JP3912633B2 - 画像処理方法および装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、誤差拡散処理を行って画像データの少階調化を行う画像処理方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、コンピュータで作成したり画像入力装置で入力して得られたような多階調の画像を、より少ない階調のプリンタ等の画像出力装置によって出力する場合には、画像データの少階調化を行う必要がある。このように画像データの少階調化を行う場合でも、原画像が持つ画品質をできるだけ維持する技術として、従来より擬似中間調表現が利用されている。擬似中間調表現の手法としては、種々提案されているが、そのうち、誤差拡散法による疑似中間調表現は、画品質が良いため、出力階調が2値のプリンタ等で広く利用されている。誤差拡散法は、注目画素について発生した量子化誤差を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散する方法である。
【0003】
ここで、一般的な誤差拡散法の原理(文献「貴家仁志,八重光男,“ディジタル画像データのCによる階調変換技法”,「インターフェース」,Aug,1993,第158〜171ページ」参照)について詳しく説明する。
【0004】
誤差拡散法は、人間の視覚特性を考慮して、量子化誤差を高域に変調することによって目立たなくし、擬似中間調を表現する方法である。図14は、一般的な誤差拡散処理を実現するための画像処理装置の構成を示すブロック図である。この画像処理装置は、入力画像データx(i,j)から後述するフィルタ114の出力データを減算する減算器111と、この減算器111の出力データを量子化して、出力画像データy(i,j)として出力する量子化器(図ではQと記す。)112と、出力画像データy(i,j)から減算器111の出力データを減算する減算器113と、この減算器113の出力データに対して所定のフィルタリング処理を行って、減算器111に出力するフィルタ114とを備えている。なお、図中、e(i,j)は、量子化器112における量子化によって発生する量子化誤差を表している。従って、減算器113の出力データは、量子化誤差e(i,j)となる。なお、i,jは、互いに直交する2方向(以下、i方向およびj方向という。)の各座標を表している。
【0005】
フィルタ114は、一種の線形フィルタであり、ここでは、その伝達関数を、G(z1,z2 )とする。なお、z1,z2 は、それぞれ、i方向、j方向に関するz変換における変数である。図14に示した画像処理装置の構成全体は、2次元のΣΔ変調回路とみなすことができる。従って、この画像処理装置における入出力関係は、次の式(1)のように与えられる。
【0006】
【数1】
Y(z1,z2 )=X(z1,z2 )+H(z1,z2 )E(z1,z2 )…(1)
【0007】
なお、式(1)において、Y(z1,z2 ),X(z1,z2 ),E(z1,z2 )は、それぞれ、y(i,j),x(i,j),e(i,j)をz変換した値である。また、量子化誤差E(z1,z2 )を変調するフィルタの伝達関数H(z1,z2 )は、次の式(2)で与えられる。
【0008】
【数2】
H(z1,z2 )=1−G(z1,z2 ) …(2)
【0009】
伝達関数H(z1,z2 )は、2次元の有限インパルス応答(FIR)ハイパスフィルタを表しており、このハイパスフィルタは、量子化誤差E(z1,z2 )の高域への変調特性を決定する誤差変調用フィルタとなる。なお、以下、伝達関数H(z1,z2 ),G(z1,z2 )で表されるフィルタを表す場合にも、フィルタH(z1,z2 ),フィルタG(z1,z2 )と記す。
【0010】
G(z1,z2 )は、次の式(3)のように表される。
【0011】
【数3】
G(z1,z2 )=ΣΣg(n1,n2)z1 -n1 z2 -n2 …(3)
【0012】
なお、式(3)中の最初のΣはn1が−N1 からM1 についての総和を表し、次のΣはn2が−N2 からM2 についての総和を表している。ただし、N1 ,M1 ,N2 ,M2 は、それぞれ所定の正の整数である。また、g(n1,n2)は、フィルタ係数であり、n1=0,n2=0は、注目画素を表す。
【0013】
ここで、式(4)に、G(z1,z2 )の係数g(i,j)の例として、代表的なフィルタの場合の例を挙げる。なお、式中の*は注目画素を表し、g(0,0)=0となる。
【0014】
【数4】
【0015】
式(4)で表されるフィルタG(z1,z2 )を用いた誤差変調用フィルタH(z1,z2 )の周波数特性を図15に示す。なお、図15において、周波数を表す数値は、絶対値が大きいほど周波数が高いことを表している。式(4)で表されるフィルタG(z1,z2 )およびこれを用いたフィルタH(z1,z2 )は、Jarvis,Judice&Ninkeのフィルタ(以下、Jarvisのフィルタと言う。)と呼ばれるものである。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の誤差拡散法では、次のような2つの問題点があった。第1の問題点は、ハイライト領域(ドットが疎が領域)の立ち上がり部でドットの発生が大幅に遅れてしまい、同様に、シャドー領域(ドットが密な領域)の立ち上がり部で白ドット(ドットに囲まれたドットの無い点状の部分)の発生が大幅に遅れてしまう現象が発生することである。なお、本出願において、この現象を、ドット遅延現象と呼ぶ。
【0017】
第2の問題点は、画像がハイライト領域以外の領域(例えばシャドー領域)からハイライト領域に変化する部分で尾を引いたようにドットが抜けてしまい、同様に、画像がシャドー領域以外の領域(例えばハイライト領域)からシャドー領域に変化する部分で尾を引いたように白ドットが抜けてしまう現象が発生することである。なお、本出願において、この現象を、尾引き現象と呼ぶ。
【0018】
