CN1187712C

CN1187712C - 数字图像信息的抖动方法及装置

Info

Publication number: CN1187712C
Application number: CNB011368497A
Authority: CN
Inventors: 吕忠晏; 王海薇
Original assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Current assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2021-10-29
Also published as: CN1416102A

Abstract

本发明揭露一种数字图像信息的抖动(dithering)方法及装置，其中N-M＝K，而K＞0，该方法可以应用至影像处理统或者电脑绘图统中的抖动程序(dithering method)，该方法是依据像素的最高n位元(the most significantn bit)以及最低n位元(the least significant n bit)的图像信息的差值来当作预估基准，其中，最好的状况是n＝K；此外，本发明另外揭露一种抖动(dithering)装置来将数字影像的N位元图像信息转换至M位元图像信息，其中N-M＝K，而K＞0；该装置所包含的减法运算装置用于将像素的N位元图像信息的最高n位元减去其最低n位元的后以得到差值。

Description

数字图像信息的抖动方法及装置

技术领域

本发明涉及电脑绘图技术领域，尤其是一种可将数字影像的N位元图像信息转换至M位元图像信息的数字图像信息的抖动(dithering)方法及装置，其中N-M＝K，而K＞0，可应用在电脑绘图或者影像处理的颤动混色抖动程序(dithering process)中，来解决影像偏差的问题。

背景技术

电脑绘图或是影像处理中常常会将高色阶(high precision)的影像转成低色阶的影像，一般而言，处理器是能够处理高色阶图像信息的，但是接下来的储存装置或是显示装置必须要配合的上，然而，有时却必须要限制在低色阶标准中，这就是为什么影像处理器大都被设计成可支援不同色阶显示标准，如24位元(bit)的真实色彩模式(true color format)和16位元(bit)的高色阶色彩模式(high color format)的原因，因此，将24位元的资料转换成16位元的资料以利于储存或是显示的转换动作，是常常被使用的。

24位元的真实色彩模式中有8位元是代表红色、8位元是代表绿色、8位元是代表蓝色，而16位元的高色阶色彩模式中则分别以5位元、6位元以及5位元来代表红色、录色以及蓝色，因此，当要将一个24位元的真实色彩模式的像素转换成16位元的高色阶色彩模式时，便需要应用如图1中所示的8位元转5位元以及8位元转6位元的换算法。

习知已有截断法(truncation method)和环绕法(rounding method)应用于上述的模算法中，但运用单纯的截断法和环烧法由于最后的影像中会产生马赫带状效应(Mach banding effect)而不太受重用，其中上述的马赫带状效应会使边界产生色阶差(intensity gap)，也就是色阶值的大小与变化量有不连续性的情形，此状况以目视就可以看得出来；为了避免马赫带状效应，习知已有一种抖动方式来改善上述的情况，该抖动方式中是先以截断法所得的色阶值(color value)与一抖动值结合运算，其中该抖动值是随该像素的位置不同而变化的，图2A图至图2C中所呈现的是三个分别自m位元针对减少2位元、3位元与4位元时的抖动阵列(dither matrix)与抖动表(di ther table)，其中，i与j分别表示该像素的X方向与Y方向的座标除以m的后所剩的余数值，表示成i＝(x mod m)，j＝(y mod m)。

根据抖动表的使用，将一些乱数值(random value)加入像素中后，这些抖动效应会将轮廓打散，而这些抖动表中的乱数则是由不同的演算法计算出来的，若整个图片都加入这项的抖动效应，其色阶值所造成的边界将会被柔化。

