CN100344146C - 信号处理方法/设备、输出设备及图像处理/形成设备 - Google Patents

Abstract

一种伪随机数产生器，包括一个控制器、多个LFSR、一个FIR滤波器和一个归一化器。所述伪随机数产生器以这样一种方式来初始化LFSR，即每个LFSR与其他的LFSR具有预定的相位差，根据噪声信号的期望频率特性设置所述FIR滤波器的系数，并且设置所述归一化器中的参数。开始LFSR的操作，借此获取一个具有期望频率特性的噪声信号。

Description

信号处理方法/设备、输出设备及图像处理/形成设备

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法、信号输出设备、信号处理设备、图像处理设备、及图像形成设备，其中能够设置任意的频率特性并且以相对较低的资源产生噪声信号。

背景技术

在传统上，对于图像输出设备诸如数字彩色复印机或喷墨复印机来说，已经建议了一种图像信号处理设备，在这种设备中，在设计图像质量时考虑到人的视觉特性并且以这样一种方式来处理一个输入图像信号以获取一个视觉上的优选图像(例如，参见日本专利No.2894117)。在日本专利No.2894117中描述的图像信号处理设备中，难以在视觉上识别的空间频率响应的噪声信号叠加在从原件读取的输入图像信号上，因此减少了在原件中存在的图像噪声和灰度电平差，而不会负面地影响图像质量特性诸如清晰度和色彩。

在上述的图像信号处理设备中，使用二维傅里叶变换或逆傅里叶变换产生噪声信号，以便为将要叠加的噪声信号提供所需的频率特性。一般而言，在二维傅里叶变换中，二维数据被分割为行和列，在为每一行执行一维傅里叶变换之后，为每一列执行一维傅里叶变换，借此获得想要的结果。这种方法需要一个具有与所需噪声数据量相同容量的工作存储器。另外，二维傅里叶变换需要适应于所需噪声数据量的额外的处理时间。因此，在需要大量噪声数据的情况下，存在的一个问题是在处理结束之前不能获得噪声数据。为了避免这种缺陷，已经建议了一种事先在一个存储器中存储所计算的噪声数据并使用该噪声数据的方法。但是，所述方法存在的问题是，存储噪声数据的存储器需要与所需的噪声数据量同样大的容量。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的是提供一种信号处理方法、信号输出设备、信号处理设备、图像处理设备和图像形成设备，其中产生了预定数量的具有不同相位的伪随机数，利用所述产生的伪随机数以及由输出信号的期望频率特性所确定的加权矩阵来执行卷积运算，根据所述卷积运算的结果产生叠加在输入信号上的噪声信号，借此以高速并利用相对低的资源来产生一个具有所期望的频率特性的噪声信号，而不用准备大容量的工作存储器。

根据本发明的一种信号处理方法是一种用于将基于伪随机数产生的噪声信号叠加在输入信号上以产生输出信号的信号处理方法，该方法包括以下步骤：产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；利用所产生的伪随机数以及由所述输出信号的期望频率特性所确定的加权矩阵来执行卷积运算；以及根据所述卷积运算的结果，产生叠加在所述输入信号上的噪声信号。

根据本发明，即使在应用微处理器等的情况下，也能在不使用任何存储器的情况下实现延迟处理。另外，通过一种简单的运算能够执行用于设置上述频率特性的所述卷积运算；因此，利用相对低的资源也能够产生所述噪声信号，而不用保证依赖于输入信号的存储器容量。

根据本发明的一种信号输出设备是一种用于输出基于伪随机数产生的噪声信号的信号输出设备，该设备包括：伪随机数产生装置，用于产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；和运算装置，用于利用由所述伪随机数产生装置产生的伪随机数和由所述噪声信号的期望频率特性所确定的加权矩阵来执行卷积运算，其中所述要输出的噪声信号是根据所述运算装置的运算结果产生的。

根据本发明，产生不同相位的伪随机数；因此，无需使用存储器就能够执行延迟处理。另外，通过一种简单的运算能够执行用于设置频率特性的所述卷积运算；因此，利用相对低的资源就能够产生噪声信号，而不用保证依赖于输入信号的存储器容量。