ここで、図16および図17を参照して、上述のドット遅延現象および尾引き現象が発生している典型的を画像の例について説明する。図16は、原画像を示している。この原画像において、階調値の範囲は“0”から“255”となっている。原画像において、背景のハイライト領域の階調値は“253”、中央の矩形のシャドー領域の階調値は“2”になっている。また、原画像において、シャドー領域の右下に描かれた薄い斜めの直線の階調値は“210”〜“240”になっている。図17は、図16に示した原画像に対して、図14に示した画像処理装置によって誤差拡散処理を行って、2値化した後の画像を示している。なお、この誤差拡散処理では、誤差変調用フィルタとして、Jarvisのフィルタを用いている。また、誤差拡散処理は、主走査方向には左から右へ向かう方向に行ない、副走査方向には上から下へ向かう方向に行っている。
【0019】
図17に示した誤差拡散処理後の画像では、まず、本来均一であるべき背景の上部と左部で、ドットが発生していないことが分かる。これが、ドット遅延現象である。図17に示した例では、誤差拡散処理は、主走査方向には左から右へ向かう方向に行われ、副走査方向には上から下へ向かう方向に行われているので、ドット遅延現象によって、上部と左部でドットの発生が遅れ、ドットが発生してない領域が生じている。中央の矩形のシャドー領域についても同様であり、上部と左部で白ドットの発生が遅れ、特に、図17に示した例では、シャドー領域内上端部および左端部より右下端部近傍までの間で、白ドットが発生していない。
【0020】
また、図17に示した誤差拡散処理後の画像では、中央の矩形のシャドー領域の右下側に、尾を引いたようにドットが抜けた領域が生じている。これが、尾引き現象である。この尾引き現象のため、図17に示した画像では、シャドー領域の右下に描かれた斜めの直線の一部が消えている。
【0021】
このようなドット遅延現象や尾引き現象は、図17から分かるように、画品質を著しく劣化させてしまう。
【0022】
ここで、上述のドット遅延現象や尾引き現象が発生する原因について考える。図14に示した画像処理装置を用いて誤差拡散処理を行い、入力画像データを、量子化レベル“0”または“255”に2値化する場合、量子化器112における閾値は、“128”または“127”である。なお、以下では、量子化器112における閾値を“128”として説明する。
【0023】
図16に示した原画像におけるシャドー領域のように、入力画像データx(i,j)の階調値が2のときや、図16に示した原画像におけるハイライト領域のように、入力画像データx(i,j)の階調値が“253”のときには、量子化器112で発生する誤差e(i,j)の大きさ(絶対値)は、“2”という小さな値になる。量子化器112で発生した小さな誤差は、式(4)におけるフィルタ係数g(i,j)に応じて周辺画素に拡散され、更に小さくなる。そして、このような小さな誤差が何画素にも渡って蓄積されていき、蓄積された誤差(以下、蓄積誤差とも言う。)が量子化器112における閾値“128”を越えたとき(または“128”以上になったとき)に、初めてドットまたは白ドットが発生することになる。従って、ドット遅延現象および尾引き現象が発生する原因は、次のように考えられる。
【0024】
すなわち、ドット遅延現象の原因は、ハイライト領域またはシャドー領域では、各画素で発生する量子化誤差が小さいため、誤差が蓄積されて閾値に達するまでに時間がかかるためと考えられる。
【0025】
また、尾引き現象の原因は、ある領域で蓄積されてきた量子化誤差は、その領域が終わった後も残り、ある領域からハイライト領域またはシャドー領域に変化した場合、ドット遅延現象の場合と同様に、各画素で発生する量子化誤差が小さいため、ある領域で蓄積された誤差が相殺されるまでに時間がかかるためと考えられる。
【0026】
このように、ドット遅延現象と尾引き現象は、同じ原因で発生し、表裏の関係にある現象であることが分かる。
【0027】
従来、上述のようなドット遅延現象や尾引き現象を解消する方法として、文献「角谷繁明,“誤差拡散法の高画質化技術”,日本写真学会1997年次大会講演要旨,1997年5月27〜28日,第116〜119ページ」に記載されている閾値最適化誤差拡散法が提案されている。
【0028】
以下、この閾値最適化誤差拡散法について簡単に説明する。閾値最適化誤差拡散法では、上述したドット遅延現象や尾引き現象が発生する原因に着目し、例えば、階調値の範囲が“0”から“255”である入力画像データを、量子化レベル“0”または“255”に2値化する場合に、量子化器における閾値を“128”のような固定値ではなく、入力画像データの階調値に近い値にすることによって、蓄積誤差が閾値に達するまでの時間を短くするようになっている。閾値最適化誤差拡散法は、具体的には、次の式(5)で表されるように、量子化器における閾値Thを、入力画像データx(i,j)の1次関数とする方法である。
【0029】
【数5】
Th={x(i,j)×(n−1)+128}/n …(5)
(ただし、nは整数)
【0030】
図18は、nが“12”のときの入力画像データのレベルと閾値Thとの関係を示したものである。
【0031】
ここで、図19および図20を参照して、一般的な誤差拡散法によって得られる画像と、閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像とを比較する。図19は、図16に示したような入力画像データを、量子化器における閾値を“128”として、一般的な誤差拡散法を用いて、量子化レベル“0”または“255”に2値化して得られた画像を示している。図20は、同様に、図16に示したような入力画像データを、式(5)におけるnを“12”として、閾値最適化誤差拡散法を用いて、量子化レベル“0”または“255”に2値化して得られた画像を示している。なお、いずれの場合も、誤差変調用フィルタとして、Jarvisのフィルタを用いている。
【0032】
図20から、閾値最適化誤差拡散法によれば、ドット遅延現象や尾引き現象を解消できることが分かる。
【0033】
しかしながら、図20に示した画像では、中央の矩形のシャドー領域のエッジ部分に、ぎざぎざな部分が発生している。このように、閾値最適化誤差拡散法では、ハイライト部やシャドー部のエッジ部分にぎざぎざな部分が発生するため、ハイライト部やシャドー部が明確な画像、例えば文字やコンピュータグラフィックスによる画像等の人工的な画像の画品質を劣化させてしまうという問題点がある。また、閾値最適化誤差拡散法では、自然画像に対しても画像のぼけを引き起こすという問題点がある。
【0034】
