CN100350788C - 从压缩图像产生半色调图像的方法和装置 - Google Patents

Abstract

从压缩图像产生半色调图像的方法，其中压缩图像是由产生得出域分量的系数的域变换和编码所述系数的编码操作压缩的，该方法包括获得解码系数(y_p)的解码操作(S₂₀)和获得位图的阈值化操作(S₂₆)。在阈值化操作(S₂₆)中仅考虑验证选择标准的经解码的系数。一种从经域变换压缩的图像产生半色调图像的装置，包括解码器和半色调化模块，装置配备有存储数字压缩图像的存储器和处理数字数据的处理单元，其中半色调化模块仅考虑验证选择标准的经解码的系数来执行阈值化操作。

Description

从压缩图像产生半色调图像的方法和装置

本发明涉及一种从压缩图像产生半色调图像的方法，其中压缩图像是由产生得出域分量系数的域变换和编码所述系数的编码操作压缩的，该方法包括获得解码系数(y_p)的解码操作和获得位图的阈值化操作。

图像压缩技术为存储或传输的高成本问题提供了重要的解决办法。在扫描仪、打印机、传真机、台式印刷系统、医学成像、形象艺术和许多其它的连续色调或彩色图像应用领域中被广泛使用。压缩的结果是数据流变短，从而被更好地传送、存储和管理。有许多压缩算法，例如TIFF CCITT、JBIG和JPEG。JPEG(联合图像专家组)已经开发了一种通用的满足许多连续色调图像应用需求的压缩标准。在G.K.Wal1ace的Communications of the ACM(CAM通信)，34，p31(1991)中可以得到详细的说明。JPEG是基于首先转换为频域的图像的压缩。源图像的取样首先分组为8×8的块。然后使用例如离散余弦变换(DCT)的频域变换修改输入的原像素的表示。获得所谓的DCT系数，该系数可看作64点输入信号中包含的2D空间频率的相对量。在两维中都为零频率的系数称为“DC系数”，而剩余的63个系数称为“AC系数”。然后DCT系数被量化，即每个DCT系数除以相应的量化器步幅，随后舍入为最近的整数。该操作的目的是舍弃视觉上影响不大的信息。这就是为什么量化固有地“有损失”的原因。以8×8阵列的Z字形序列排列DCT系数是适宜的。在该Z字形序列中，DC系数是标记为0的系数，频率系数越高，标记越高。这种将低频系数放置在高频系数之前的排列有利于下面作为熵编码的压缩。熵编码的步骤通过在DCT系数的统计特性基础上更紧凑地编码DCT系数来实现有效的压缩。熵编码方法的例子有霍夫曼编码和算术编码。

压缩域图像处理的好处是能够降低对处理能力的要求。当要打印宽格式文件时，非常花费时间的操作是半色调化步骤，因为数据量很大。为了执行压缩过的例如JPEG格式压缩的图像的打印，编码数据首先要被解码。这可以使用霍夫曼解码器来完成，从而获得解码的DCT系数。然后是去量化步骤。为了恢复输入像素值，要执行反离散余弦变换。半色调化，就是将彩色或灰度图像生成为位图即像素值仅有两个可能的等级(打印点或不打印点)的图像处理，可以在这些经恢复的输入像素值上执行。公知的半色调化方法的例子是误差扩散方法和掩蔽方法。在后一方法中，半色调化操作是用掩模对图像作简单阈值化的操作，其中掩模可以有不同的、排列在矩阵阵列中的阈值。但是，为了效率，图像处理操作应该适应在压缩的数据流上执行。这对于宽格式文件尤其重要，因为处理时间的增进会很显著。

在压缩数据流上执行的图像处理操作在例如WO94/22108中公开。按照文件中公开的产生缩略图或减少尺寸的图像的方法，图像根据DCT系数的DC值来产生。霍夫曼解码器用于解码压缩的图像数据，量化的DCT系数就是由它产生的。对AC系数的去量化和反DCT步骤被跳过。仅DC系数用于产生减少尺寸的图像。换句话说，缩略图像是从每个8×8块的DC值产生的。生成图像所需的处理时间减少了，并且用户能够快速浏览各图像。但是，当用于从压缩图像产生半色调图像时，该方法有这样的缺点：打印图像中的生成细节的质量非常低，不能满足用户的需求。