根据本发明的信号处理设备是一种用于将基于伪随机数产生的噪声信号叠加在输入信号上以产生输出信号的信号处理设备，该设备包括：伪随机数产生装置，用于产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；和运算装置，用于利用所述伪随机数产生装置所产生的伪随机数和由所述输出信号的期望频率特性所确定的加权矩阵来执行卷积运算，其中将要叠加到所述输入信号上的所述噪声信号是根据所述运算装置的运算结果产生的。

根据本发明，产生不同相位的伪随机数；因此，无需使用存储器就能够执行延迟处理。另外，通过一种简单的运算能够执行用于设置上述频率特性的所述卷积运算；因此，利用相对低的资源就能够产生噪声信号，而不用保证依赖于输入信号的存储器容量。

根据本发明的一种图像处理设备是一种用于将基于伪随机数产生的噪声信号叠加到输入图像信号上以产生输出图像信号的图像处理设备，该设备包括：伪随机数产生装置，用于产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；和运算装置，用于利用由所述伪随机数产生装置所产生的伪随机数和由所述输出图像信号的期望空间频率响应所确定的加权矩阵来执行卷积运算，其中将要叠加到所述输入图像信号上的所述噪声信号是基于所述运算装置的运算结果产生的。

根据本发明，产生不同相位的伪随机数；因此，无需使用存储器就能够执行延迟处理。另外，通过一种简单的运算能够执行用于设置空间频率响应的所述卷积运算；因此，利用相对低的资源就能够产生噪声信号，而不用保证依赖于输入信号的存储器容量。根据本发明的所述图像处理设备的特征在于，所述伪随机数产生装置包括多个线性反馈移位寄存器(LFSR)，并且其中的线性反馈移位寄存器之一的输出值与其他线性反馈移位寄存器的输出值具有相位差。

根据本发明，所述伪随机数是通过一种使用所述线性反馈移位寄存器的简单电路结构来产生的。

根据本发明的所述图像处理设备的特征在于所述伪随机数产生装置根据一种线性叠合方法来产生所述预定数量的伪随机数。

根据本发明，利用一种基于叠合方法的简单电路结构来产生所述伪随机数。

根据本发明的所述图像处理设备的特征在于还包括用于对所述运算装置的运算结果进行归一化的装置。

根据本发明，对所述卷积运算的结果进行归一化；因此，能够将具有所期望的空间频率响应分布的噪声信号叠加到所述图像信号上。另外，通过一种简单的算术电路或使用小容量存储器的表查询电路能够实现所述归一化；因此，利用相对低的资源就能够产生噪声信号，而不用依赖于基于输入图像信号。

根据本发明的一种图像形成设备是这样一种图像形成设备，其包括：根据本发明任何方面所述的图像处理设备；以及用于根据由所述图像处理设备产生的输出图像信号在薄介质上形成图像。

根据本发明，根据通过叠加具有所期望的频率特性的噪声信号而产生的输出图像信号在薄介质上形成图像。因此，在考虑到人的感知特性而叠加具有频率特性的噪声信号时，能够减少包括在图像中的图像噪声和灰度电平差等，而不负面地影响图像的清晰度。

根据本发明，即使在使用微处理器等的情况下，不使用存储器也能够执行延迟处理。另外，通过一种简单的运算能够执行用于设置频率特性的所述卷积运算；因此，利用相对低的资源就能够产生所述噪声信号，而不用保证依赖于与所述噪声信号叠加的输入信号的存储器容量。

根据本发明，产生不同相位的伪随机数；因此，不使用存储器就能够执行延迟处理。另外，通过一种简单的运算能够执行用于设置所述频率特性的所述卷积运算；因此，利用相对低的资源就能够产生噪声信号，而不用保证依赖于与所述噪声信号叠加的输入信号的存储器容量。

根据本发明，产生不同相位的伪随机数；因此，不使用存储器就能够执行延迟处理。另外，通过一种简单的运算能够执行用于设置空间频率响应的卷积运算；因此，利用相对低的资源就能够产生噪声信号，而不用保证依赖于与所述噪声信号叠加的输入信号的存储器容量。