なお、前出の文献“誤差拡散法の高画質化技術”では、量子化器における閾値を、入力画像データの1次関数とするのではなく、各階調値毎に閾値を最適化し、階調値と閾値との関係をテーブルとし、このテーブルを参照して各階調値毎に閾値を決定することも提案されている。しかしながら、このように閾値を最適化したとしても、図16に示したような入力画像データでは、階調値の数が少ないため、閾値を入力画像データの1次関数とした場合とほとんど差は生じない。
【0035】
また、閾値最適化誤差拡散法では、量子化器における閾値を決定するために、入力画像データを参照する必要があるため、データ読み込み時間が倍増し、処理時間が増加するという問題点もある。
【0036】
なお、以上の問題点は、擬似中間調表現の手法として、誤差拡散法ではなく、平均誤差最小法を用いる場合にも同様に当てはまる。それは、誤差拡散法と平均誤差最小法は、処理の手順は異なるが、注目画素について発生した量子化誤差を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散する点は共通するからである。
【0037】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、誤差拡散処理を行って、画像データの少階調化を行いながら、簡単な処理で画品質の劣化を防止できるようにした画像処理方法および装置を提供することにある。
【0038】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像処理方法は、入力画像データを、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化して、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データに変換する量子化手順と、画素毎に、量子化手順による量子化によって発生する量子化誤差を、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差に変換する量子化誤差変換手順と、注目画素について量子化誤差変換手順によって変換された後の量子化誤差を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散する誤差拡散手順とを備えたものである。
【0039】
本発明の画像処理装置は、入力画像データを、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化して、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データに変換する量子化手段と、画素毎に、量子化手段による量子化によって発生する量子化誤差を、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差に変換する量子化誤差変換手段と、注目画素について量子化誤差変換手段によって変換された後の量子化誤差を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散する誤差拡散手段とを備えたものである。
【0040】
本発明の画像処理方法では、量子化手順によって、入力画像データが、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化され、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データに変換される。また、量子化誤差変換手順によって、画素毎に、量子化手順による量子化によって発生する量子化誤差が、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差に変換される。また、誤差拡散手順によって、注目画素について量子化誤差変換手順によって変換された後の量子化誤差が、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散される。
【0041】
本発明の画像処理装置では、量子化手段によって、入力画像データが、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化され、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データに変換される。また、量子化誤差変換手段によって、画素毎に、量子化手段による量子化によって発生する量子化誤差が、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差に変換される。また、誤差拡散手段によって、注目画素について量子化誤差変換手段によって変換された後の量子化誤差が、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散される。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態に係る画像処理方法を実現するための画像処理装置の構成を示すブロック図である。この画像処理装置10は、入力画像データx(i,j)から後述するフィルタ15の出力データを減算する減算器11と、この減算器11の出力データを、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化して、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データy(i,j)に変換する量子化手段としての量子化器(図ではQと記す。)12と、この量子化器12の出力データから減算器11の出力データを減算して、量子化誤差e0 (i,j)を生成する減算器13と、画素毎に、減算器13より出力される量子化誤差e0 (i,j)を、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差e1 (i,j)に変換する量子化誤差変換手段としての量子化誤差変換部14と、この量子化誤差変換部14の出力データに対して、所定のフィルタリング処理を行って、減算器11に出力するフィルタ15とを備えている。なお、量子化誤差変換部14には、量子化器12より、各画素毎に、量子化後の量子化レベルの情報が与えられる。
【0043】
