CN103957343B - 一种彩色误差扩散方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种彩色误差扩散方法。一般数字打印机、印刷机只有非常有限的颜色可以输出。本发明方法首先将彩色图像经过色彩转换后获得再现设备色空间的图像，获得的图像分解为多个色平面的灰度图像；然后选择一种二值灰度误差扩散方法进行处理，并将选择的二值灰度误差扩散方法扩展至多级灰度误差扩散方法；对获得的再现设备色空间中的彩色图像进行量化和误差扩散处理。本发明方法引入嵌入式多级灰度误差扩散方法控制输出重叠点的数量，该方法在输出色空间中进行量化处理，避免了复杂的色彩转换带来的色彩失真，既能够有效控制重叠点的产生，又能满足任意数量色平面颜色空间的输出需求。

Description

一种彩色误差扩散方法

技术领域

本发明属于图像再现技术领域，具体涉及一种彩色误差扩散方法。该方法适用于彩色图像再现***，特别是彩色数字图像打印、图像显示等***中。

背景技术

一般数字打印机、印刷机只有非常有限的颜色可以输出，它们不能准确再现一幅具有256级色阶的彩色数字图像。数字半色调技术就是为解决这类问题而产生的，它是基于人眼的视觉特性和图像成色特性，利用数学计算工具在二值或多色二值(包括多级灰度)显色设备上精确实现连续色阶图像再现的技术。该技术可以将一幅高分辨率色阶的图像转换为低分辨率的二值(或多值)图像。该技术被广泛应用于打印、印刷、显示设备与图像的输出，还被用于数字图像的压缩存储、水印加密等领域。数字半色调技术可以分为点处理方法、邻域处理方法和迭代方法。误差扩散方法属于邻域处理方法，是一种性能较好、处理复杂度较低的方法，通常被广泛应用于高速图像再现***。

图1是灰度图像误差扩散方法的典型模块图，其中的误差扩散器可以采用不同的误差扩散系数矩阵获得不同的误差扩散结果。其中输入I[m]表示原始的连续色阶图像，O[m]是误差扩散的输出图像，[m]是图像点在原始图像中的位置(通常可以用二维坐标表示)，T是量化阈值，B是误差扩散系数矩阵(图2是Floyd和Steinberg提出的误差扩散系数矩阵)，M是误差扩散系数矩阵的规模，E[m-i]是量化误差，A[m]是经传入量化误差修正后的量化器输入。误差扩散方法的数学模型可以用式(1)和式(2)表示：

式(1)

$A\left[m\right]=I\left[m\right]+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i\·E[m-i]$ 式(2)

为保证误差被全部扩散至未处理的图像上，B的和为1。即：

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i=1$ 式(3)

误差扩散基本是自上而下、从左到右或从右到左扫描光栅图像上像数点，与阈值比较并进行差分量化，把量化误差按照一定的比例分散传播给尚未处理的相邻像数点，使得在局部区域的显色误差最小。

当在多级灰度显色设备上实现连续图像再现时，通过改变量化模块中的阈值T实现灰度误差扩散的多值输出，量化模块的输出结果代表了显色设备的不同灰度值。式(1)变为式(4)，其中输出的灰度级数为n+1。

式(4)

当灰度误差扩散方法被用于彩色图像量化处理的时候，最简单的做法是分别对彩色图像的每个色平面图像做灰度量化处理后合并成彩色二值图像，这种处理方法被称为标量彩色误差扩散方法。该方法不能利用色平面之间联系，导致最后的输出结果中出现同一位置有多个颜色点重叠的比例较高，在打印输出的实例中表现为多个墨点同时打印在一个位置，不利于利用人类的视觉特性，实现光滑均匀的图像再现，而在一些特殊的应用领域(如纺织喷印，广告喷印等)，在墨水需要与打印介质发生化学反应方能着色的情况下，墨水的着色率也会随重叠点的增加而下降。后续研究者提出的矢量误差扩散方法(VED)在设备无关色空间(Lab，XYZ等)中对输入图像进行量化处理，该方法虽然利用了不同色平面的联系，但是由于在误差扩散的过程中包含了色彩转换的工作，使得计算复杂，而且并不能很好的预测量化误差，使得运用效果一般。而Z.Fan和S.J.Harrington提出的半矢量误差扩散方法(Semi-VED)避免了色彩转换，直接在输出色空间中进行量化。但是该方法仅利用了输出空间的部分色平面，且在决定输出值的过程中只采用了简单的判定树方法，无法处理多通道输出色空间，效果也一般。