请参阅图3，该图为习知抖动方法中，处理一个像素自8位元转换成5位元的换算法的功能方块图，为应用于将红色自真实色彩模式转换成高解析色彩模式。首先，将一个像素的座标值(也就是X与y)输入功能方块31中，自如图2B中所述的D3的抖动表中查出一个比对值(threshold value)T，于功能方块32中，将该比对值与该像素的8位元色阶值(R[7:0])的最低3位元(R[2:0])的值比较后，来决定一个进位值(carry value)，若是最低3位元(R[2:0])的值大于该比对值，则其进位值设为1，于功能方块33中，该像素中8位元色阶值(R[7:0])的最高5位元(R[7:3])的值便加上1，然后表示成一个暂时值(Tmp[5:0])；相反的，若是最低3位元(R[2:0])的值小于或等于该比对值，该像素中8位元色阶值(R[7:0])的最高5位元(R[7:3])的值便加上0，也就是说，该像素中8位元色阶值(R[7:0])的最高5位元(R[7:3])的值直接表示成一个暂时值(Tmp[5:00])；在功能方块34中，再更进一步将该暂时值以溢位处理法(clamp operation)转换成该像素最终所需的5位元色阶值；上述的溢位处理法中，若是该暂时值大于31时，该经过抖动的色阶值(R’[4:0])即设定成31，否则经过抖动的色阶值(R’[4:0])就等于该暂时值(Tmp[5:0])，上述的方式是说明当暂时值加上进位值而产生溢位后，使一个5位元暂时值(Tmp[4:00])变成一个6位元暂时值(Tmp[5:00])时的处理状况。

请参阅图4，该图所示类似图3所述的抖动方法，处理一个像素的8位元转换成6位元的换算法的功能方块图，应用于将绿色自真实色彩模式转换成高解析色彩模式。同样地，先将一个像素的座标值(也就是X与y)输入功能方块41中，自如图2A中所述的D2的抖动表中查出一个比对值(threshold value)T，于功能方块42中，将该比对值与该像素的8位元色阶值(G[7:0])的最低2位元(G[1:0])的值比较后，决定出一个进位值(carry value)，若是最低2位元(G[1:0])的值大于该比对值时，则其进位值设为1，在功能方块43中，该像素中8位元的色阶值(G[7:0])的最高6位元(G[7:2])的值便加上1，然后表示成一个暂时值(Tmp[6:0])；相反的，若是最低2位元(G[1:0])的值小于等于该比对值，该像素中8位元色阶值(R[7:0])的最高6位元(G[7:2])的值便加上0，也就是说，该像素中8位元的色阶值(G[7:0])的最高6位元(G〔7:2])的值直接表示成一个暂时值(Tmp[6:0])；于功能方块44中，再更进一步将该暂时值以溢位处理法转换成该像素最终所需的6位元的色阶值；上述的溢位处理法中，若是该暂时值大于63时，该经过抖动的色阶值(G’[5:0])即设定成63，否则经过抖动的色阶值(G’[5:0])就等于该暂时值(Tmp[6:0])，上述的方式是说明当暂时值加上进位值而产生溢位后，使一个6位元暂时值(Tmp[5:00])变成一个7位元暂时值(Tmp[6:0])时的处理状况。

一种与图3或图4的换算法相反的做法称为逆颠动混色方法，该方法常被使用在将高色阶色彩模式转换成真实色彩模式。一般的逆抖动的方法如图5A或图5B中的功能方块51或52的图中所述，附加复数个最高侧的位元；如图5A中，将原本高色阶色彩模式中5位元的色阶值(R’[4:0])直接当作真实色彩模式中最高5位元的色阶值(R”[7:3])，再将5位元色阶值中的最低3位元色阶值(R’[4:2])当成真实色彩模式中最低3位元的色阶值(R”[2:0])，上述两值组合回复成真实色彩模式的8位元色阶值(R”[7:0])；同样的，在图5B中，先将原本高色阶色彩模式中6位元的色阶值(G’[5:0])直接当作真实色彩模式中最高6位元的色阶值(G”[7:2])，再将6位元色阶值中的最高2位元色阶值(G’[5:4])当成真实色彩模式中又2位元的色阶值(G”[1:0])，上述两值组合回复成真实色彩模式的8位元色阶值(G”[7:0])。