本发明意欲提供一种从域变换压缩的图像产生半色调图像时减轻这些问题的方法。按照本发明的方法的特征在于在阈值化操作中仅考虑用于验证选择标准的解码系数(y_p)。

按照本发明的从域变换压缩的图像产生半色调图像的方法的主要优点是能够在半色调图像的视觉质量良好的同时实现快速的半色调化。半色调化操作相对快速是因为在阈值化操作中不是考虑所有的解码系数。因为此阈值化操作的结果基本上和考虑所有解码系数时所得结果相同，所以打印时的半色调图像的示象令人满意，并且细节被适当地生成。

本发明特别提供一种从域变换压缩的图像产生半色调图像的方法，其中解码系数(y_p)是离散余弦变换(DCT)系数。按照本发明的该实施例特别有价值，因为，在JPEG压缩的情况下，最重要的处理部分在离散余弦变换中执行。如果这样的JPEG压缩图像要被完全解压缩，就要执行反离散余弦变换的步骤。按照本发明，将解码系数(y_p)变换回输入像素的步骤被跳过。当解码系数(y_p)为DCT系数时，跳过反DCT将非常有利于产生半色调图像，并且处理时间将得益。

按照本发明的一个方面，为阈值化操作选择的解码系数(y_p)是DC系数(y₀)和绝对值大于等于预定值LIM的AC系数。DC系数y₀很重要，因为它给出了一个输入像素块的平均色调。而有些AC系数(y_p)不明显改变为获得半色调图像而执行的阈值化操作的结果。预定值LIM是在阈值化操作中所考虑的AC系数(y_p)绝对值的最低界限。每个大于等于LIM绝对值的系数(y_p)会对阈值化操作的结果有明显的影响。

优选地，阈值化操作中使用的元被预先计算。从而能够进一步有益于处理时间。

在按照本发明的从域变换压缩的图像产生半色调图像的方法中，为阈值化操作选择的解码系数(y_p)被因子α放大。从而降低了半色调化操作中可能产生的噪声。特别是，边缘被增强而能够避免噪声线。

本发明还涉及一种从压缩图像产生半色调图像的装置，其中压缩图像是由产生所得的域分量的系数的域变换和对所述系数进行编码的编码操作来压缩的，该装置包括执行解码操作以获得解码系数(y_p)的解码器和执行阈值化操作以获得位图的半色调化模块，该装置配备有存储数字压缩图像的存储器和处理数字数据的处理单元，其中半色调化模块按照本发明的方法执行阈值化操作。

本发明进一步涉及一种具有按照本发明的方法从域变换压缩的图像产生半色调图像的程序代码的计算机程序。

本发明还涉及一种打印机，配备有接收外部产生的打印命令的网络连接单元，处理数字图像数据的处理单元和打印单元，特征在于，处理单元配备有一种应用了按照本发明从域变换压缩的图像产生半色调图像的方法的装置。

现在将参考本发明以下举例说明的实施例来解释本发明，并参考附图来说明。该实施例仅用于说明本发明，而不应视为其限制。

图1示出了典型的压缩和解压缩框架(现有技术)；

图2是按照本发明实施例产生半色调图像的方法流程图；

图3是可用于本发明的数字打印机的框图。

在下文中，针对连续色调图像例如灰度图像来解释从域变换压缩的图像产生半色调图像的方法的实施例。也能够应用该方法将压缩的彩色图像半色调化。当彩色打印机例如使用多个着色剂(如墨水形式的黑、青、品红和黄)的喷墨打印机要打印彩色图像时，相应的半色调图像表现为同样数目的彩色平面。每个彩色平面是连续色调图像并且使用下文所述方法单独地变换为位图。为了避免伪像和莫尔纹图，每个彩色分量应当使用不同的掩模并且要对这些掩模给以不同的取向。

首先给出图像压缩和解压缩的一般框架。在图1中概述了压缩和解压缩的原理(现有技术)。在压缩算法的输入端，源图像取样被分组为8×8的块(S₂)，表示例如[-2^N-1，2^N-1-1](带符号整数)范围内的像素值。这样的8×8块是具有64个系数i_h，k的矩阵I，h取整数值0，...，7，k取整数值0，...，7。压缩算法的下一步(S₄)例如是离散余弦变换(DCT)，按照下列方程将系数i_h，k变换为系数y_r，s：