根据本发明，利用一种使用线性反馈移位寄存器的简单电路能够产生伪随机数；因此，能够将根据伪随机数所产生的噪声信号叠加到输入图像信号上。

根据本发明，利用一种基于线性叠合方法的简单电路结构能够产生伪随机数；因此，能够将根据伪随机数所产生的噪声信号叠加到输入图像信号上。

根据本发明，对卷积运算的结果进行归一化；因此，能够将具有所述期望的空间频率响应分布的噪声信号叠加到所述图像信号上。另外，通过一种简单的算术电路或使用小容量存储器的表查询电路能够实现所述归一化；因此，利用相对低的资源就能够产生噪声信号，而不用依赖于输入图像信号。

根据本发明，根据通过叠加具有期望频率特性的噪声信号而产生的输出图像信号在薄介质上形成图像。因此，例如在考虑到人的感知特性而叠加具有频率特性的噪声信号时，能够减少包括在图像中的图像噪声和灰度电平差等，而不负面地影响所述图像的清晰度。

通过参考附图进行以下的详细描述，本发明的上述和其他目的和特征将变得更加显而易见。

附图说明

图1所示为根据本发明一个实施例的伪随机数产生器的结构示意图；

图2所示为伪随机数产生电路的一个例子的电路图；

图3所示为用于描述伪随机数产生器的操作的流程图；

图4是用于描述LFSR的初始化的说明视图；

图5所示为LFSR和FIR滤波器的输出分布曲线图；

图6是用于描述根据本发明一个实施例的图像形成设备的内部结构的方框图。

具体实施方式

以下描述将根据示例本发明一些实施例的附图来说明本发明。

实施例1

图1所示为根据本发明一个实施例的伪随机数产生器的结构示意图。根据本实施例的所述伪随机数产生器包括控制器10、LFSR(线性反馈移位寄存器)20a、20b、20c、FIR(有限脉冲响应)滤波器30和归一化器(normalizer)40，所述伪随机数产生器用作输出噪声信号(噪声数据)的信号输出设备，其中所述噪声信号(噪声数据)用于二维图像信号(图像数据)。

控制器10初始化LFSR 20a、20b、20c、FIR滤波器30和归一化器40，并为了产生伪随机数而设置适当的参数。因此，所述控制器10具有保存所述参数的存储区，并通过设置从所述存储区读取的参数来初始化LFSR 20a、20b、20c、FIR滤波器30和归一化器40。

LFSR 20a、20b、20c构成了用于产生伪随机数的伪随机数产生电路，并且响应于来自控制器10的指令，能够开始或停止操作。而且，控制器10所指定的值能够被设置成LFSR 20a、20b、20c的输出值。通常已知用线性叠合方法(linear congruential method)来产生伪随机数。在这种方法中，以下述方式从当前值R_i确定下一个伪随机数R_i+1。

        R_i+1＝(a×R_i+b)mod c          ...(1)

其中R_i、a、b、c是大于零的整数。

在半导体中所使用的逻辑电路中，通过LFSR(线性反馈移位寄存器)能够实现伪随机数产生电路。图2所示为伪随机数产生电路的一个例子的电路图。图2中所示的伪随机数产生电路包括五个双稳态触发器(flip-flop)电路21到25和异或逻辑电路26。在异或逻辑电路26中确定移位寄存器中双稳态触发器电路23、24、25的输出端的异或逻辑，并将所产生的值作为移位寄存器的输入。在这种情况下，通过31个时钟周期中的一个时钟周期输出一个一位的伪随机数。但是，在需要多位伪随机数的情况下，通过一个时钟执行多个移位运算(移位寄存器的输入)，并且通过将多个双稳态触发器的输出作为多位，能够产生多位的伪随机数。包括在根据本实施例的伪随机数产生器中的所述LFSR 20a、20b、20c由31位长的LFSR组成，通过一个时钟周期输出8位的伪随机数。

所述伪随机数产生电路具有一种简单的结构，因此，通常将它用作产生M序列(最大长度序列)的伪随机数的电路。另外，通过增加双稳态触发器的级数以及适当地输入多个双稳态触发器输出的异或作为移位寄存器输入，能够产生具有较长周期的伪随机数序列。

