helligkeitswerte zwischen Bildern in Beziehung setzt. Zusätzliches Wissen über die Belichtungsreihe ermöglicht uns, die erste vollständig gekoppelte Methode vorzustellen, die gemeinsam ein registriertes Hochkontrastbild sowie dichte Bewegungsfelder berechnet. Final präsentieren wir eine Technik, die von unterschiedlich fokussierten Bildern Tiefeninformation ableitet. In diesem Kontext stellen wir zusätzlich einen neuen Regularisierer zweiter Ordnung vor, der sich der Bildstruktur anisotrop anpasst

Variational image fusion

The main goal of this work is the fusion of multiple images to a single composite that offers more information than the individual input images. We approach those fusion tasks within a variational framework. First, we present iterative schemes that are well-suited for such variational problems and related tasks. They lead to efficient algorithms that are simple to implement and well-parallelisable. Next, we design a general fusion technique that aims for an image with optimal local contrast. This is the key for a versatile method that performs well in many application areas such as multispectral imaging, decolourisation, and exposure fusion. To handle motion within an exposure set, we present the following two-step approach: First, we introduce the complete rank transform to design an optic flow approach that is robust against severe illumination changes. Second, we eliminate remaining misalignments by means of brightness transfer functions that relate the brightness values between frames. Additional knowledge about the exposure set enables us to propose the first fully coupled method that jointly computes an aligned high dynamic range image and dense displacement fields. Finally, we present a technique that infers depth information from differently focused images. In this context, we additionally introduce a novel second order regulariser that adapts to the image structure in an anisotropic way.Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Fusion mehrerer Bilder zu einem Einzelbild, das mehr Informationen bietet als die einzelnen Eingangsbilder. Wir verwirklichen diese Fusionsaufgaben in einem variationellen Rahmen. Zunächst präsentieren wir iterative Schemata, die sich gut für solche variationellen Probleme und verwandte Aufgaben eignen. Danach entwerfen wir eine Fusionstechnik, die ein Bild mit optimalem lokalen Kontrast anstrebt. Dies ist der Schlüssel für eine vielseitige Methode, die gute Ergebnisse für zahlreiche Anwendungsbereiche wie Multispektralaufnahmen, Bildentfärbung oder Belichtungsreihenfusion liefert. Um Bewegungen in einer Belichtungsreihe zu handhaben, präsentieren wir folgenden Zweischrittansatz: Zuerst stellen wir die komplette Rangtransformation vor, um eine optische Flussmethode zu entwerfen, die robust gegenüber starken Beleuchtungsänderungen ist. Dann eliminieren wir verbleibende Registrierungsfehler mit der Helligkeitstransferfunktion, welche die Helligkeitswerte zwischen Bildern in Beziehung setzt. Zusätzliches Wissen über die Belichtungsreihe ermöglicht uns, die erste vollständig gekoppelte Methode vorzustellen, die gemeinsam ein registriertes Hochkontrastbild sowie dichte Bewegungsfelder berechnet. Final präsentieren wir eine Technik, die von unterschiedlich fokussierten Bildern Tiefeninformation ableitet. In diesem Kontext stellen wir zusätzlich einen neuen Regularisierer zweiter Ordnung vor, der sich der Bildstruktur anisotrop anpasst