CN1247350A - 灰度图像二值化处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种灰度图像二值化处理系统及方法,其包括一存储器用来储存灰度及二值图像,一边界检测器用来检测灰度图像以找出边界点,一邻近点检测器用以依一预定邻近点判断方法来选出灰度图像中与各个边界点相邻近的灰度像素作为邻近点,及一像素转换器用来将该灰度图像的各个边界点及邻近点以二色阶转换方式转换成对应的二值像素,并将该灰度影像中的其他灰度像素按一种半色调画质转换方式转换成对应的二值,以产生该二值图像。

Description

灰度图像二值化处理 系统及方法

本发明涉及一种可将灰度图像转换成二值图像的图像处理系统及方法，尤指一种可利用两种不同的灰度/二值图像转换方式来转换灰度图像的图像处理系统及方法。

目前有许多图像处理装置需要将扫描所得的灰度图像(gray-level image)转换成二值图像(binary image)。常用的灰度/二值图像转换方法大致可分为两类，一类为二色阶(line-art/bi-level)转换方法，另一类为半色调(half-tone)转换方法。二色阶转换方法的基本原理为在0～255的灰度值中设定一个灰度阈值(threshold)，以此阈值来区分黑白，凡大于此一阈值的灰度点以“1”表示，而小于此一阈值的灰度点则以“0”表示，因此所产生的画质黑白分明、对比强烈，极适用于文字稿的表现，但对于具有连续灰度变化的图稿则不适用。

半色调转换方法包括有高频颤动法(dither method)、误差扩散法(errordiffusion method)和相邻像素相关密度分配法(correlative density assignmentof adjacent pixels-CAPIX)等多种。其中广为使用的高频颤动法的基本原理为：预先设定一高频颤动临界矩阵，然后将原稿划分为连续的像素点矩阵，并一一与该高频颤动临界矩阵比较以进行二值化处理，若像素点矩阵中有任一点的灰度值超过相对应的高频颤动矩阵点的阈值，则输出“1”，否则为“0”。高频颤动临界矩阵的建立，是以递进值状态并高频振荡的灰度值，模拟显示浓淡图像的灰度阈值变化位置，以使图像再生时不会有黑白块集体出现的机会。由于半色调转换方法在将原稿二值化时能表现能出色调连续变化的层次感，因此适用于图稿但较不适用于黑白分明的文字稿，因为它会使文字的边缘变得较为模糊。

无论是文字或是图稿，都各自有其适用的图像处理方法，而能产生出最佳的画质。由于文字稿和图稿所要求的处理特性不同，甚至彼此冲突，因此当一份原稿中同时包括有文字和图案时，使用者往往必须依据原稿中文字和图案所占的比例来抉择图像处理方法，而牺牲掉所占比例较少的部分画质。

本发明的目的在于提供一种可以同时使用两种转换方法的图像处理系统及方法，它能将同时具有文字和图案的灰度图像适当地转换成二值图像，以解决上述问题。

根据本发明的一个特征，所提供的一种图像处理方法，用来将一图像处理系统内的一灰度图像(gray-level image)转换成一二值图像(binary-image)，该灰度图像包括有多个依矩阵格式排列的灰度像素(gray-level pixel)，而该二值图像则包括有多个具有相同数目及矩阵排列方式的二值像素(binary-pixel)，该图像处理系统包括有一存储器用来储存程序和该灰度及二值图像，以及一处理器用来执行该存储器内存的程序，该图像处理方法包括有下列步骤：

(1)依据一预定的边界检测方法检测该灰度图像以找出具有边界特点的灰度像素做为边界点，以及依据一预定的邻近点判断方法选出与各个边界点相邻的灰度像素做为邻近点；以及

(2)将该灰度图像的各个边界点及邻近点依据一第一灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素，以及将该灰度图像中的所有其他灰度像素依据一第二灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素以产生该二值图像。

本发明还提供一种图像处理系统，用来将一灰度图像(gray-level-image)转换成一二值图像(binary image)，该灰度图像包括有多个依矩阵格式排列的灰度像素(gray-level pixel)，而该二值图像包括有多个具有相同数目及矩阵排列方式的二值像素(binary pixel)，该图像处理系统包括有：

一存储器，用来储存该灰度及二值图像；

一边界检测器，用来检测该灰度图像以找出具有边界特点的灰度像素为边界点；

一邻近点检测器，用来依据一预定的邻近点判断方法来选出该灰度图像中与各个边界点相邻近的灰度像素做为邻近点；以及

一像素转换器，用来将该灰度图像的各个边界点及邻近点依据一第一灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素，以及将该灰度图像中的所有其他灰度像素依据一第二灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素以产生该二值图像。