为了更好地利用各色平面之间的关系，有效控制输出图像重叠点的产生，使得输出的各色平面点符合蓝噪声特征分布，本发明采用一种有别于现有方法的重叠点控制方法，方法的重点在于引入嵌入式多级灰度误差扩散方法控制输出重叠点的数量，该方法在输出色空间中进行量化处理，避免了复杂的色彩转换带来的色彩失真，既能够有效控制重叠点的产生，又能满足任意数量色平面颜色空间的输出需求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种彩色误差扩散方法。

本发明方法嵌入了多级灰度误差扩散模块，具体步骤如下：

步骤1：将彩色图像经过色彩转换后获得再现设备色空间的图像，获得的图像分解为多个色平面的灰度图像；

步骤2：选择一种二值灰度误差扩散方法进行处理；所述的二值灰度误差扩散方法的各级输出值对应的灰度值是等差的；

将选择的二值灰度误差扩散方法扩展至多级灰度误差扩散方法，该多级灰度误差扩散方法的输入值范围为[0,k×n]，n表示色彩转换后的图像色平面数量，k为每个色平面的取值范围的上限，该多级灰度误差扩散方法的输出灰度级数量为n+1，取值范围为0～n的整数；

步骤3：对步骤1中获得的再现设备色空间中的彩色图像进行量化和误差扩散处理，具体包括如下步骤：

①对当前像素的各色平面的输入做加法，获得当前像数输入总值；

②将由步骤①获得的总值作为步骤2中获得的多级灰度误差扩散方法的输入，并通过多级灰度量化器计算获得多级灰度误差扩散方法的输出O_EM；进行计算时仅做多级量化计算，不执行灰度误差计算以及灰度误差扩散过程；

③将由步骤②获得的多级灰度输出O_EM作为彩色误差扩散方法输出值为1的色平面的数量；

④将各色平面经误差扩散修正后的输入值最大的O_EM个色平面在当前像素上的输出值设为1，其他色平面输出值设为0；

⑤分别对当前像数的各色平面单独进行量化误差计算，利用步骤2选择的二值灰度误差扩散方法的扩散矩阵系数将该量化误差扩散至尚未处理的像数。

步骤2中从二值误差扩散方法到多级灰度误差扩散方法扩展时，多级误差扩散方法的阈值T满足以下周期特征：T[j]＝T[0]+j×k，j为多级误差扩散方法中的级数，j＝0～n-1，当采用可变阈值的二值误差扩散方法时同样满足该特征。

步骤2中从二值误差扩散方法到多级灰度误差扩散方法扩展时，如采用可变误差扩散矩阵系数时，误差扩散系数矩阵B满足周期函数特征，即B_i[j]＝B_i[0]。

步骤3中彩色图像量化和误差扩散的处理路径沿用步骤2中选择的二值灰度图像误差扩散方法的处理路径沿。

本发明针对现有彩色误差扩散方法不能综合利用显色设备色彩空间图像各色平面之间的联系，控制输出点分布的缺点进行改进，具有如下技术效果：

(1)具有较强灵活性，可以利用大部分现有二值误差扩散方法进行扩展，并保留原二值误差扩散方法输出点的分布特性；

(2)使用一个嵌入的多值误差扩散方法来计算当前像数各色平面输出点的总数，综合考虑了各色平面的数值分布，从输入最大的值中选择最有必要输出的色平面进行输出，使各色平面输出点叠加的分布满足蓝噪声要求；

(3)在输出色空间中进行误差扩散计算，不包含色空间之间的色彩转换，极大减少图像的失真，并可以满足任意通道数量的色彩空间图像的二值误差扩散处理，具有极强的适应性。

附图说明

图1是传统二值误差扩散方法模块图；

图2是Floyd和Steinberg提出的误差扩散系数矩阵；

图3是本发明的一种彩色误差扩散方法的模块图；

图4是原始图像色彩转换图。

具体实施方式

为了更为具体的描述本发明，下面结合附图和实例进一步说明本发明的技术方案，本发明涉及的二值误差扩散方法及在此基础上扩展获得的多级灰度误差扩散方法的形式有许多种，故不应该解释为局限在此阐述的实施实例。