FIR滤波器30用作运算装置，从每一个LFSR 20a、20b、20c接收8位的伪随机数和并且执行卷积运算。当在时间点t，定义从LFSR 20a输出的8位伪随机数为RA(t)，定义从LFSR 20b输出的8位伪随机数为RB(t)以及定义从LFSR 20c输出的8位伪随机数为RC(t)时，则FIR滤波器30的输出FIR(t)可以由下式给出。

$\mathrm{FIR}\left(t\right)=\frac{\mathrm{IRA}\left(t\right)+\mathrm{IRB}\left(t\right)+\mathrm{IRC}\left(t\right)}{\mathrm{Kj}}---\left(2\right)$

其中

IRA(p)＝Ka·RA(p-1)+Kb·RA(p)+Kc·RA(p+1)，

IRB(p)＝Kd·RB(p-1)+Ke·RB(p)+Kf·RB(p+1)，

IRC(p)＝Kg·RC(p-1)+Kh·RC(p)+Ki·RC(p+1)，并且

Ka，Kb，Kc，Kd，Ke，Kf，Kg，Kh，Ki以及Kj是实数。

归一化器40接收FIR滤波器30的输出并且对直方图分布进行归一化。也就是说，归一化器40用作用于通过基于初始的线性近似或表查询方法等的转换来归一化FIR滤波器30的输出值的装置。

以下将参考流程图描述根据本实施例的伪随机数产生器的操作。

图3所示为用于描述伪随机数产生器的操作的流程图。首先，控制器10初始化LFSR 20a、20b、20c(步骤S10)。即，控制器10在使LFSR 20a、20b、20c停止产生伪随机数之后，设置初始值。初始值随着期望噪声数据的二维尺寸而变化。图4是用于描述LFSR 20a、20b、20c的初始化的解释视图。对于期望噪声数据的二维尺寸来说，当沿着主扫描方向的尺寸是H个像素以及沿着次扫描方向的尺寸是V个像素时，将LFSR 20b设置成比LFSR 20a超前H个周期的相位值以作为初始值。同理，将LFSR 20c设置成比LFSR 20b超前H个周期的相位值以作为初始值。因此，在开始操作之后的H个周期中，LFSR20a输出与LFSR 20b的初始值相同的值，以及LFSR 20b在开始操作之后的H个周期中输出与LFSR 20c的初始值相同的值。利用这种配置，通过LFSR20b输出对于LFSR 20c的输出延迟一个主扫描线的值，而通过LFSR 20a输出对于LFSR 20c的输出延迟两个主扫描线的值。

然后，控制器10设置FIR滤波器30的系数(步骤S20)。在期望来自伪随机数产生器的噪声数据主要包括高频分量的情况下，对各个系数进行如下设置，以使FIR滤波器30可以用作高通滤波器。

Ka＝Kb＝Kc＝Kd＝Kf＝Kg＝Kh＝Ki＝-1

Ke＝9

Kj＝1                                       ...(3)

相反，在期望主要包括低频分量的噪声数据的情况下，对各个系数进行如下设置，以使FIR滤波器可以用作低通滤波器。

Ka＝Kb＝Kc＝Kd＝Ke＝Kf＝Kg＝Kh＝Ki＝1

Kj＝9                                        ...(4)

根据所期望噪声数据的频率特性和滤波器的尺寸事先规定FIR滤波器30的系数。这些系数事先存储在控制器10的预定存储区中。在初始化时，从存储区读取滤波器系数的值并将其设置成FIR滤波器30的值。

接下来，控制器10设置归一化器40中的参数(步骤S30)。图5所示为LFSR 20a和FIR滤波器30输出分布的曲线图。利用表示输出值的横坐标和表示频率的纵坐标来绘制直方图。如图5所示，FIR滤波器30的输出分布随差LFSR 20a的输出而变化。

所需的输出值和频率的分布类似于LFSR 20a输出的分布。因此，在归一化器40中，将来自FIR滤波器30的输入值转换成唯一的值。这种转换采用一种根据输入值定义多个段和通过初始线性近似为每个段进行计算的方法，或者应用一种表查询方法，这种方法通过将输入值作为地址来访问表存储器，并将所读取值用作转换结果。