本发明还提供一种图像处理方法，用来将一图像处理系统内的一灰度图像(gray-level image)转换成一二值图像(binary-image)，该灰度图像包括有多个依矩阵格式排列的灰度像素(gray-level pixel)，而该二值图像则包括有多个具有相同数目及矩阵排列方式的二值像素(binary pixel)，该图像处理系统包括有一存储器用来储存程序以及该灰度及二值图像，以及一处理器用来执行该存储器内所存的程序，该图像处理方法包括有下列步骤：

(1)依据一预定的边界检测方法及一预定的邻近点判断方法检测该灰度图像的每一灰度像素，若该灰度像素具有边界特点则设定为边界点，若该灰度像素不具有边界特点则依据该邻近点判断方法，选出与各个边界点相邻的灰度像素设为邻近点；以及

(2)将该灰度图像的各个边界点及邻近点依据一第一灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素，以及将该灰度图像中的所有其他灰度像素依据一第二灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素以产生该二值图像。

下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明图像处理系统的功能方块图；

图2A至图2M为一灰度图像的像素矩阵示意图；

图3为一转换矩阵的示意；

图4为图3所示的转换矩阵的另一实施例；

图5为利用图4所示的转换矩阵的产生的二值画质处理后的图像示意图；

图6及图7本发明图像处理方法的流程图。

参阅图1，其为本发明图像处理系统10的功能方块图。图像处理系统10是用来将一个灰度图像转换成一个二值图像，其中，该灰度图像包括有多个依矩阵格式排列的灰度像素，而该二值图像包括有多个具有相同数目及矩阵排列方式的二值像素。图像转换系统10包括有一存储器12用来储存该灰度及二值图像，一边界检测器14用来检测该灰度图像，以找出具有边界特点的灰度像素做为边界点，一邻近点检测器16用来依据一预定的邻近点判断方法，来选出该灰度图像中与各个边界点相邻近的灰度像素作为邻近点，以及一像素转换器18用来将该灰度图像的各个边界点及邻近点依据一种二色阶画质转换方式来转换成相对应的二值像素，并且用来将该灰度图像中的其他所有灰度像素，依据一种半色调画质转换方式，来转换成相对应的二值像素，以产生该二值图像。

边界检测器14、邻近点检测器16及像素转换器18所执行的功能，实际上可分别以其相对应的硬件装置完成，或组装于一处理器(图中未显示)中以软体方式来实现。若以软件方式处理，只要将执行此功能的程序储存于存储器12中，再由处理器执行即可。而以边界检测器14来判定一灰度像素是否为具有边界性质的边界点的方法有许多现有技术可供选用，在此不多赘述其详细步骤。关于用邻近点检测器16来判断一个灰度像素是否为一个邻近点的方法则以图2为例来说明。

请参阅图2A至图2M，其都为一灰度图像的像素矩阵20的示意图，用来说明判断邻近点的各个阶段。举例而言，在图2A中包括一个中央颜色深而周围颜色浅的灰度图像，而该灰度图像由一个包括有10×10个灰度像素的像素矩阵20所构成的。当邻近点检测器16在判断一个灰度像素是否为一个邻近点时，会先依序赋予每一个灰度像素一个相对应的边界趋近参数(edge-closeness parameter)，当某一像素被判断为一边界点时，其边界趋近参数会被设定为一预定的最大值(本实施例中为“2”)，而离边界点越远的灰度像素其边界趋近参数则依次逐减，直到“0”为止。若一个灰度像素的边界趋近参数介于最大设定值与0之间，则表示此灰度像素为一邻近点。

在设定边界趋近参数时，邻近点检测器16会先设定一个固定大小的转换矩阵，然后以由左而右、由上而下的顺序来依序处理每一个灰度像素。在图2B至图2K中以粗黑线圈画的3×2矩阵，即为一转换矩阵22，表示目前正在处理中的灰度像素。请参阅图3，其为转换矩阵22的示意图。转换矩阵22包括有一个以双线圈画的目标素24表示的是目前正要被设定边界趋近参数的灰度像素，以及四个以斜线标注的参考像素26用来供作目标像素24设定的参考。若在转换矩阵22中的目标像素24被边界点检测器14判断为一边界点，则邻近点检测器16会将其边界趋近参数设定为2；若在转换矩阵22中的目标像素24并非一边界点，而且各参考像素26的边界趋近参数均未被设定，或是被设定为0，则边界点检测器16会将目标像素24的边界趋近参数设定为0；若在转换矩阵22中的目标像素24并非一边界点，而参考像素26中有已被设定值不为0者，则目标像素24会被设定为参考像素26中的最大设定值减一。