图3是本发明的一个实施实例的误差扩散方法模块图，图中带-标记的符号为向量，其中为再现设备色空间的输入图像，为输出二值彩色图像。

步骤1首先按照图4将原始图像经色彩空间转换器转换为再现设备色空间的图像该图像共有CMYK四个色平面，且每个像数点在每一色平面上的取值范围为[0,255]；

步骤2选择Floyd-Steinberg提出的误差扩散方法作为二值误差扩散方法，该方法的误差扩散矩阵如图2所示，量化器阈值参数T＝128；

步骤3取图像中当前点经305叠加已经处理过的图像像素点传来的误差形成修正的输入图像值

步骤4累加器301对向量各方向上的值累加获得标量A_M[m]；

步骤5扩展步骤2中的二值误差扩散方法至多级误差扩散方法，302为扩展的多级灰度误差扩散器，扩展时令该多级灰度误差扩散器的输入为A_M[m]，取值范围为[0,1020]，量化器阈值参数为式5：

T[j]＝128+j当255×j≤A_M[m]＜255×(j+1)其中(j∈[0,3]) 式(5)

多级误差扩散器的输出O_EM[m]满足式4，其中n＝4；

步骤6根据O_EM[m]值对向量各值经303排序获得各位平面的顺序向量

步骤7量化器304取中标示的前O_EM[m]色平面，将当前像数的输出在这些色平面上置为1，其余色平面上的输出置为0；

步骤8对各色平面分别计算误差获得误差向量

步骤9对各色平面上的误差分别利用306误差扩散器计算扩散误差，并通过305叠加至尚未计算的像数点上，306误差扩散器使用的误差扩散系数为步骤2中选择的误差扩散系数。

Claims (4)

1.一种彩色误差扩散方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

步骤1：将彩色图像经过色彩转换后获得再现设备色空间的图像，获得的图像分解为多个色平面的灰度图像；

步骤2：选择一种各级输出值对应的灰度值为等差的二值灰度误差扩散方法进行处理；

将选择的二值灰度误差扩散方法扩展至多级灰度误差扩散方法，该多级灰度误差扩散方法的输入值范围为[0,k×n]，n表示色彩转换后的图像色平面数量，k为每个色平面的取值范围的上限，该多级灰度误差扩散方法的输出灰度级数量为n+1，取值范围为0～n的整数；

步骤3：对步骤1中获得的再现设备色空间中的彩色图像进行量化和误差扩散处理，具体包括如下步骤：

①对当前像素的各色平面的输入做加法，获得当前像素输入总值；

②将由步骤①获得的总值作为步骤2中获得的多级灰度误差扩散方法的输入，并通过多级灰度量化器计算获得多级灰度误差扩散方法的输出O_EM；进行计算时仅做多级量化计算，不执行灰度误差计算以及灰度误差扩散过程；

③将由步骤②获得的多级灰度输出O_EM作为彩色误差扩散方法输出值为1的色平面的数量；

④将各色平面经误差扩散修正后的输入值最大的O_EM个色平面在当前像素上的输出值设为1，其他色平面输出值设为0；

⑤分别对当前像数的各色平面单独进行量化误差计算，利用步骤2选择的二值灰度误差扩散方法的扩散矩阵系数将该量化误差扩散至尚未处理的像数。

2.如权利要求1所述的一种彩色误差扩散方法，其特征在于：步骤2中从二值误差扩散方法到多级灰度误差扩散方法扩展时，多级误差扩散方法的阈值T满足以下周期特征：T[j]＝T[0]+j×k，j为多级误差扩散方法中的级数，j＝0～n-1，当采用可变阈值的二值误差扩散方法时同样满足该特征。

3.如权利要求1所述的一种彩色误差扩散方法，其特征在于：步骤2中从二值误差扩散方法到多级灰度误差扩散方法扩展时，如采用可变误差扩散矩阵系数时，误差扩散系数矩阵B满足周期函数特征，即B_i[j]＝B_i[0]。

4.如权利要求1所述的一种彩色误差扩散方法，其特征在于：步骤3中彩色图像量化和误差扩散的处理路径采用步骤2中选择的二值灰度图像误差扩散方法的处理路径。