再下来，控制器10开始LFSR 20a、20b、20c的操作(步骤S40)。结果，LFSR 20a、20b、20c开始操作，并且能够从归一化器40获取具有期望频率特性的噪声数据。例如，通过设置由等式(3)所表示的系数，FIR滤波器30用作高通滤波器，因此，能够产生人眼所难以识别的噪声数据。这种噪声数据例如叠加到图像数据上以产生屏蔽伪轮廓的效果。

根据本实施例，根据使用三个LFSR 20a、20b、20c的总共九个值来执行滤波器操作。但是，通过准备更多的LFSR和增加用于滤波器运算的卷积的数据量和系数，能够进一步改善噪声数据的频率特性。另外，根据本实施例，为了应用二维图像处理，在LFSR 20a、20b、20c中设置相同的相位差，并为FIR滤波器30应用二维处理。然而，当然有可能应用更高的维数。

实施例2

在实施例1中，上面描述了将本发明应用于用于输出噪声数据的伪随机数产生器。本发明还可以应用于一种图像处理设备和一种图像形成设备，诸如数字复印机或喷墨复印机，以在图像数据上叠加从伪随机数产生器输出的噪声数据。

图6是用于描述根据本发明实施例2的图像形成设备的内部结构的方框图。根据本实施例的图像形成设备包括图像输入单元100、图像处理单元200以及图像输出单元300。图像输入单元100包括用于照射用光进行读取的原件的光源，CCD(电荷耦合器件)线传感器等。从原件反射的光被转换成电信号，该信号被分解为红R、绿G和蓝B三色，由此获取彩色图像信号(RGB反射信号)。以下面的方式通过图像处理单元200处理输入到图像输入单元100中的图像数据。然后，从图像输出单元300输出图像。图像输出单元300包括电子照相印刷单元或喷墨印刷单元，并且用于在薄介质上诸如纸张或OHP胶片上形成图像。

图像出处理单元200由模数转换器201(下称为AD转换器201)、阴影(shading)校正器202、输入灰度电平校正器203、色彩校正器204、区域分割处理器205、黑产生和底色消除器206、空间滤波器处理器207、噪声叠加处理器208和半色调输出处理器209。

AD转换器201将图像输入单元100提供的RGB反射信号从模拟形式转换成数字形式。阴影校正器202对通过AD转换所获取的RGB反射信号执行阴影校正处理。执行阴影校正是为了消除可归因于图像输入单元100的光照系统、图像形成系统和图像拾取系统的配置的图像信号中的各种失真。

输入灰度电平校正器203对经过阴影校正的RGB反射信号执行输入灰度电平校正处理。输入灰度电平校正处理目的是将RGB反射信号转换成适于图像处理的密度信号。输入灰度电平校正器还可以为RGB反射信号执行色平衡处理。色彩校正器204将RGB的灰度信号转换成CMY的密度信号(C：青，M：品红，Y：黄)(以下简称为CMY信号)，并且还对CMY信号执行色彩校正处理以在图像输出单元300中实现正确的色彩再现。具体而言，色彩校正处理的目的是为了从CMY信号中消除基于包含不必要吸收成分的CMY调色剂或墨水的频谱特性的色彩不纯。

区域分割处理器205根据色彩校正器204输出的CMY密度信号执行区域分割处理。并将区域分割处理器的分割结果施加到黑产生和底色消除器206和空间滤波器处理器207。分割结果还可以根据需要应用于半色调输出处理器209。

黑产生和底色消除器206根据色彩校正器204输出的CMY信号执行一种黑产生处理以产生黑(K)的色彩信号，与此同时还执行消除从CMY信号所产生的底色的处理。底色消除处理的目的是为了通过从CMY信号中减去在黑产生处理中产生的黑色信号，来获取新的CMY色信号。这种处理的结果是，CMY密度信号被转换成由CMYK色彩信号所组成的图像数据(下称为CMYK图像数据)。

空间滤波器处理器207使用用于CMYK图像数据的数字滤波器执行空间滤波器处理，所述图像数据是在黑产生和底色消除器206中获得的。结果，校正了图像的空间频率响应，并且，由此防止了图像输出单元300输出的图像被颗粒性模糊或恶化。