上述所提出的抖动方法比起原先直接以截断法来处理色阶转换，已获得较佳的视觉品质，然而，在电脑绘图的应用中，被抖动处理后的影像却常常需要再被逆抖动处理，之后再度被抖动处理，如习知般所述的逆抖动方法是附加一段高阶色阶的位元到已被抖动的色阶值中，来将像素自低色阶转换成为高色阶，但很糟糕的是，像这样一再地重复抖动以及逆抖动的过程中，最后所得的影像中的某些点会出现有太过红、太过录，甚至太过蓝的现象，这就是产生所谓的色彩误差问题(color deviation)。

以下说明习知的抖动方法如何产生色彩误差问题：假设有某一点像素已经被抖动与逆抖动数次，该像素的色阶位元数目设为N，已被抖动的位元数目设为n，很据该像素的位置，经由一个抖动表(Dn)可以导出一个固定的比对值(threshold value)T，此外，该像素原始的色阶值设为I₀，经过k次抖动处理后的色阶值设为I_K，该像素经过k次抖动处理的抖动值设为V_K，而H_K是I_K的最高n位元的值，故可得知H_K＝I_K/2^N-n；此外，P_K为I_K的最低n位元的值，故可得知P_k＝I_k mod 2ⁿ。

透过习知逆抖动的方法，可得I_K＝V_K*8+H_k，这表示P_K＝H_K，在第一次的抖动程序中，如果P₀大于T，则可得V₁＝V₀+1与I₁＝V_i*8+H₁；，那表示P₁＝H₁；如果P₁大于T，则可得V₂＝V₁+1。这样很容易可以证明H_K一定是大于等于H₁，那就表示如果H₁大于T，H_K就会大于T，同时P_K也会大于T，当k增加，I_K也随之增加，最后，我们会发现某些点开始出现不协调的颜色，即产生色彩误差。而如何改善此一习用手段的缺失，为发展本发明的主要目的。

发明内容

因此，本发明的主要目的在提供一种可将数字影像的N位元图像信息转换至M位元图像信息的数字图像信息的抖动(dithering)方法及装置，其中N-M＝K，而K＞0，来解决影像偏差的问题。

本发明所提供的数字图像信息的抖动(dithering)方法，可将数字影像的N位元图像信息转换至M位元图像信息，包含下列步骤：执行第一运算将数字图像信息的像素的N位元中，获得N位元图像信息中的最高n位元与最低n位元之间的一差值；再执行第二运算将像素的座标值转换成一个比对值；比较差值与比对值后；当差值的绝对值不大于比对值时，将像素的N位元图像信息的最高M位元设定为像素的M位元图像信息；当差值的绝对值大于该比对值且差值为一正数时，将像素的N位元图像信息的最高M位元加上第一数值后当作像素的M位元图像信息；最后，当差值的绝对值大于比对值且差值为一负数时，将像素的N位元图像信息的最高M位元减上第二数值后当作像素的M位元图像信息。

根据上面所述，抖动的方法中1≤n≤(N/2)；且n＝K。

根据上面所述，抖动的方法中的第一数值与第二数值相等，且皆等于1。

根据上面所述，抖动的方法中更进一步包含一步骤：将N位元图像信息的最高M位元与第一数值的和与(2^M-1)作比较，若上述的和大于(2^M-1)，则将(2^M-1)当作像素的M位元图像信息。

根据上面所述，抖动的方法中更进一步包含一步骤：将N位元图像信息的最高M位元与第二数值的差与0作比较，若上述的差小于0，则将0当作像素的该M位元图像信息。

根据上面所述以上所述，抖动的方法中所述的第一运算包含一减法运算；而所述的第二运算包含一抖动运算(dithering operation)。

根据上面所述，抖动的方法中所述的该像素的图像信息根据像素的红色、绿色与蓝色的色阶值而转换；更进一步，上述的步骤可以应用至数字影像的其它像素中，并完成将数字影像的N位元图像信息转换成M位元图像信息。

