CN1163853C - 自输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置，其是计算输入数字影像的图素值与对应的半色调影像的图素值的差值，经一误差过滤器的处理改正输入数字影像图素值，获改正的影像图素值，将改正的值与至少两个临界值相比，每一临界值对应一半色调影像图素值，决定最接近的临界值，而获得最接近的临界值所对应的半色调影像图素值，藉此而将输入的数字影像的所有图素转换形成该半色调影像的图素，以简单的架构获得优异品质的半色调影像。

Description

由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置

技术领域

本发明是有关影像著色系统的技术领域，尤指一种由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置。

背景技术

半色调(Halftone)法是印制照片时常采用的步骤，其目的在将灰阶影像转换为二元(Binary)影像，亦即影像的每一图素(Pixel)是由一比特(Bit)所代表，例如在图6所示的一般影像著色系统中，是以一显示前处理器61(Display Preprocessor)对一连续色调数字影像(Continuous-tone Digital Image)进行处理以将之转换为一二元离散空间影像(Binary Discrete-space Image)b[x，y]，此二元离散空间影像即可作为例如液晶显示器或印表机等二元显示装置(Binary DisplayDevice)所提供的实体重建功能(Physical Reconstruction Function)的输入而产生一连续空间可视性影像(Continuous-space Visual Image)I’(x，y)以供输出之。而在前述的前处理器中，主要是将该输入的连续色调数字影像进行回复重行取样(Retrospective Resampling)、色阶调整(Tone Scale Adjust)及清晰化(Sharpen)等处理以获得一连续色色调数字影像(Continous-tone Digital Image)I[x，y]，以便以经由半色调法的处理而产生该二元离散空间影像。

而如习于该项技艺者所熟知，现有的半色调技术主要可分为有序性混合(Ordered Dither)及误差扩散(Error Diffusion)两类，其中，有序性混合演算法是将一原始的连续色调影像于座标(x，y)的图素(pixel)I_xy(1≤x，y≤n)与一半色调混合矩阵(Dither Matrix)的临界值(Threshold)进行比较，以产生二元半色调影像的对应图素b_xy(1≤x，y≤n)，而该半色调混合矩阵是可为将一n×n阶的矩阵D(n)的每一矩阵元素D_ij(n)依照i＝x modulo n且j＝y modulo n的运算而完成，当中，对每一图素I_xy的比较决定方式为：

IfI_xy≥D_ij(n)，then b_xy＝1，

               else b_xy＝0。

其中的1与0即是分别代表白色与黑色，藉此，即可获得代表该连续色调影像的二元半色调影像，而此二元半色调影像的品质是取决于该半色调混合矩阵的元素的格式(Pattern)，故而其在本质上极易出现视觉上可察觉的半色调式样(Visual Dither Patterns)，进而影响影像的品质。另误差扩散演算法则是藉由将原始图素与所对应的半色调图素间的差异予以扩散至其邻接点而得名，其所求取的二元半色调影像因引入蓝杂讯(Blue Noise)之故，故具有较连续性的视觉效果。

前述的习用技术主要是用于一比特影像表示的著色，图7是为其实际的灰阶图(灰阶值由上而下为255、224、192、160、128、96、64、32、0)，而其如要应用于形成多阶(Mulii-level)半色调影像时，则必须将表示影像图素的比特数予以扩展，而在已知的技艺中，例如美国专利US5689586的“以多阶技术列印N色调影像的方法”、US5416481的“具有多阶半色调电流输入的模拟数字转换器”及US5905490的“由一输入数字影像行成多阶半色调影像的方法及系统”等专利案皆有揭示关于如何形成多阶半色调影像的技术，惟其均是基于一比特的有序性混合演算法而予以扩展，因此，仍无法免除视觉上可察觉半色调式样的问题。故前述用以形成多阶半色调影像的方法实有予以改进的必要。

发明人本于积极发明的精神，亟思一种可以解决上述问题的“由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置”，几经研究实验终至完成此项新颖进步的发明。

发明内容

本发明的目的是在提供一种由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置，其可以简单的架构将m比特灰阶影像适当地转换为n比特影像(m≥n)，并使视觉上尽可能保有m比特灰阶影像的效果而获得优异的影像品质。

为达前述的目的，本发明是以扩展误差扩散法以由输入数字影像形成多阶半色调影像，其首先计算该输入数字影像的图素值与所对应的半色调影像的图素值的差值，而将该差值经由一误差过滤器的处理以改正该输入数字影像的图素值，以便获得改正的影像图素值，再将该改正的影像图素值与至少两个临界值相比，当中，每一临界值是对应一半色调影像图素值，藉以决定与该改正的影像图素值最接近的临界值，而获得该最接近的临界值所对应的半色调影像图素值，藉此，而将该输入的数字影像的所有图素转换形成该半色调影像的图素；