$y_{r,s}=\frac{1}{4}C\left(r\right)C\left(s\right)\underset{h=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(\frac{(2h+1)r}{16}\mathrm{\π}\right)\cos \left(\frac{(2k+1)s}{16}\mathrm{\π}\right)i_{h,k}...\left(1\right)$

对于r，s＝0，C(r)，C(s)＝1/，否则，C(r)，C(s)＝1

形成矩阵Y的64个DCT系数y_r，3的每一个包含组成输入信号频谱的64个唯一的二维空间频率之一。具有在两维中都为零频率的DCT系数称为DC系数。剩下的63个DCT系数称为AC系数。量化步骤(S₆)旨在舍弃视觉上影响不大的信息。量化是多对一的映射，因此在原理上是“有损失的”。为了执行量化，具有系数q_r，s的64单元量化矩阵Q必须被应用指定。最高频分量包含图像的细节，人的视觉对此一般不敏感。因此，最高频分量可以比其它分量更粗糙地量化而不会明显降低图像质量。量化操作对DCT系数y_r，s执行。通过以其相应量化步幅q_r，s去除每个DCT系数得到量化的8×8块y_r，s ^q系数，随后舍为最近整数：

$y_{r,s}^q=\mathrm{IntegerRound}\left(\frac{y_{r,s}}{q_{r,s}}\right)...\left(2\right)$

该量化级因为舍入运算而固有地“有损”。表示系数已经被量化的标记q现在可以省去，但要记住系数无论如何是被量化了的。

压缩图像时要执行的下一步是熵编码步骤(参见图1中的S₈)。为了使该编码更容易，通过将更可能为非零的低频系数放置在高频系数前，将系数y_r，s排列为Z字形序列。两维均为零频(r＝0；s＝0)的DCT系数称为DC系数，而块的剩余系数称为AC系数。DC系数与块i_k，h的平均值成比例。随着r和s沿两维都在增加，余弦频率也增加。由于y_r，s排列为Z字形序列，单个标记p而不是(r，s)可以用于DCT系数，表示为(y_p)，p＝0，...，63。在该表示中，y₀是DC系数。符号y_p等于符号y_r，s。

根据系数的统计特性，熵编码(S₈)通过更紧密地编码DCT系数来实现压缩。熵编码方法的例子是霍夫曼编码和算术编码。这些方法由JPEG方案说明。编码主要用符号发生频率的函数的可变大小指定码字。霍夫曼编码要求表由应用指定。压缩文件具有例如按照JPEG方案的格式。

通常的解压缩算法也在图1中示出，包括步骤：解码(S₁₂)、反量化(S₁₄)、反离散余弦变换(S₁₆)和图像的重建(S₁₈)。使用例如霍夫曼解码器(S₁₂)，需要用于压缩图像的同样的表来解压缩图像。因为已经在压缩框架中量化了(y_p)系数，需要执行反量化操作(S₁₄)以得到未量化系数。反量化操作按照以下方程执行：

$y_p=y_{r,s}^q{q}_{r,s}...\left(3\right)$

为了恢复64系数i_h，k的块I，要执行反DCT操作(S₁₆)。反DCT由以下方程表示：

$i_{h,k}=\frac{1}{4}\underset{r=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{s=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}C\left(r\right)C\left(s\right)\cos \left(\frac{(2h+1)r}{16}\mathrm{\π}\right)\cos \left(\frac{(2k+1)s}{16}\mathrm{\π}\right)y_{r,s}...\left(4\right)$

对于r，s＝0，C(r)，C(s)＝1/，否则，C(r)，C(s)＝1

代替使用两个标记h和k，在剩余的描述中使用标记d，d取值d＝0，...，63。于是反DCT可以写为：

$i_{h,k}=i_d\≈\underset{p=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}{y}_p{F_{\mathrm{DCT}}}_p^d...\left(5\right)$

