17-EFT.WP.Methods.Imaging v1.0 | 第11章 HDR 与曝光融合

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第11章 HDR 与曝光融合

一句话目标：以可追溯的线性辐射域为基准，将多曝光/多增益观测在对齐与防重影的约束下稳健合并，得到高动态范围的场景参照表示，并映射到目标传输系统（PQ/HLG/传统 OETF）发布。

I. 范围与对象

1. 输入
   • 多帧原始观测：{I_k_raw}, k=1..K（可能含拜耳/多谱、不同 t_k, ISO_k, ND_k, a_k）。
   • 标定与响应：相机响应 f 或查表 LUT_inv, 黑电平 D, 平场与 PRNU/DSNU，饱和阈值 S_max。
   • 时序与几何：ts|tau_mono, 滚快/全局快门模式，参考帧索引 k_ref，对齐模型 W_k。
   • 噪声与增益：读噪 sigma_r, 电子增益 G_k，总曝光因子 K_k = t_k * a_k * G_k * ND_k。
   • 渲染目标：dst_cs 与 OETF ∈ {sRGB, PQ, HLG, GammaX}，显示峰值或目标亮度 L_peak。
2. 输出
   • 场景参照 HDR：E_hat 或 L_hat（线性辐照度/亮度），可选 OpenEXR/float16。
   • 显示参照图像：RGB_out（经 tone mapping 与 OETF），以及 hdr10/hlg 元数据（可选）。
   • 工件与清单：hdr_profile.v1、ghost_mask、sat_mask_k、manifest.imaging.hdr、hash_sha256(profile)、signature。
3. 适用边界
   • 支持包围曝光、双增益读出、交替 ISO、多摄融合；跨模态融合需先完成第10章色彩绑定。
   • 对高速运动与频闪光源，默认启用重影抑制与曝光一致化；失败时回退到最佳单帧。

II. 名词与变量

1. 成像与物理
   • E(x,y)：irradiance；L：radiance；f：camera response；D：black level；S_max：saturation level。
   • K_k = t_k * a_k * G_k * ND_k：net exposure factor；y_k：pixel value；n_k：noise。
2. 估计与融合
   • E_hat_k = ( f^{-1}(y_k) - D ) / K_k：per-frame irradiance estimate。
   • w_k(x,y)：weight；sat_mask_k = 1{ y_k ≥ S_thr }；ghost_mask：motion/occlusion mask。
   • W_k：warp from frame k to k_ref；Ω_valid：valid domain after warping。
3. 度量
   • DR_scene = log2( max(E_hat) / min_pos(E_hat) )；DR_gain = DR_out - DR_ref。
   • ghost_rate = |ghost_mask| / |Ω_valid|；halo_score：边缘晕影度量；banding_rate。
   • SNR_k ≈ E_hat_k / sqrt( sigma_r^2 / K_k^2 + sigma_s * E_hat_k / K_k )（sigma_s 近似光子噪系数）。

III. 公设 P211-*

• P211-1（线性域融合）：HDR 融合必须在线性辐射域完成，先执行 black/flat/PRNU/DSNU 校正与 f^{-1} 线性化。
• P211-2（元数据可信）：K_k、G_k、t_k、a_k、ND_k 必须可审计，误差超阈值时拒绝融合或自校正。
• P211-3（对齐优先）：多帧在 tau_mono 上对齐，几何配准达到阈值后方可进入融合；滚快需行时校正。
• P211-4（饱和剔除）：sat_mask_k=1 的像素不参与辐射估计，优先使用短曝光替代。
• P211-5（重影抑制）：在 ghost_mask=1 区域，采用单帧策略或稳健权重，保证因果一致。
• P211-6（噪声感知）：权重与阈值需显式依赖 SNR_k，低照/高 ISO 采用上界抑噪。
• P211-7（渲染分离）：tone mapping 与 OETF 属显示参照步骤，不得反向影响场景参照 HDR。
• P211-8（可追溯发布）：合并模型、参数与掩码随 hdr_profile.v1 出库并签名。