本发明所提供的数字图像信息的抖动(dithering)装置，应用于执行抖动程序(dithering process)，用于将数字影像的N位元图像信息转换至M位元图像信息，其中其中N-M＝K，而K＞0；该装置至少包含：一减法运算装置，用于将像素的N位元图像信息的最高n元减去其最低n位元后，得到差值；一个比对值产生装置，用于将像素的座标值透过运算后得到一个比对值；一个比较运算装置，电连接于减法运算装置与比对值产生装置，用于比较差值与比对值；当差值的绝对值不大于比对值时，比较运算装置输出第一控制信号；当差值的绝对值大于比对值且差值为一正数时，比较运算装置输出第二控制信号；当差值的绝对值大于比对值且差值为一负数时，比较运算装置输出第三控制信号；以及一计算装置，电连接于比较运算装置，计算装置依据上述第一控制信号将像素的M位元图像信息的最高M位元当成像素的M位元图像信息输出；计算装置依据上述第二控制信号将像素的M位元图像信息的最高M位元加上第一数值后当成像素的M位元图像信息输出；计算装置依据上述第三控制信号将像素的M位元图像信息的最高M位元减去第二数值后当成像素的M位元图像信息输出。

根据上面所述，应用于执行抖动程序的装置中更进一步包含溢位处理装置，电连接于计算装置，用于将像素的M位元图像信息的值与(2^M-1)或0作比较，若上述的M位元图像信息的值大于(2^M-1)，则溢位处理装置执行第一调整运算；若上述的M位元图像信息的值小于0，则溢位处理装置执行第二调整运算；在本发明的最佳实施中：第一调整运算将(2^M-1)替代上述的M位元图像信息的值成为像素的M位元图像信息；而第二调整运算将0替代上述的M位元图像信息的值成为该像素的M位元图像信息。

根据上面所述，应用于执行抖动程序的装置中所述的比对值产生装置中包含一抖动表(dither table)，用于对应像素的座标值产生比对值；上述可以应用习知所述的抖动表来达成。

附图说明

图1显示在习知电脑绘图中，应用抖动程序将一真实色彩模式的数字影像转换成高色阶色彩模式的方块示意图；

图2A图至2C显示三种抖动阵列或是抖动表的范例，分别应用于去除2位元(D2)、去除3位元(D3)以及去除4位元(D4)的转换法；

图3为习知抖动程序中，处理一个像素自8位元转换成5位元的换算法的功能方块图，应用于将红色自真实色彩模式转换成高解析色彩模式；

图4为习知抖动程序中，处理一个像素自8位元转换成6位元的换算法的功能方块图，其中应用于将绿色自真实色彩模式转换成高解析色彩模式；

图5A图以及图5B分别为图3以及图4中所述的抖动程序的逆抖动程序；

图6为本发明处理一个像素自8位元转换成5位元的转换方法与装置的最佳实拖例，其中应用于将红色自真实色彩模式转换成高解析色彩模式；

图7为本发明处理一个像素自8位元转换成6位元的转换方法与装置的最佳实施例，其中应用于将绿色自真实色彩模式转换成高解析色彩模式。

图式符号说明：

11减法运算装置

12比对值产生装置13比较运算装置

14计算装置

15溢位处理装置

31、32、33、34、41、42、43、44、51、52功能方块

具体实施方式

请先参见图6，本图为本发明应用于一个像素将8位元转5位元的较佳实施例的装置，应用于将红色色阶自真实色彩模式转换成高色阶色彩模式。该装置包含减法运算装置11、比对值产生装置12、比较运算装置13、计算装置14以及溢位处理装置15，其中，比对值产生装置12包含一个可以减少3位元的抖动表(D3)。

首先，将一个像素的座标值(也就是x与y)输入比对值产生装置12中，自入图2B中所述的D3的抖动表中查出一个比对值(threshold value)T，同时，将该像素的色阶值的最高3位元(R[7:5])与最低3位元(R[2:0])经过减法运算装置11后，得到一个差值(D[3:0])，该差值与比对值T经过比较运算装置13比对后，输出一个运算值(OP[1:0])；如果上述差值(D[3:0])的绝对值小于或等于比对值T时，运算值(OP[1:0])将设为0，这表示不需要有任何的改变；相反的，若是差值(D[3:0])的绝对值大于比对值T时，运算值(OP[1:0])将会根据差值(D[3:0])的符号而定，当差值(D[3:0])的符号为正(Positive)时，运算值(OP[1:0])即设为1；相反的，当差值(D[3:0])的符号为负(negative)时运算值(OP[1:0])即设为2；当上述运算值(OP[1:0])决定了后，一个暂时值(Tmp[5:0])就可以被计算出来；计算装置14中所计算的方程式如下所示：