フィルタ15は、一種の線形フィルタであり、ここでは、その伝達関数を、G(z1,z2 )とする。なお、z1,z2 は、それぞれ、i方向、j方向に関するz変換における変数である。G(z1,z2 )は、前出の式(3)のように表される。フィルタ15は、例えばディジタルフィルタによって実現される。
【0044】
フィルタ15および減算器11は、注目画素について量子化誤差変換部14によって変換された後の量子化誤差e1 (i,j)を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データx(i,j)に対して拡散する誤差拡散手段に対応する。
【0045】
画像処理装置10に入力される入力画像データx(i,j)は、例えば、画像入力装置21より与えられ、画像処理装置10より出力される出力画像データy(i,j)は、例えば、画像出力装置22に対して出力される。画像入力装置21としては、イメージスキャナ、ディジタルカメラ、ビデオカメラ等がある。画像出力装置22としては、プリンタ、液晶ディスプレイ等がある。
【0046】
本実施の形態では、特に、入力画像データx(i,j)の階調値の範囲が“0”から“255”であり、量子化器12は、減算器11の出力データを1つの閾値“128”に基づいて量子化して、2つの量子化レベル“0”,“255”のいずれかを有する出力画像データy(i,j)に変換するようになっている。なお、減算器11の出力データが閾値“128”と等しいときは、出力画像データy(i,j)を量子化レベル“255”とする。
【0047】
量子化誤差変換部14は、量子化レベル“0”,“255”毎に、量子化誤差e0 (i,j)から量子化誤差e1 (i,j)への変換特性が設定されている。
【0048】
図2は、量子化後の量子化レベル“255”の場合における、量子化誤差変換部14に入力される量子化誤差e0 (i,j)と量子化誤差変換部14より出力される量子化誤差e1 (i,j)との関係の一例を示す特性図である。この例では、量子化後の量子化レベル“255”の場合、量子化誤差変換部14によって、量子化誤差e0 (i,j)は、“71.0”以上、“127.0”以下の範囲内の値の量子化誤差e1 (i,j)に変換される。より詳しく説明すると、量子化後の量子化レベル“255”の場合、量子化誤差e0 (i,j)は、量子化誤差変換部14によって、以下の式(6−1)〜(6−5)のように、量子化誤差e1 (i,j)に変換される。なお、以下の式では、e0 (i,j),e1 (i,j)を、それぞれe0 ,e1 と記す。
【0049】
【数6】
−128≦e0 <−97のとき、e1 =e0 +4×56 …(6−1)
−97≦e0 <−41のとき、e1 =e0 +3×56 …(6−2)
−41≦e0 < 15のとき、e1 =e0 +2×56 …(6−3)
15≦e0 < 71のとき、e1 =e0 + 56 …(6−4)
71≦e0 ≦127のとき、e1 =e0 …(6−5)
【0050】
図3は、量子化後の量子化レベル“0”の場合における、量子化誤差変換部14に入力される量子化誤差e0 (i,j)と量子化誤差変換部14より出力される量子化誤差e1 (i,j)との関係の一例を示す特性図である。この例では、量子化後の量子化レベル“0”の場合、量子化誤差変換部14によって、量子化誤差e0 (i,j)は、“−128.0”以上、“−72.0”以下の範囲内の値の量子化誤差e1 (i,j)に変換される。より詳しく説明すると、量子化後の量子化レベル“0”の場合、量子化誤差e0 (i,j)は、量子化誤差変換部14によって、以下の式(7−1)〜(7−5)のように、量子化誤差e1 (i,j)に変換される。なお、以下の式では、e0 (i,j),e1 (i,j)を、それぞれe0 ,e1 と記す。
【0051】
【数7】
−128≦e0 ≦−72のとき、e1 =e0 …(7−1)
−72<e0 ≦−16のとき、e1 =e0 − 56 …(7−2)
−16<e0 ≦ 40のとき、e1 =e0 −2×56 …(7−3)
40<e0 ≦ 96のとき、e1 =e0 −3×56 …(7−4)
96<e0 ≦127のとき、e1 =e0 −4×56 …(7−5)
【0052】
量子化誤差変換部14によって、変換後の量子化誤差e1 (i,j)を収める範囲は、量子化誤差変換部14による変換を行わない場合の量子化誤差e0 (i,j)に基づいて誤差拡散処理を行った場合に、量子化誤差e0 (i,j)が定常状態において収束する範囲を含む範囲に設定される。なお、量子化誤差e0 (i,j)が定常状態において収束する範囲は、実際に、広範囲の階調値を含む原画像に対して誤差拡散処理を行って、発生する量子化誤差を測定して調べる。この量子化誤差e0 (i,j)が定常状態において収束する範囲を、図2では符号23で表し、図3では符号24で表している。図2における範囲23は、例えば、“76”以上、“127”以下の範囲である。図3における範囲24は、例えば、“−128”以上、“−77”以下の範囲である。
【0053】
なお、変換後の量子化誤差e1 (i,j)を収める範囲を、前述の量子化誤差e0 (i,j)が定常状態において収束する範囲よりも狭くすると、定常状態よりも多くのドットまたは白ドットが発生し、原画像に対して階調が変化してしまうおそれがあるので、好ましくない。
【0054】
次に、本実施の形態に係る画像処理方法の概略について説明する。本実施の形態に係る画像処理方法は、ドット遅延現象や尾引き現象を解消するために、量子化誤差の大きさ(絶対値)を、常に一定レベル以上に保つことによって、蓄積誤差が閾値に達するまでの時間を短くする方法である。これは、量子化誤差のダイナミクス(変化)が、定常状態において、ある範囲内に収束するという事実を利用したものである。従って、本実施の形態では、量子化誤差の大きさ(絶対値)を、常に一定レベル以上に保つために、量子化誤差変換部14において、変換後の量子化誤差e1 (i,j)が所定の範囲内に収まるように、量子化誤差e0 (i,j)を量子化誤差e1 (i,j)に変換するが、その際、変換後の量子化誤差e1 (i,j)が収まる所定の範囲を、量子化誤差変換部14による変換を行わない場合の量子化誤差e0 (i,j)に基づいて誤差拡散処理を行った場合に、量子化誤差e0 (i,j)が定常状態において収束する範囲を含む範囲に設定している。
【0055】