其中在步骤(A)中，该输入数字影像的图素值为I_xy，该半色调影像的图素值为B_xy，而该差值为e_xy＝I_xy-B_xy；

其中在步骤(B)中，该改正的影像图素值为 ${I_{\mathrm{xy}}}^{\′}=I_{\mathrm{xy}}-\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{kl}}{e}_{x-k,y-1},$ 当中，S代表预先选定的该输入数字影像图素的邻接点，而h_k1为该误差过滤器的误差扩散中心的系数，其符合h_k1≥0且 $\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{xy}}=1$ 的条件；

其中，在步骤(C)中，该改正的影像图素值I_xy’是与N个临界值Th_i(1≤i≤N)相比，以当Th_i-j≤I_xy’≤Th_i-j+1时(0≤j＜≤i)，指定一对应的影像图素值M_i-j为该半色调影像的图素值B_xy。

由于本发明设计新颖，能提供产业上利用，且确有增进功效，故依法申请专利。

附图说明

为使贵审查委员能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下附以图式及较佳具体实施例的详细说明如后，其中：

图1是为本发明的功能方块图。

图2A是为本发明运用于一具有三个临界值的8比特影像著色系统的一实例示意图。

图2B是为本发明运用于一具有三个临界值的8比特影像著色系统的另一实例示意图。

图3是为依图2A的实例所印出的灰阶图。

图4是为依本发明所印出的8比特输入、具有七个临界值的3比特半色调影像输出的灰阶图。

图5是为依本发明所印出的8比特输入、具有十五个临界值的4比特半色调影像输出的灰阶图。

图6是为习知影像著色系统的功能方块图。

图7是为依据习知半色调著色技术所印出的灰阶图。

具体实施方式

有关本发明的由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置的一较佳实施例，请先参照图1所示，其是将输入的数字影像11在座标(x，y)的点的图素值I_xy与一多重临界值装置13的多数个临界值Th_i(1≤i≤N)相比，以转换形成多阶半色调影像的图素值B_xy，而该输入的数字影像的图素值I_xy并与所对应的半色调影像的图素值B_xy相减，以获得一差值e_xy，亦即：

e_xy＝I_xy-B_xy。                     (1)

该差值e_xy即所谓的误差，而该等代表过去的误差的差值e_xy并输入一误差过滤器(Error Filter)12以进行 $\underset{(k,l)}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{kl}}{e}_{x-k,y-1}$ 的运算处理而产生一更正因子(Correction Factor)，其中，S是代表预先选定的该输入数字影像图素I_xy的邻接点，其定义了指标(k，1)的范围，而h_k1为该误差过滤器的误差扩散中心的系数，其符合下述的条件：h_k1≥0且 $\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{xy}}=1,---\left(2\right)$

因此，误差可藉由加权的邻接点而扩散，但不被放大或减少。

又该更正因子即是用以改正将要输入的数字影像图素值I_xy，以获得改正的影像图素I_xy’，亦即：

${I_{\mathrm{xy}}}^{\′}=I_{\mathrm{xy}}-\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{kl}}{e}_{x-k,y-1}---\left(3\right)$

而该改正的影像图素I_xy’再与该多数个临界值Th_i相比，当中，每一临界值Th_i是对应一半色调影像图素M_i，以当Th_i-j≤I_xy’≤Th_i-j+1时(0≤j＜≤i)，指定一对应的影像图素值M_ij为该半色调影像的图素值B_xy，亦即依照下述的法则决定每一图素值B_xy以形成该半色调影像：

If I_xy’≥Th_i，B_xy＝M_i；

elseif I_xy’≥Th_i-1，B_xy＝M_i-1；

elseif I_xy’≥Th_i-2，B_xy＝M_i-2；

      ……

elseifI_xy’≥Th₀，B_xy＝M₁；

else B_xy＝M₀。                 (4)

而在座标(x，y)的点的误差E_xy’即可由下述的运算式计算求得：

E_xy’＝I_xy’-B_xy，             (5)

藉此，可继续产生下一影像图素值I_xy’，而经由重复上述运算式(1)至(5)，即可完成多阶的误差扩散程序而产生多阶半色调影像。

图2A是为使用本发明的多阶半色调法的一实例，其是假设运用于一具有三个临界值的8比特的影像著色系统，因此，影像图素值可为0-255，而临界值是选为192、128及64，藉以将可能的影像图素值范围均分为四等分，而每一等分即对应一多阶半色调影像图素11、10、01或00，因此，可将m比特灰阶影像适当地转换为n比特影像(m≥n，于本实例中，m＝8，n＝2)，使视觉上尽可能保有m比特灰阶影像的效果，图3即为由本实例实际所印出的灰阶图(灰阶值由上而下为255、224、192、160、128、96、64、32、0)，而图4及图5是分别为n＝3及n＝4的条件下所实际印出的灰阶图，其显示本发明确可提供良好的影像效果。此外，本发明的临界值的选择方式并可随输出装置的特性而有所调整，据以藉由对影像图素值范围进行非均等性的划分，而可强调特定部分的灰阶影像，参照图2B所示，其是相似于图2A的实例，惟临界值是选为128、84及42，故所划分的影像图素值范围为非均等而可特别用以强调低灰阶的影像。