IV. 最小方程 S211-*

• S211-1（观测模型）
  y_k = f( K_k * E + n_k )，其中 n_k 含读噪与信号相关噪声。
• S211-2（线性化与标定）
  E_hat_k = ( f^{-1}( y_k ) - D ) / K_k，当 RAW 即线性时，f^{-1} 为恒等。
• S211-3（SNR 与方差）
  var(E_hat_k) ≈ ( sigma_r^2 + sigma_s * K_k * E ) / K_k^2，以此定义 w_k ∝ 1 / var(E_hat_k)。
• S211-4（经典权重族）
  三角权重：w_tri(z) = min(z, Z_max - z)；置信权重：w_conf = 1 / ( var + eps )；
  组合权重：w_k = (1 - sat_mask_k) * (1 - ghost_mask) * clamp( w_conf, 0, w_max )。
• S211-5（稳健融合）
  E_hat = ( ∑_k w_k * E_hat_k ) / ( ∑_k w_k )，并可用 M-estimator（Huber/Tukey）替换平方损失。
• S211-6（对齐与域）
  I_k' = W_k( I_k )，E_hat_k' = W_k( E_hat_k )，融合域 Ω = ⋂_k dom(I_k')。
• S211-7（重影检测）
  ghost_mask = 1{ MAD( {E_hat_k'} ) > tol_ghost } ∨ 1{ |∇I_k' - ∇I_ref| > tol_edge }。
• S211-8（全局 tone mapping 示意）
  T_global(L) = L / ( 1 + L / L_white )；RGB_out = OETF( M_dst^{-1} * CAT * M_ccm * wb * T_global(E_hat) )。
• S211-9（局部 tone mapping 正则）
  T_local = L / ( 1 + B_σ * L )，其中 B_σ 为保边缘的低通（引导/双边），并以 ∥∇T_local - ∇L∥ 正则避免 halo。

V. 流水线与操作流程 M110-*

• M110-1 就绪：读取 {I_k_raw}, meta 与标定；执行 check_dim；生成 K_k 与饱和阈值 S_thr。
• M110-2 线性化与校正：I_k_lin = flat(prnu(dsnu( f^{-1}(I_k_raw) ))) - D；按 CFA 维持像素位相一致。
• M110-3 时间与几何对齐：在 tau_mono 对齐，估计 W_k（金字塔光流/特征匹配 + RANSAC），滚快行时矫正。
• M110-4 重影候选：基于亮度一致性与梯度一致性生成 ghost_mask_seed，再以时空连通性细化。
• M110-5 单帧辐射估计：E_hat_k = (I_k_lin - D)/K_k；估计 var(E_hat_k) 与 SNR_k。
• M110-6 权重生成：w_k = g(SNR_k) * (1 - sat_mask_k) * (1 - ghost_mask) 并裁剪到 [0,w_max]。
• M110-7 融合：E_hat = sum(w_k * W_k(E_hat_k)) / sum(w_k)；对异常残差应用 M-estimator 抑制。
• M110-8 白平衡与色彩路径：在场景参照域按第10章执行 wb → M_ccm → CAT，保持线性。
• M110-9 tone 映射与 OETF：依据目标系统选择 T_global/T_local，再应用 OETF ∈ {PQ, HLG, sRGB}。
• M110-10 质量评估：计算 DR_scene, ghost_rate, halo_score, banding_rate 与边缘细节指标。
• M110-11 契约与回退：若 ghost_rate > tol_ghost 或 halo_score > tol_halo，降级到单帧或只做局部增强。
• M110-12 落盘与签名：输出 E_hat/RGB_out、ghost_mask、sat_mask_k、hdr_profile.v1 与 manifest.imaging.hdr。