次に、本実施の形態に係る画像処理装置10の作用について説明する。なお、以下の説明は、本実施の形態に係る画像処理方法の説明を兼ねている。
【0056】
本実施の形態に係る画像処理装置10では、減算器11によって、入力画像データx(i,j)からフィルタ15の出力データが減算される。減算器11の出力データは、量子化器12によって量子化され、量子化器12の出力データが、出力画像データy(i,j)として、画像処理装置10より出力される。また、減算器13によって、量子化器12の出力データから減算器11の出力データが減算されて、量子化誤差e0 (i,j)が生成される。減算器13の出力データである量子化誤差e0 (i,j)は、量子化誤差変換部14に入力され、ここで、量子化器12における量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差e1 (i,j)に変換される。この量子化誤差変換部14の出力データである量子化誤差e1 (i,j)は、フィルタ15に入力されて、伝達関数G(z1,z2 )で表されるフィルタリング処理が施される。フィルタ15の出力データは、減算器11に入力される。
【0057】
このような動作により、画像処理装置10は、入力画像データx(i,j)を、1つの閾値に基づいて量子化して、2つの量子化レベルのいずれかを有する出力画像データy(i,j)に変換すると共に、この量子化によって発生する量子化誤差e0 (i,j)を量子化誤差変換部14によって変換して得られる量子化誤差e1 (i,j)を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散する誤差拡散処理を行う。
【0058】
ここで、量子化誤差変換部14における量子化誤差e0 (i,j)から量子化誤差e1 (i,j)への変換の方法の3つの例について説明する。第1の例は、変換前の量子化誤差e0 (i,j)が所定の範囲内にない場合には、変換後の量子化誤差e1 (i,j)が所定の範囲内に収まるまで、変換前の量子化誤差e0 (i,j)に対して所定の数値の加算または減算を繰り返すものである。図2および図3に示したような変換を行う場合には、所定の数値は、“56”となる。
【0059】
第2の例は、変換前の量子化誤差e0 (i,j)の全範囲を複数の領域に分割し、変換前の量子化誤差e0 (i,j)が所定の範囲内にない場合には、変換前の量子化誤差e0 (i,j)が属する領域に応じて、各領域毎に設定された所定の数値を、変換前の量子化誤差e0 (i,j)に対して加算または減算することによって、変換後の量子化誤差e1 (i,j)が前記の所定の範囲内に収まるように量子化誤差の変換を行うものである。図2および図3に示したような変換を行う場合には、第2の例では、式(6−1)〜(6−5)および式(7−1)〜(7−5)の演算を行うことになり、また、各領域毎に設定される所定の数値は“56”の整数倍の値となる。
【0060】
第3の例は、変換前の量子化誤差e0 (i,j)と変換後の量子化誤差e1 (i,j)との対応関係を、予めROM(リード・オンリ・メモリ)等に記憶させておき、この対応関係に従って、量子化誤差の変換を行うものである。
【0061】
上述の第1から第3の例のいずれも、専用の回路を構成してハードウェア的に実現することもできるし、マイクロコンピュータ等を用いてソフトウェア的で実現することもできる。
【0062】
次に、本実施の形態に係る画像処理方法および装置の効果について説明する。図4は、本実施の形態との比較のために、一般的な誤差拡散法を用いて得られる画像の例を示したものである。具体的には、図4は、図14に示した画像処理装置を用い、量子化器112における閾値を“128”として、図16に示したような入力画像データを、量子化レベル“0”または“255”に2値化して得られた画像を示している。なお、ここでは、誤差変調用のフィルタとして、Jarvisのフィルタを用いている。図5は、図4に示した画像を得る際における量子化前のデータ(量子化器112の入力データ)を表したものである。
【0063】
図5を見ると、量子化誤差が蓄積されていく様子がよく分かる。この図において、まず、ドット遅延現象や尾引き現象が発生している領域に着目すると、各画素で発生する量子化誤差の大きさが小さいため、誤差が蓄積され閾値に達してドットまたは白ドットが発生するのが遅れていることが分かる。また、尾引き現象が発生している領域では、中央の矩形の領域で蓄積された誤差が、矩形の領域を過ぎてからも残り、蓄積誤差が相殺されるまでに時間がかかっていることが分かる。このようなドット遅延現象や尾引き現象が発生している領域に共通していることは、これらの領域に入ってからしばらくの間は、まだ、蓄積誤差が小さいために、量子化前のデータが、原画像の階調値に近いレベルに留まっていることである。
【0064】
次に、図4における背景部分のドットが安定して発生している領域に注目すると、この領域は本来ほとんど白の領域であるにもかかわらず、図5に示した量子化前のデータでは、誤差の蓄積によってグレーデータの変化の繰り返しとなって安定していることが分かる。すなわち、左上から蓄積されてきた量子化誤差は、量子化器における閾値に達し、ドットまたは白ドットが発生するようになると、ある大きさ以上の範囲内に収束してしまうのである。これが、誤差拡散処理が持つ誤差の収束の性質である。この性質は、全ての階調値に対して同様に当てはまる。従って、蓄積誤差がまだ小さいときに、蓄積誤差を強制的に上述のような収束範囲内に入れてしまうことによって、ドットまたは白ドットの発生を早め、その結果、ドット遅延現象や尾引き現象を解消することができる。これが、本実施の形態に係る画像処理方法の原理である。
【0065】
図6は、本実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像の例を示したものである。具体的には、図6は、図1に示した画像処理装置10を用い、量子化器12における閾値を“128”として、図16に示したような入力画像データを、量子化レベル“0”または“255”に2値化して得られた画像を示している。なお、ここでは、誤差変調用のフィルタとして、Jarvisのフィルタを用いている。図7は、図6に示した画像を得る際における量子化前のデータ(量子化器12の入力データ)を表したものである。図6を見ると、ドット遅延現象や尾引き現象が解消されていることが分かる。また、図7を見ると、蓄積誤差が常に所定の範囲内で収束しているため、ドットまたは白ドットの発生が遅れずに、ドットまたは白ドットが一様に分布している様子が分かる。