该暂时值(Tmp[5:0])再经过溢位处理装置15，来调整成5位元的色阶值，其调整方程式如下所示：

之后，若有需要将高色阶色彩模式转换成真实色彩模式，则可以参考图5A所述的逆抖动的方法来将影像回复。

图7中显示本发明应用于一个像素将8位元转6位元的较佳实施例的抖动方法与图6所述相似，应用于将绿色色阶自真实色彩模式转换成高色阶色彩模式。先将一个像素的座标值(也就是x与y)输入功能方块71中，对应自如图2A中所述的D2的抖动表中决定出一个比对值(threshold value)T，同时，将该像素的色阶值的最高2位元(R[7:6])与最低2位元(R[1:0])经过功能方块72的相减后，得到一个差值(D[2:0])，该差值与比对值T输入功能方块73经过比对后，输出一个运算值(OP[1:0])；如果差值(D[2:0])的绝对值小于或等于比对值T时，运算值(OP[1:0])将设为0，这表示不需要有任何的改变；相反的，若是差值(D[2:0])的绝对值大于比对值T时，运算值(OP[1:0])将会根据差值(D[2:0])的符号而定，当差值(D[2:0])的符号为正(positive)时运算值(OP[1:0])即设为1；相反的，当差值(D[2:0])的符号为负(negative)时运算值(OP[1:0])即设为2；当上述运算值(OP[1:0])决定了后，一个暂时值(Tmp[6:0])就可以透过功能方块74被计算出来，此过程的计算的方程式如下所示：

其抖动的值是透过暂时值(Tmp[6:0])经由功能方块75的溢位处理后而得来的，其方程式如下所示：

根据上述的实施例，可以了解本发明所揭露的抖动方法是依据VK＝VK-1+1、VK＝VK-1-1或VK＝VK-1其中之一的换算准则而来的，而逆抖动方法则是应用习知的方法，本发明的抖动方法是先计算出最高位元与最低位元，然后与一个比对值T比较后决定出其抖动值在计算时是“加1”、“减1”或者是“维持不变”。

在每一个换算准则中可以明显看出P_K＝H_K是依据传统的逆抖动方法而来的，也就是说，在第k次抖动后，其差值将会变成0，换言之，即是P_K-H_K＝0，其值为0表示没有任何改变，I_k+1将还是等于I_K，抖动误差值(dither error)就不会扩大，当然，色彩误差问题就可以避免了。如此将可有效达成本发明的主要目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，此实施例仅用来说明而非用以限定本发明的权利要求范围，本发明的范畴由权利要求书的范围所界定。凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的函盖范围内。