噪声叠加处理器208包括其电路结构类似于实施例1中的电路结构的噪声产生器。在此噪声叠加处理器208中，在空间滤波处理之后，从噪声产生器输出的噪声数据被叠加在CMYK图像数据上。

在噪声叠加处理之后，半色调输出处理器209对CMYK图像数据执行灰度电平校正处理和半色调产生处理。半色调产生处理的目的是使得有可能通过使用二进制或多值高频颤动(dither)方法或者误差扩散方法将图像分割成多个像素，来再现灰度电平。半色调输出处理器209可以执行将图像数据的密度值转换成半色调点阵区域比率，该比率提供了图像输出单元的特征值。半色调输出处理器209所处理的灰度信号被施加到图像输出单元300。上面所述的操作由未示出的CPU(中央处理单元)来控制。

在本实施例中，以上将本发明描述为应用于图像形成设备，诸如数字复印机或喷墨复印机。但是，本发明还可以应用于这样的图像处理设备配置，即，其中在信息处理设备诸如个人计算机上安装图像处理芯片以用来执行上述图像处理单元200的处理。在这种情况下，图像输入设备诸如扫描仪和图像输出设备诸如激光打印机或喷墨打印机与信息处理设备相连以构成图像处理系统。在这种图像处理系统中，信息处理设备在通过图像输入设备输入的图像数据上叠加噪声数据，并且图像输出设备根据叠加有噪声数据的图像数据形成图像。

而且，从根据本发明的伪随机数产生器输出的噪声数据能够用作蓝色噪声屏蔽方法中的噪声数据，该方法用于再现图像处理中的半色调。在蓝色噪声屏蔽方法中，使用人类的可见灵敏度在高频时相对低这样一种事实来再现半色调。这种方法使用主要包括高频分量的噪声数据作为输入图像数据的阈值，因此，即使利用相对于输入图像数据来说较小数量的灰度电平也能够获得优质的输出图像。

Claims (8)

1、一种信号处理方法，用于在输入信号上叠加基于伪随机数产生的噪声信号，以产生输出信号，所述方法包括以下步骤：

产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；

利用所产生的伪随机数以及由所述输出信号的期望频率特性所确定的加权矩阵来执行卷积运算；和

根据所述卷积运算的结果，产生叠加在所述输入信号上的噪声信号。

2、一种信号输出设备，用于输出基于伪随机数所产生的噪声信号，所述设备包括控制器，该控制器能够执行以下操作：

产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；和

利用所产生的伪随机数以及由所述噪声信号的期望频率特性所确定的加权矩阵来执行卷积运算，

其中，要输出的所述噪声信号是根据所述运算的结果而产生的。

3、一种信号处理设备，用于在输入信号上叠加基于伪随机数产生的噪声信号，以产生输出信号，所述信号处理设备包括控制器，该控制器能够执行以下操作：

产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；和

利用所产生的伪随机数以及由所述输出信号的期望频率特性所确定的加权矩阵来执行卷积运算，

其中，要叠加在所述输入信号上的所述噪声信号是根据所述运算的结果而产生的。

4、一种图像处理设备，用于在输入图像信号上叠加基于伪随机数产生的噪声信号，以产生输出信号，所述图像处理设备包括控制器，该控制器能够执行以下操作：

产生预定数量的具有不同相位的伪随机数；和

利用所述产生的伪随机数以及由所述输出图像信号的期望空间频率响应所确定的加权矩阵来执行卷积运算，

其中，要叠加在所述输入图像信号上的所述噪声信号是根据所述运算的结果而产生的。

5、根据权利要求4所述的图像处理设备，还包括：

多个线性反馈移位寄存器，

其中所述线性反馈移位寄存器之一的输出值与其他线性反馈移位寄存器的输出值具有不同的相位差。

6、根据权利要求4所述的图像处理设备，

其中，所述预定数量的伪随机数是根据线性叠合方法而产生的。

7、根据权利要求4到6中的任何一项所述的图像处理设备，还包括：

归一化器，用于对所述运算的结果进行归一化。

8、一种图像形成设备，包括：

根据权利要求4到6中的任何一项所述的图像处理设备；和

图像输出单元，用于基于由所述图像处理设备所产生的输出图像信号而在薄介质上形成图像。

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