动态范围是指图像或场景中像素最大亮度与最小亮度的比值。传统图像格式使用8位二进制整数表示每个颜色分量,其动态范围为100:1,而真实场景的动态范围远远超出这一范围,因此传统图像格式无法真实地表达动态范围很高的场景。高动态范围图像是针对这一问题所设计的新型图像格式,通常使用浮点数来表示每个颜色分量,这样能够表达更高的动态范围。色调映射是指将一幅高动态范围图像转换为低动态范围图像的方法,更确切地说,它是一种将现实场景的亮度值映射到显示设备所能显示的范围的方法。高动态范围图像最早用于游戏场景的渲染,因其能够提供精美的显示效果,应用范围越来越广泛,一些消费级设备已经能够进行高动态范围成像,很多软件也提供了多曝光合成高动态范围图像的功能。为发挥高动态范围图像的优势,优秀的色调映射算法是必不可少的。本文提出了基于亮度分层的滤波和能量优化的色调映射算法,可以自动完成色调映射,也可让用户对结果进行交互式的调整,得到用户主观满意的结果。本文的主要贡献有:1、提出了一种基于亮度分层的快速三边滤波器算法。通过对三边滤波器中的梯度滤波阶段进行加速,把图像按照像素亮度值分成多层,对于每一层计算两幅中间图像,梯度滤波的结果可由在中间图像上进行高斯滤波得到。实验结果表明,使用该算法进行高动态范围图像的色调映射,速度较原三边滤波器提高约10至15倍。对于大多数场景,获得的低动态范围图像的视觉质量接近于原三边滤波器。2、实现了一个交互式的色调调整算法,首先定义了一个用来求解用户交互的能量方程,考虑了任意两像素间相似度,由所有像素间的相似度构成的矩阵称为像素相似度矩阵,使用其低秩近似表示高效的求解用户交互,实验结果证明此方法只需要粗略的用户交互即可实时的产生精确的、具有边缘保持特性结果。探讨了画笔“溢出”问题的原因并给出了一种解决方法。还引入了像素的扩散映射特征和扩散距离,并用低秩近似法求扩散距离,实验结果证明使用扩散距离的结果比欧氏距离具有更好的边缘保持特性,最后对扩散映射和扩散距离给出了一种更直观的解读,并讨论了如何利用图像分割技术设计新的图像特征。3、设计了一个合理的工作流程,可以在不保存大量中间结果的情况下,使用户能够实时的增加画笔或者撤销之前某一画笔的影响,有效控制了空间开销。