Propuesta de arquitectura y circuitos para la mejora del rango dinámico de sistemas de visión en un chip diseñados en tecnologías CMOS profundamente submicrométrica

El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor. Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad, ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel. No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño del píxel. En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel, log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo. Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico. Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango dinámico. Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes

Tone mapping for high dynamic range images

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

Enhanced perception in volume visualization

Due to the nature of scientic data sets, the generation of convenient visualizations may be a difficult task, but crucial to correctly convey the relevant information of the data. When working with complex volume models, such as the anatomical ones, it is important to provide accurate representations, since a misinterpretation can lead to serious mistakes while diagnosing a disease or planning surgery. In these cases, enhancing the perception of the features of interest usually helps to properly understand the data. Throughout years, researchers have focused on different methods to improve the visualization of volume data sets. For instance, the definition of good transfer functions is a key issue in Volume Visualization, since transfer functions determine how materials are classified. Other approaches are based on simulating realistic illumination models to enhance the spatial perception, or using illustrative effects to provide the level of abstraction needed to correctly interpret the data. This thesis contributes with new approaches to enhance the visual and spatial perception in Volume Visualization. Thanks to the new computing capabilities of modern graphics hardware, the proposed algorithms are capable of modifying the illumination model and simulating illustrative motifs in real time. In order to enhance local details, which are useful to better perceive the shape and the surfaces of the volume, our first contribution is an algorithm that employs a common sharpening operator to modify the lighting applied. As a result, the overall contrast of the visualization is enhanced by brightening the salient features and darkening the deeper regions of the volume model. The enhancement of depth perception in Direct Volume Rendering is also covered in the thesis. To do this, we propose two algorithms to simulate ambient occlusion: a screen-space technique based on using depth information to estimate the amount of light occluded, and a view-independent method that uses the density values of the data set to estimate the occlusion. Additionally, depth perception is also enhanced by adding halos around the structures of interest. Maximum Intensity Projection images provide a good understanding of the high intensity features of the data, but lack any contextual information. In order to enhance the depth perception in such a case, we present a novel technique based on changing how intensity is accumulated. Furthermore, the perception of the spatial arrangement of the displayed structures is also enhanced by adding certain colour cues. The last contribution is a new manipulation tool designed for adding contextual information when cutting the volume. Based on traditional illustrative effects, this method allows the user to directly extrude structures from the cross-section of the cut. As a result, the clipped structures are displayed at different heights, preserving the information needed to correctly perceive them.Debido a la naturaleza de los datos científicos, visualizarlos correctamente puede ser una tarea complicada, pero crucial para interpretarlos de forma adecuada. Cuando se trabaja con modelos de volumen complejos, como es el caso de los modelos anatómicos, es importante generar imágenes precisas, ya que una mala interpretación de las mismas puede producir errores graves en el diagnóstico de enfermedades o en la planificación de operaciones quirúrgicas. En estos casos, mejorar la percepción de las zonas de interés, facilita la comprensión de la información inherente a los datos. Durante décadas, los investigadores se han centrado en el desarrollo de técnicas para mejorar la visualización de datos volumétricos. Por ejemplo, los métodos que permiten definir buenas funciones de transferencia son clave, ya que éstas determinan cómo se clasifican los materiales. Otros ejemplos son las técnicas que simulan modelos de iluminación realista, que permiten percibir mejor la distribución espacial de los elementos del volumen, o bien los que imitan efectos ilustrativos, que proporcionan el nivel de abstracción necesario para interpretar correctamente los datos. El trabajo presentado en esta tesis se centra en mejorar la percepción de los elementos del volumen, ya sea modificando el modelo de iluminación aplicado en la visualización, o simulando efectos ilustrativos. Aprovechando la capacidad de cálculo de los nuevos procesadores gráficos, se describen un conjunto de algoritmos que permiten obtener los resultados en tiempo real. Para mejorar la percepción de detalles locales, proponemos modificar el modelo de iluminación utilizando una conocida herramienta de procesado de imágenes (unsharp masking). Iluminando aquellos detalles que sobresalen de las superficies y oscureciendo las zonas profundas, se mejora el contraste local de la imagen, con lo que se consigue realzar los detalles de superficie. También se presentan diferentes técnicas para mejorar la percepción de la profundidad en Direct Volume Rendering. Concretamente, se propone modificar la iluminación teniendo en cuenta la oclusión ambiente de dos maneras diferentes: la primera utiliza los valores de profundidad en espacio imagen para calcular el factor de oclusión del entorno de cada pixel, mientras que la segunda utiliza los valores de densidad del volumen para aproximar dicha oclusión en cada vóxel. Además de estas dos técnicas, también se propone mejorar la percepción espacial y de la profundidad de ciertas estructuras mediante la generación de halos. La técnica conocida como Maximum Intensity Projection (MIP) permite visualizar los elementos de mayor intensidad del volumen, pero no aporta ningún tipo de información contextual. Para mejorar la percepción de la profundidad, proponemos una nueva técnica basada en cambiar la forma en la que se acumula la intensidad en MIP. También se describe un esquema de color para mejorar la percepción espacial de los elementos visualizados. La última contribución de la tesis es una herramienta de manipulación directa de los datos, que permite preservar la información contextual cuando se realizan cortes en el modelo de volumen. Basada en técnicas ilustrativas tradicionales, esta técnica permite al usuario estirar las estructuras visibles en las secciones de los cortes. Como resultado, las estructuras de interés se visualizan a diferentes alturas sobre la sección, lo que permite al observador percibirlas correctamente