由以上的说明可知，本发明的由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法及装置可适用于多阶印刷设备及显示装置，而由于仅需保持较少的影像资料于记忆体中，因此，其在影像品质和硬体架构的实现上有其优越性，并可经由临界值的调整，定义出任意n比特以下的多比特半色调影像，此外，亦可免于多比特依序半色调技术所会产生的视觉上可察觉的半色调式样的问题。

综上所述，本发明无论就目的、手段及功效，均不同于习知技术的特征，为多阶半色调影像处理技术上的一大突破。应该注意的是，上述诸多实施例仅是为了便于说明而举例而已，本发明所主张的权利要求范围自应以申请权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (6)

1.一种由输入数字影像形成多阶半色调影像的方法，其特征在于，主要包括下述的步骤：

(A)计算该输入数字影像的图素值与所对应的半色调影像的图素值的差值；

(B)将该差值经由一误差过滤器的处理以改正该输入数字影像的图素值，而获得改正的影像图素值：以及

(C)将该改正的影像图素值与至少两个临界值相比，当中，每一临界值是对应一半色调影像图素值，藉以决定与该改正的影像图素值最接近的临界值，而获得该最接近的临界值所对应的半色调影像图素值，再对其它图素值执行步骤(A)直至该输入数字影像的所有图素均已转换形成该半色调影像的图素；

其中在步骤(A)中，该输入数字影像的图素值为I_xy，该半色调影像的图素值为B_xy，而该差值为e_xy＝I_xy-B_xy；

其中在步骤(B)中，该改正的影像图素值为 $I_{\mathrm{xy}}\text{'}=I_{\mathrm{xy}}-\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{kl}}{e}_{x-k,y-1},$ 当中，S代表预先选定的该输入数字影像图素的邻接点，而h_k1为该误差过滤器的误差扩散中心的系数，其符合h_k1≥0且 $\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{xy}}=1$ 的条件；

其中，在步骤(C)中，该改正的影像图素值I_xy’是与N个临界值Th_i(1≤i≤N)相比，以当Th_i-j≤I_xy’≤Th_i-j+1时(0≤j＜≤i)，指定一对应的影像图素值M_i-j为该半色调影像的图素值B_xy。

2.一种由输入数字影像形成多阶半色调影像的装置，其特征在于，主要包括：

一差值计算装置以计算该输入数字影像的图素值与所对应的半色调影像的图素值的差值；

一误差过滤器，其输入该差值以处理而获得一更正因子，该误差过滤器主要包含一乘法器及一累加器；

一改正装置以使用该更正因子来改正该输入数字影像的图素值，而获得改正的影像图素值，该改正装置由一减法器构成；以及

一多重临界值装置，该多重临界值装置主要包含一多阶比较器及一选择输出器，其具有至少两个临界值，每一临界值是对应一半色调影像图素值，该至少两个临界值是与该改正的影像图素值相比，以决定与该改正的影像图素值最接近的临界值，藉以获得该最接近的临界值所对应的半色调影像图素值。

3.根据权利要求2所述的由输入数字影像形成多阶半色调影像的装置，其特征在于，其中该差值计算装置是将该输入数字影像的图素值减去该半色调影像的图素值而获得该差值。

4.根据权利要求3所述的由输入数字影像形成多阶半色调影像的装置，其特征在于，其中该误差过滤器所产生的更正因子为 $\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{kl}}{e}_{x-k,y-1},$ 当中，S代表预先选定的该输入数字影像图素的邻接点，e_x-k，y-1代表一差值，而h_k1为该误差过滤器的误差扩散中心的系数，其符合hk₁≥0且 $\underset{(k,l)\∈S}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{xy}}=1$ 的条件。

5.根据权利要求4所述的由输入数字影像形成多阶半色调影像的装置，其特征在于，其中该改正装置是将该输入数字影像的图素值减去该更正因子以获得该改正的影像图素值。

6.根据权利要求5所述的由输入数字影像形成多阶半色调影像的装置，其特征在于，其中该多重临界值装置具有N个临界值Th_i(1≤i≤N)，其是与该改正的影像图素值I_xy’相比，以当Th_i-j≤I_xy’≤Th_i-j+1时(0≤j＜≤i)，指定一对应的影像图素值M_i-j为该半色调影像的图素值。

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