VI. 契约与断言

• assert linear_merge_domain：f^{-1} 与 flat/PRNU/DSNU 已完成，unit(E_hat_k)="a.u."，dim(E_hat_k) 一致。
• assert meta_consistency：var(K_k)/mean(K_k) ≤ tol_exposure_var，否则执行自标定或拒绝。
• assert align_quality：EPE ≤ tol_align_epe 且 inlier_ratio ≥ tol_inlier。
• assert saturation_exclusion：sat_mask_k 在高光区域充分覆盖，spill_rate ≤ tol_spill。
• assert ghosting：ghost_rate ≤ tol_ghost。
• assert halo_banding：halo_score ≤ tol_halo 且 banding_rate ≤ tol_banding。
• assert dr_gain：DR_gain ≥ tol_dr_gain 或记录原因（场景本身低动态）。
• assert render_binding：OETF、T、M_ccm/CAT/M_dst 与 hdr_profile.v1 哈希一致。

VII. 实现绑定 I110-*

• I110-1 inv_response(raw, LUT_inv) -> lin
• I110-2 calibrate_flat_prnu_dsnu(lin, calib) -> lin'
• I110-3 build_exposure_factor(meta) -> {K_k}
• I110-4 align_multi_exposure(frames, mode) -> {W_k}, metrics
• I110-5 estimate_noise_params(frames, meta) -> {sigma_r, sigma_s}
• I110-6 estimate_irradiance(frame_lin, K_k, D) -> E_hat_k
• I110-7 make_weights({E_hat_k}, {sat_mask_k}, ghost_mask, SNR) -> {w_k}
• I110-8 robust_merge({E_hat_k}, {w_k}, {W_k}) -> E_hat
• I110-9 tone_map(E_hat, mode, params) -> E_tone
• I110-10 encode_oetf(E_tone, oetf, L_peak) -> RGB_out
• I110-11 evaluate_hdr_metrics(E_hat, masks) -> {DR_scene, ghost_rate, halo_score, banding_rate}
• I110-12 emit_hdr_profile(params, hashes) -> hdr_profile.v1
• I110-13 bind_manifest_hdr(profile, metrics, masks) -> manifest.imaging.hdr

VIII. 交叉引用

• 辐射度量与标定一致化：见本卷第4章，确保 f^{-1}, flat, PRNU/DSNU 的顺序与单位。
• 噪声建模与去噪：见本卷第7章，用于 w_k 与稳健融合的噪声先验。
• 平场/暗场与固定图样噪声：见本卷第8章，避免多曝光叠加的图样残留。
• 几何标定与配准：见本卷第9章，W_k 与 ghost_mask 的基础。
• 色彩管理：见本卷第10章，HDR 的白平衡与色域变换必须在场景参照域进行。
• 时间轴与同步清洗：见《Methods.Cleaning v1.0》第5章，多曝光在 tau_mono 上对齐与抖动记录。
• 数据规范：见《EFT.WP.Core.DataSpec v1.0》，hdr_profile.v1 与 manifest.imaging.hdr 字段定义与签名流程。

IX. 质量度量与风控

1. 指标与阈值
   • DR_scene, DR_gain, ghost_rate, halo_score, banding_rate, edge_acutance_change, artifact_rate。
   • 运行期监控：Delta_t 窗口内的 drift_exposure_meta, w_k 分布漂移，ghost_rate 突升告警。
2. 主要风险与处置
   • 频闪光源/LED PWM：跨曝光亮度不一致 → 曝光一致化回归或仅用短曝光。
   • 高速运动/遮挡：重影与错配 → 强化 ghost_mask，局部单帧替换。
   • 饱和外溢与反插值：高光边缘伪影 → 亚像素对齐 + 引导滤波 tone 映射。
   • 响应曲线误配：f^{-1} 偏差 → 在线 CRF 精校或灰卡自标定。
   • 资源与时延：流式场景下约束 thr/chan 流量（见《Threads》），必要时降阶权重与分块处理。

小结

• 本章给出 HDR 与曝光融合的可执行闭环：inv_response → calibrate → align/ghost → per-frame irradiance → SNR-aware weights → robust merge → color binding → tone/OETF。
• 以 DR_scene/ghost_rate/halo_score 为核心契约，失败有明确回退路径；随 hdr_profile.v1 与 manifest.imaging.hdr 出库，确保跨设备、跨场景的一致发布与审计。