【0066】
次に、図8ないし図11を参照して、閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像と本実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像とを比較する。図8は、閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像の例を示し、図9は、本実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像の例を示している。これらの例においても、入力画像データには、図16に示したものを用い、誤差変調用のフィルタとして、Jarvisのフィルタを用いている。なお、図8および図9に示した画像を得る際には、ドットの分散性を良くするために、乱数を用いた端点処理を行っていると共に、ラスタ毎に、左右の走査方向を交互に変えている。なお、乱数を用いた端点処理とは、具体的には、画像の上端部、左端部および右端部における処理の際に、入力画像データより得られないデータを、乱数によって与えることである。
【0067】
図10および図11は、それぞれ、閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像の他の例と、本実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像の他の例を示している。これらの例では、誤差変調用のフィルタとして、Jarvisのフィルタの代わりに、次の式(8)で示すフィルタ係数からなるフィルタを用いている。このフィルタは、Jarvisのフィルタよりも、低周波域での応答が空間的に等方的で、ドットの分散性の良いフィルタである。図10および図11を得るためのその他の条件は、図8および図9の場合と同様である。
【0068】
【数8】
【0069】
図8ないし図11を見ると、閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像と本実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像のいずれでも、ドット遅延現象や尾引き現象が解消され、ドットまたは白ドットが一様に分布していることが分かる。しかし、閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像(図8および図10)では、ハイライト部やシャドー部のエッジ部分にぎざぎざな部分が発生している。これに対し、本実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像(図9および図11)では、ハイライト部やシャドー部のエッジ部分にぎざぎざな部分が発生せず、シャープに表現されていることが分かる。
【0070】
以上説明したように、本実施の形態に係る画像処理方法および装置では、量子化誤差変換部14によって、量子化誤差e0 (i,j)を量子化誤差e1 (i,j)に変換することによって、量子化誤差の大きさ(絶対値)を、常に一定レベル以上に保つようにすることによって、蓄積誤差が量子化器12における閾値に達するまでの時間を短くしている。これにより、本実施の形態に係る画像処理方法および装置によれば、ドット遅延現象や尾引き現象を解消できると共に、ハイライト部やシャドー部のエッジ部分でぎざぎざな部分を発生させずに、エッジ部分をシャープに表現することができ、画品質の劣化を防止することができる。従って、本実施の形態によれば、誤差拡散処理を行いながら、特に、文字やコンピュータグラフィックスによる画像等の人工的な画像を、画品質を劣化させることなくシャープに表現することができる。また、本実施の形態によれば、自然画像についても、画像のぼけを引き起こすことなく、シャープに表現することができる。
【0071】
また、本実施の形態に係る画像処理方法および装置は、一般的な誤差拡散処理に対して、非常に簡単な処理(量子化誤差変換部14の処理)を追加するだけで実現でき、一般的な誤差拡散処理に比べて、処理時間はほとんど増加しない。
【0072】
ところで、一般的な誤差拡散法では、画像全体について量子化誤差の最小性が保証される。しかしながら、このために、ある領域で蓄積された誤差が、エッジ部分を越えた別の領域で相殺されるということが起こり、尾引き現象が発生してしまうことになる。すなわち、一般的な誤差拡散法では、画像全体の中の部分的な領域については、量子化誤差が最小になるわけではない。
【0073】
一方、閾値最適化誤差拡散法では、ある領域で蓄積された誤差をエッジ部分で相殺しているものと考えることができる。これは、エッジ部分で、量子化器における閾値が不連続的に大きく変化してしまうからであるが、このために、エッジ部分でぎざぎざな部分が発生してしまう。
【0074】
これらの一般的な誤差拡散法や閾値最適化誤差拡散法に対して、本実施の形態では、ある領域で蓄積された誤差を相殺せずに、エッジ部分で捨ててしまうものと考えることができる。従って、本実施の形態では、画像全体についての量子化誤差の最小性は保証されない。しかし、前述のように、ある領域で蓄積された誤差を、エッジ部分を越えた別の領域で相殺したり、エッジ部分で相殺したりすることが、尾引き現象や、エッジ部分でのぎざぎざな部分の発生といった画像の歪みを引き起こす原因となっているので、画品質の観点から見ると、本実施の形態において画像全体についての量子化誤差の最小性が保証されないことは問題にならないと考えられる。なお、本実施の形態では、滑らかに変化するような領域では、蓄積誤差は収束範囲内に収まっているので、蓄積誤差が捨てられるのは、急激な変化のあるエッジ部分においてのみである。
【0075】
なお、本実施の形態において、量子化誤差変換部14に入力される量子化誤差e0 (i,j)に対して、ランダムな誤差を重畳するようにしてもよい。このようにすることにより、ドットおよび白ドットの分散性が良くなる。
【0076】
また、本実施の形態に係る画像処理装置は、例えば、単体の装置として構成してもよいし、IC(集積回路)化する等してプリンタ等の画像出力装置に内蔵するようにしてもよい。