Appearance-based image splitting for HDR display systems

High dynamic range displays that incorporate two optically-coupled image planes have recently been developed. This dual image plane design requires that a given HDR input image be split into two complementary standard dynamic range components that drive the coupled systems, therefore there existing image splitting issue. In this research, two types of HDR display systems (hardcopy and softcopy HDR display) are constructed to facilitate the study of HDR image splitting algorithm for building HDR displays. A new HDR image splitting algorithm which incorporates iCAM06 image appearance model is proposed, seeking to create displayed HDR images that can provide better image quality. The new algorithm has potential to improve image details perception, colorfulness and better gamut utilization. Finally, the performance of the new iCAM06-based HDR image splitting algorithm is evaluated and compared with widely spread luminance square root algorithm through psychophysical studies

A JPEG backward-compatible HDR image compression

High Dynamic Range (HDR) imaging is expected to become one of the technologies that could shape next generation of consumer digital photography. Manufacturers are rolling out cameras and displays capable of capturing and rendering HDR images. The popularity and full public adoption of HDR content is however hindered by the lack of standards in evaluation of quality, file formats, and compression, as well as large legacy base of Low Dynamic Range (LDR) displays that are unable to render HDR. To facilitate wide spread of HDR usage, the backward compatibility of HDR technology with commonly used legacy image storage, rendering, and compression is necessary. Although many tone-mapping algorithms were developed for generating viewable LDR images from HDR content, there is no consensus on which algorithm to use and under which conditions. This paper, via a series of subjective evaluations, demonstrates the dependency of perceived quality of the tone-mapped LDR images on environmental parameters and image content. Based on the results of subjective tests, it proposes to extend JPEG file format, as the most popular image format, in a backward compatible manner to also deal with HDR pictures. To this end, the paper provides an architecture to achieve such backward compatibility with JPEG and demonstrates efficiency of a simple implementation of this framework when compared to the state of the art HDR image compression

Enhancing Mesh Deformation Realism: Dynamic Mesostructure Detailing and Procedural Microstructure Synthesis

Propomos uma solução para gerar dados de mapas de relevo dinâmicos para simular deformações em superfícies macias, com foco na pele humana. A solução incorpora a simulação de rugas ao nível mesoestrutural e utiliza texturas procedurais para adicionar detalhes de microestrutura estáticos. Oferece flexibilidade além da pele humana, permitindo a geração de padrões que imitam deformações em outros materiais macios, como couro, durante a animação. As soluções existentes para simular rugas e pistas de deformação frequentemente dependem de hardware especializado, que é dispendioso e de difícil acesso. Além disso, depender exclusivamente de dados capturados limita a direção artística e dificulta a adaptação a mudanças. Em contraste, a solução proposta permite a síntese dinâmica de texturas que se adaptam às deformações subjacentes da malha de forma fisicamente plausível. Vários métodos foram explorados para sintetizar rugas diretamente na geometria, mas sofrem de limitações como auto-interseções e maiores requisitos de armazenamento. A intervenção manual de artistas na criação de mapas de rugas e mapas de tensão permite controle, mas pode ser limitada em deformações complexas ou onde maior realismo seja necessário. O nosso trabalho destaca o potencial dos métodos procedimentais para aprimorar a geração de padrões de deformação dinâmica, incluindo rugas, com maior controle criativo e sem depender de dados capturados. A incorporação de padrões procedimentais estáticos melhora o realismo, e a abordagem pode ser estendida além da pele para outros materiais macios.We propose a solution for generating dynamic heightmap data to simulate deformations for soft surfaces, with a focus on human skin. The solution incorporates mesostructure-level wrinkles and utilizes procedural textures to add static microstructure details. It offers flexibility beyond human skin, enabling the generation of patterns mimicking deformations in other soft materials, such as leater, during animation. Existing solutions for simulating wrinkles and deformation cues often rely on specialized hardware, which is costly and not easily accessible. Moreover, relying solely on captured data limits artistic direction and hinders adaptability to changes. In contrast, our proposed solution provides dynamic texture synthesis that adapts to underlying mesh deformations. Various methods have been explored to synthesize wrinkles directly to the geometry, but they suffer from limitations such as self-intersections and increased storage requirements. Manual intervention by artists using wrinkle maps and tension maps provides control but may be limited to the physics-based simulations. Our research presents the potential of procedural methods to enhance the generation of dynamic deformation patterns, including wrinkles, with greater creative control and without reliance on captured data. Incorporating static procedural patterns improves realism, and the approach can be extended to other soft-materials beyond skin