其中

${F_{\mathrm{DCT}}}_p^d={F_{\mathrm{DCT}}}_{r,s}^{h,k}=\frac{1}{4}C\left(r\right)C\left(s\right)\cos \left(\frac{(2h+1)r}{16}\right)\cos \left(\frac{(2k+1)s}{16}\right)$

p对应于(r，s)而d对应于(h，k)。

现在可以重建图像(S₁₈)并进行进一步的处理。

下面，依照图2的流程图解释按照本发明从域变换压缩的图像产生半色调图像的方法。该方法包括获得解码系数(y_p)的解码操作(S₂₀)。例如，对于JPEG压缩图像，已经在压缩框架中编码的DCT系数(y_p)被恢复。由于量化的“有损”特性，解码的系数约等于编码的系数。

如以上解释的，步骤(S₂₂)执行反量化操作，得到的系数用同样的符号(y_p)表示。

按照本发明从域变换压缩的图像产生半色调图像的方法包括获得位图的阈值化操作。半色调化操作的一个例子是掩蔽方法。给定包括块I的输入图像，其中i_h，k是位于行h列k的像素，给定掩模的像素矩阵M，其中m_h，k是矩阵单元，则基本的半色调化操作的目标是产生具有单元b_h，k的输出位图矩阵B。利用掩模的阈值化操作可以写为：

B＝IM，其中，如果i_h，k≥m_h，k，则b_h，k＝1，否则b_h，k＝0。

掩模的一个重要特性是它的光谱特性。有些掩模具有蓝噪声或绿噪声。通用的方式是使用具有固定尺寸的掩模，并作为不重叠的片在图像的不同部分上应用掩模。通常的掩模尺寸是128×128或256×256像素。

假定掩模尺寸是8×8，或者8×8掩模矩阵是具有更大尺寸的掩模的一部分，并使用标记d代替h和k，d＝0，...，63，则阈值化操作这时可以表示为：

B＝IM其中如果i^d≥m^d则b^d＝1，否则b^d＝0。

或者几乎相等地(因为量化的“有损”舍入操作)，

B＝IM如果 $i_d\≈\underset{p=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}{y}_p{F_{\mathrm{DCT}}}_p^d\≥m^d$ 则b^d＝1，否则b^d＝0。

按照本发明，在阈值化操作中仅考虑验证选择标准的经解码系数(y_p)。通过评价和

并与m^d比较而对像素i^d所作的阈值化操作，有些(y_p)对这种操作的结果应该没有明显影响。不考虑这些系数(y_p)可以得到良好的结果，包括令人满意的输出位图矩阵B和处理时间的明显改善。S₂₄是按照标准选择参数、指定在阈值化操作中考虑哪个系数的步骤。

DC系数y₀很重要，因为它给出了块的平均色调，在阈值化操作中要被优先考虑，也可以通过不等式表示：

$\underset{p=1}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}{y}_p{F_{\mathrm{DCT}}}_p^d\≥m_d-y_0\·\·\·\left(6\right)$

选择DC系数y₀，和选择(S₂₄)其它系数y_p，优选地考虑绝对值大于等于预定值LIM的AC系数(y_p)。例如，值为-1或1的系数不会像值为8或-14的系数那样多地改变阈值化操作的结果。

对于所有图像，LIM预定值可以是固定值。也可以是能够由用户确定并通过用户接口输入的值。还能够自适应地确定LIM值。在该自适应方式中，对每个块计算所谓的块能量，例如所有AC系数(y_p)的和。LIM值可以是计算的块能量的函数。

为了进一步提高产生半色调图像的处理速度，可以预先计算阈值化操作中使用的部分元，例如不等式右边部分(m_d-y₀)和元y_pF_DCTp ^d。这些元可以以表的形式放在存储器中。

在按照本发明从域变换压缩的图像产生半色调图像方法的框架内，还能够增强图像的边缘。这具有明显减少半色调化线中的噪声的优点。在已经获得解码系数(y_p)以后，用于阈值化操作的不等式左部分被因子α相乘，α可以是固定因子，或由用户选择，或以和上述LIM相同的方式由自适应方式确定。这时用于阈值化操作的不等式表示为：

$\underset{p=1}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{y}_p{F_{\mathrm{DCT}}}_p^d\≥m_d-y_0...\left(7\right)$