【0077】
図12は、本発明の第2の実施の形態に係る画像処理方法を実現するための画像処理装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、誤差拡散法ではなく、平均誤差最小法を用いた例である。本実施の形態に係る画像処理装置25は、図1に示した第1の実施の形態に係る画像処理装置10において、フィルタ15の代わりに、平均誤差最小法用のフィルタ26を設けたものである。このフィルタ26は、注目画素の近傍における量子化済の複数の画素における量子化誤差e1 (i,j)を保持すると共に、これらの量子化誤差e1 (i,j)に対してそれぞれ所定の重み付けをして平均することにより、平均誤差を算出し、この平均誤差を、注目画素の入力画像データの入力時に出力する処理を行う。このような処理は、注目画素について発生した量子化誤差を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散することと同等である。フィルタ26は、例えばディジタルフィルタによって実現することができる。
【0078】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第1の実施の形態と同様である。
【0079】
図13は、本発明の第3の実施の形態に係る画像処理装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、第1の実施の形態に係る画像処理装置10と同様の機能を、コンピュータを用いてソフトウェア的に実現した例である。
【0080】
本実施の形態に係る画像処理装置は、コンピュータを用いたものであり、互いにバス30を介して接続されたCPU(中央処理装置)31、ROM32およびRAM(ランダム・アクセス・メモリ)33を備えている。画像処理装置は、更に、インタフェース41〜46を介してバス30に接続されたハードディスクドライブ51、CD(コンパクトディスク)−ROMドライブ52、フロッピィディスクドライブ53、キーボード54、マウス55およびCRT(陰極線管)56を備えている。画像処理装置は、更に、バス30に画像入力装置57を接続するためのインタフェース47と、バス30に画像出力装置58を接続するためのインタフェース48とを備えている。
【0081】
画像入力装置57としては、イメージスキャナ、ディジタルカメラ、ビデオカメラ等がある。画像出力装置38としては、プリンタ、液晶ディスプレイ等がある。
【0082】
本実施の形態に係る画像処理装置では、CPU31が、RAM33を作業領域として、ハードディスクドライブ51内のハードディスク、CD−ROMドライブ52によって駆動されるCD−ROMまたはフロッピィディスクドライブ53によって駆動されるフロピィディスクに格納されたアプリケーションプログラムを実行することによって、図1における画像処理装置10の機能を実現するようになっている。
【0083】
本実施の形態に係る画像処理装置は、上述のようにして実現される機能により、画像入力装置57によって入力された画像データあるいは画像処理装置(コンピュータ)で作成した画像データに対して、第1の実施の形態と同様の処理を行って、少階調化された出力画像データを画像出力装置58に対して出力する。
【0084】
本実施の形態におけるその他の作用および効果は第1の実施の形態と同様である。
【0085】
なお、第2の実施の形態に係る画像処理装置25と同様の機能を、第3の実施の形態と同様に、コンピュータを用いてソフトウェア的に実現してもよい。
【0086】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、例えば、実施の形態で挙げた量子化レベル、量子化レベル数や、フィルタの特性等は一例であり、本発明を適用する形態に応じて適宜に設定することができる。
【0087】
また、実施の形態では、入力画像データを、1つの閾値に基づいて量子化して、2階調の出力画像データに変換する例を挙げたが、本発明は、入力画像データを、2つ以上の閾値に基づいて量子化して、3階調以上の階調の出力画像データに変換する場合にも適用することができる。
【0088】
また、また、本発明は、インクジェットプリンタ、溶融熱転写方式やサーモ・オートクローム方式のプリンタ、階調表現の低いディスプレイ装置等に画像データを出力するために画像データを少階調化する場合に有効であるが、それ以外にも、画像処理や画像データの蓄積の負担を軽減するために画像データを少階調化する場合等にも有効である。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の画像処理方法または本発明の画像処理装置によれば、入力画像データを、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化し、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データに変換すると共に、画素毎に、量子化によって発生する量子化誤差を、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差に変換し、変換後の量子化誤差を、注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散するようにしたので、誤差拡散処理を行って、画像データの少階調化を行いながら、簡単な処理で画品質の劣化を防止することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1における量子化誤差変換部の特性を示す特性図である。
【図3】図1における量子化誤差変換部の特性を示す特性図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態との比較のために一般的な誤差拡散法を用いて得られる画像の例を示す説明図である。
【図5】図4に示した画像を得る際における量子化前のデータを示す説明図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像の例を示す説明図である。
【図7】図6に示した画像を得る際における量子化前のデータを示す説明図である。