Claims

1.一种数字图像信息的抖动的方法，可将一个数字影像的一组N位元图像信息转换至M位元图像信息，其特征是：其中N-M＝K，而K＞0；该方法包含下列步骤：

将该数字图像信息的一个像素的N位元中执行减法运算，用以获得该N位元图像信息中的最高n位元与最低n位元间的一差值；

执行抖动运算将该像素的座标值转换成一个比对值；

比较该差值与该比对值；

当该差值的绝对值不大于该比对值时，将该像素的该N位元图像信息的最高M位元设定为该像素的M位元图像信息；

当该差值的绝对值大于该比对值且该差值为一正数时，将该像素的该N位元图像信息的最高M位元加上第一数值后当作该像素的M位元图像信息；

当该差值的绝对值大于该比对值且该差值为一负数时，将该像素的该N位元图像信息的最高M位元减去第二数值后当作该像素的M位元图像信息；

将该N位元图像信息的最高M位元与该第一数值之和与一值(2^M-1)作比较，若上述的和大于该值(2^M-1)，则将该值(2^M-1)当作该像素的该M位元图像信息；

将该N位元图像信息的最高M位元与该第二数值之差与0作比较，若上述的差小于0，则将0当作该像素的该M位元图像信息；

若上述该像素的M位元图像信息小于该值(2^M-1)且大于0，则直接将上述该图像M位元图像信息直接当作该像素的M位元图像信息；

其中，M、N、K、n均为自然数。

2.如权利要求1所述的数字图像信息的抖动的方法，其特征是：1≤n≤(N/2)。

3.如权利要求1所述的数字图像信息的抖动的方法，其特征是：其中n＝K。

4.如权利要求1所述的数字图像信息的抖动的方法，其特征是：该第一数值为1；该第二数值亦为1。

5.如权利要求1所述的数字图像信息的抖动的方法，其特征是：所述的该像素的该图像信息可以是该像素的红色、绿色与蓝色的色阶值所组合而成。

6.如权利要求5所述的数字图像信息的抖动的方法，其特征是：所述的步骤可以应用至该数字影像的其它像素中，并完成将该数字影像的N位元图像信息转换成M位元图像信息。

7.一种数字图像信息的抖动的装置，可将一个数字影像的一组N位元图像信息转换至M位元图像信息，其特征是：其中N-M＝K，而K＞0；该装置至少包含：

一个减法运算装置，用于将一个像素的N位元图像信息的最高n位元减去其最低n位元后，得到一个差值；

一个比对值产生装置，用于将该像素的座标值透过运算后得到一个比对值；

一个比较运算装置，电连接于该减法运算装置与该比对值产生装置，用于比较该差值与该比对值；当该差值的绝对值不大于该比对值时，该比较运算装置输出第一控制信号；当该差值的绝对值大于该比对值且该差值为一正数时，该比较运算装置输出第二控制信号；当该差值的绝对值大于该比对值且该差值为一负数时，该比较运算装置输出第三控制信号；以及

一个计算装置，电连接于该比较运算装置，该计算装置依据该第一控制信号会将该像素的M位元图像信息的最高M位元当成该像素的M位元图像信息输出；该计算装置依据该第二控制信号会将该像素的M位元图像信息的最高M位元加上第一数值后当成该像素的M位元图像信息输出；该计算装置依据该第三控制信号会将该像素的M位元图像信息的最高M位元减去第二数值后当成该像素的M位元图像信息输出；

一个溢位处理装置，电连接于该计算装置，用于将该像素的M位元图像信息的值与一值(2^M-1)或0作比较，若上述的M位元图像信息的值大于该值(2^M-1)，则该溢位处理装置执行减法运算；若上述的M位元图像信息的值小于0，则该溢位处理装置执行抖动运算；若上述该像素的M位元图像信息小于该值(2^M-1)且大于0，则直接将上述该图像M位元图像信息直接当作该像素的M位元图像信息；

其中，M、N、K、n均为自然数。

8.如权利要求7所述数字图像信息的抖动的装置，其特征是：所述的减法运算将(2^M-1)替代上述的M位元图像信息的值成为该像素的M位元图像信息。

9.如权利要求7所述的数字图像信息的抖动的装置，其特征是：所述的抖动运算将0替代上述的M位元图像信息的值成为该像素的M位元图像信息。

10.如权利要求7所述的数字图像信息的抖动的装置，其特征是：所述的比对值产生装置中包含一个抖动表，用于对应该像素的座标值产生该比对值。

11.如权利要求7所述的数字图像信息的抖动的装置，其特征是：其中1≤n≤(N/2)。

12.如权利要求7所述的数字图像信息的抖动的装置，其特征是：其中n＝K。

13.如权利要求7所述的数字图像信息的抖动的装置，其特征是：其中所述的该第一数值为1，所述的该第二数值亦为1。

14.如权利要求7所述的数字图像信息的抖动的装置，其特征是：所述的该像素的该图像信息可以是该像素的红色、绿色与蓝色的色阶值所组合而成。