图3示出了应用了上述发明的数字打印机的最重要部分的图解表示。

参考图3，该装置配备有用户接口5和输入单元6，用于接收别处例如经网络7产生的数字图像，因此，该装置作为打印机使用。

该装置还配备有扫描器1，具有将记录图像转换为数字图像的装置，存储器2，存储数字图像例如压缩JPEG图像，处理数字图像的处理单元3，和打印单元4，用于在纸或任何适当的介质上打印压缩数字图像。打印数字彩色图像时，打印单元4包含多个彩色打印子单元，每个打印一种基色。例如四个彩色打印子单元可以以墨水或调色剂的形式使用基本着色剂青、黄、品红和黑。彩色通过半色调化技术例如掩蔽或误差扩散方法来生成。

来自扫描器1或输入单元6的输入图像是连续色调图像或彩色图像。对于彩色图像，每个彩色平面是连续色调图像，并且使用本发明的方法单独转换为位图。为了执行半色调化操作，处理单元3配备有解码器10，用于执行获得解码系数(y_p)的解码操作，和半色调化模块8，用于按照发明执行阈值化操作。

处理单元3连接作到为用户接口的操作单元5。操作者接口5包括选择装置，并可以配备有设置装置，例如通过滑动或按钮方式设置半色调化功能的一些参数。比如，当希望增强图像边缘和减少半色调化线时的噪声时，可以选择参数α。在存储器2中，可以存储一些阈值化操作中使用的预计算元。

当本发明用于在网络环境中的打印机时，用户例如能够利用其工作站的打印机驱动程序指示必须用选择的参数半色调化选择的图像。此时，打印机中的处理设备从压缩图像产生半色调图像，并打印转换过的图像。

也可以在分离的计算机例如用户的工作站上完成半色调化操作，然后将半色调数字图像送给打印机或存入大容量存储器。

虽然已经参考上述举例的实施例解释了发明，但是不限于此。对于本领域技术人员来说，在权利要求的范围内其它实施例显然是可能的。

Claims (10)

1.从通过域变换和编码操作而压缩的图像产生半色调图像的方法，其中所述域变换产生用来得出域分量的系数，并且所述系数通过所述编码操作而被编码，该方法包括：

执行用于获得解码系数(y_p)的解码操作(S₂₀)和用于获得位图的阈值化操作(S₂₆)，其特征在于，在该阈值化操作(S₂₆)中仅考虑用于验证一个选择标准的已解码的系数(y_p)。

2.根据权利要求1的产生半色调图像的方法，其特征在于解码后的系数(y_p)是离散余弦变换(DCT)系数。

3.根据权利要求2的产生半色调图像的方法，其特征在于为阈值化操作(S₂₆)所选择的解码系数(y_p)是DC系数(y₀)和仅其绝对值大于等于预定值LIM的AC系数。

4.根据权利要求2或3的产生半色调图像的方法，其特征在于阈值化操作中使用的元是预先计算的。

5.根据权利要求1，2或3的产生半色调图像的方法，其特征在于使用霍夫曼解码器获得解码系数(y_p)。

6.根据权利要求1，2或3的产生半色调图像的方法，其特征在于为阈值化操作(S₂₆)所选择的解码系数(y_p)被因子α放大。

7.从通过域变换和编码操作而压缩的图像产生半色调图像的装置，其中所述域变换产生用来得出域分量的系数，并且所述系数通过所述编码操作而被编码，

该装置包括解码器(10)，用于执行获得解码系数(y_p)的解码操作，和半色调化模块(8)，用于执行获得位图的阈值化操作，该装置配备有用于存储数字压缩图像的存储器(2)和用于处理数字数据的处理单元(3)，其特征在于，该半色调化模块(8)在阈值化操作中仅考虑用于验证一个选择标准的已解码的系数(y_p)。

8.根据权利要求7的产生半色调图像的装置，其特征在于解码器(10)是霍夫曼解码器。

9.根据权利要求7或8的产生半色调图像的装置，其特征在于该装置配备的存储器(2)存储了预先计算的阈值化操作中使用的元。

10.打印机，配备有接收外部产生的打印命令的网络连接单元(7)、处理数字图像数据的处理单元(3)、和打印单元(4)，其特征在于该打印机配备有根据权利要求7-9中任一权利要求的装置。

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