【図8】閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像の例を示す説明図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像の例を示す説明図である。
【図10】閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像の他の例を示す説明図である。
【図11】本発明の第1の実施の形態に係る画像処理方法および装置によって得られる画像の他の例を示す説明図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態に係る画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図13】本発明の第3の実施の形態に係る画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図14】一般的な誤差拡散処理を実現するための画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図15】図14に示した画像処理装置で使用するフィルタの周波数特性の一例を示す特性図である。
【図16】原画像の一例を示す説明図である。
【図17】図16に示した原画像に対して図14に示した画像処理装置によって誤差拡散処理を行って2値化した後の画像を示す説明図である。
【図18】閾値最適化誤差拡散法における入力画像データのレベルと閾値との関係の一例を特性図である。
【図19】一般的な誤差拡散法によって得られる画像の一例を示す説明図である。
【図20】閾値最適化誤差拡散法によって得られる画像の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
10…画像処理装置、11,13…減算器、12…量子化器、14…量子化誤差変換部、15…フィルタ。
Claims (10)
- 入力画像データを、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化して、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データに変換する量子化手順と、
画素毎に、前記量子化手順による量子化によって発生する量子化誤差を、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差に変換する量子化誤差変換手順と、
注目画素について前記量子化誤差変換手順によって変換された後の量子化誤差を、前記注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散する誤差拡散手順と
を備えたことを特徴とする画像処理方法。 - 前記所定の範囲は、前記量子化誤差変換手順による変換を行わない場合の量子化誤差に基づいて前記誤差拡散手順による処理を行った場合に、量子化誤差が定常状態において収束する範囲を含む範囲であることを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。
- 前記量子化誤差変換手順は、変換前の量子化誤差が前記所定の範囲内にない場合には、変換後の量子化誤差が前記所定の範囲内に収まるまで、変換前の量子化誤差に対して所定の数値の加算または減算を繰り返すことによって、量子化誤差の変換を行うことを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。
- 前記量子化誤差変換手順は、変換前の量子化誤差の全範囲を複数の領域に分割し、変換前の量子化誤差が前記所定の範囲内にない場合には、変換前の量子化誤差が属する領域に応じて、各領域毎に設定された所定の数値を、変換前の量子化誤差に対して加算または減算することによって、変換後の量子化誤差が前記所定の範囲内に収まるように量子化誤差の変換を行うことを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。
- 前記量子化誤差変換手順は、予め設定された、変換前の量子化誤差と変換後の量子化誤差との対応関係に従って、量子化誤差の変換を行うことを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。
- 入力画像データを、画素毎に、1つ以上の閾値に基づいて量子化して、2つ以上の量子化レベルのいずれかを有する出力画像データに変換する量子化手段と、
画素毎に、前記量子化手段による量子化によって発生する量子化誤差を、量子化後の量子化レベルに応じて、各量子化レベル毎に定められた所定の範囲内の値の量子化誤差に変換する量子化誤差変換手段と、
注目画素について前記量子化誤差変換手段によって変換された後の量子化誤差を、前記注目画素の近傍における未量子化画素の入力画像データに対して拡散する誤差拡散手段と
を備えたことを特徴とする画像処理装置。 - 前記所定の範囲は、前記量子化誤差変換手段による変換を行わない場合の量子化誤差に基づいて前記誤差拡散手段による処理を行った場合に、量子化誤差が定常状態において収束する範囲を含む範囲であることを特徴とする請求項6記載の画像処理装置。
- 前記量子化誤差変換手段は、変換前の量子化誤差が前記所定の範囲内にない場合には、変換後の量子化誤差が前記所定の範囲内に収まるまで、変換前の量子化誤差に対して所定の数値の加算または減算を繰り返すことによって、量子化誤差の変換を行うことを特徴とする請求項6記載の画像処理装置。
- 前記量子化誤差変換手段は、変換前の量子化誤差の全範囲を複数の領域に分割し、変換前の量子化誤差が前記所定の範囲内にない場合には、変換前の量子化誤差が属する領域に応じて、各領域毎に設定された所定の数値を、変換前の量子化誤差に対して加算または減算することによって、変換後の量子化誤差が前記所定の範囲内に収まるように量子化誤差の変換を行うことを特徴とする請求項6記載の画像処理装置。
- 前記量子化誤差変換手段は、予め設定された、変換前の量子化誤差と変換後の量子化誤差との対応関係に従って、量子化誤差の変換を行うことを特徴とする請求項6記載の画像処理装置。
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