当转换矩阵22位于灰度矩阵20的前两列、在处理前两列的灰度像素时，由于边界点检测器14并未检测到边界点的存在，而且各个参考像素26的边界趋近参数不是未被设定，便是被设定为0，因此这20个灰度像素皆被设定为0。在图2B至图2E的转换矩阵22中，由于目标像素24皆为一边界点，因此其边界趋近参数皆被设定为2。在图2F的转换矩阵22中，由于其目标像素24并非一边界点，而且其四个参考像素26中有三个的边界趋近参数为0，一个为2，因此目标像至少24的边界趋近参数被设定为最大值2减一，即是1。在图2G的转换矩阵22中，目标参数24并非一边界点，而且四个参考像素的边界趋近参数皆为2，因此目标参数24的边界趋近参数也为1。在图2H和图2I中的转移矩阵22中，由于目标参数24皆为边界点，因此其边界趋近参数皆为2。在图2J的转换矩阵22中，目标参数22并非一边界点，而四个参考像素24皆为1，因此目标像素24为0。在图2K的转换矩阵22中，目标像素24并非一边界点，而四个参考像素24的边界趋近参数的最大值为2，因此目标像素24为1。图2L中所显示的是邻近点检测器16依序设定完灰度矩阵20后，各个灰度像素的边界趋近参数，其中边界趋近参数为2的灰度像素为边界点，而介于0与2之间的则是邻近点。

在完成边界趋近参数的设定后，邻近点检测器16会将边界点和邻近点输出给像素转换矩阵器18以进行二色阶画质转换，并将其他既非边界点也非邻近点的灰度像素输出给像素转换器18，以进行半色调画质转换。欲进行二色阶画质转换便必须先设定一个灰度阈值，以决定一灰度像素应该被转换为白色或黑色。在决定此一灰度阈值时，应尽可能地将之定在边界内和外的灰度像素的灰度值之间，以使两边的灰度像素被转换为不同的颜色，而可产生边界加强的效果。在图2M中，标出英文字母H的方格表示的是，接受半色调画质转换的灰度像素，标出英文字母L/W的方格表示的是接受二色阶画质转换、且被转换为白色的灰度像素，而标示L/B的方格则表示的是接受二色阶画质转换、且被转换为黑色的灰度像素。所有的灰度像素在经过像素转换器18的处理后，便会被转换为二值像素。图2N所表示的即是经过二值画质转换处理后的图像，由其中可以看出来在边界的部分，原本颜色较深的一边在处理后更深(黑色)，而原本颜色较浅的一边在处理后则更浅(白色)，因此显得格外黑白分明。而在非边界的部分，例如长方形圆形的中央或外围部分，由于是接受半色调画质处理，因此仍能表现出原灰度图形中颜色缓慢变化的效果。

在上述实施例中的转换矩阵22被设定为3×2的尺寸，并以转换矩阵22的第二列中间的灰度像素为目标像素24。实际上，转换矩阵22的规格和目标像素24的位置为可变参数，可由使用者视为存储器12的容量和图像处理系统10的处理速度自行设定。此外，转换矩阵22中的参考像素24的数目及位置也为可变的。请参考图4和图5，图4为图3中所示的转换矩阵22的另一实施例转换矩阵40，图5则为利用图4所示的转换矩阵28所产生的二值画质处理后的影像。转换矩阵28与转换矩阵22的不同处在于，前者的参考像素26只有三个，而后者设定了四个参考像素26。因此，由图5可以看出，以较少的参考像素来转换灰度矩阵20时，被邻近点检测器16判定为邻近点的灰度像素的数目较少，即有较少的灰度像素接受二色阶画质处理，而有较多的灰度像素接受半色调画质处理，因此所产生的二值图像的边界效果，相对地不太明显。在实际应用时，使用者可依据个人对边界效果加强程度的要求来决定其所需的参考像素的数目与位置。

请参考图6及图7，其为本发明图像处理方法30的流程图，本发明图像处理方法30包括有下列步骤：

步骤32：开始；

步骤33：设定边界趋近参数的最大值；

步骤34：设定转换矩阵22的行数与列数，并设定目标像素24与参考

        像素26在转换矩阵22的相对位置；

步骤35：选定一灰度像素为目标像素24以进行边界趋近参数的设定；

步骤36：判定目标像素24是否为一边界点；若是，则进行步骤37；

        若否，则进行步骤38；

步骤37：设定目标像素24的边界趋近参数为最大值，跳至步骤41；

步骤38：判定参考像素26的边界趋近参数是否均未被设定或设定值为

        0，若在转换矩阵22中的参考像素26的边界趋近参数均未被

        设定或是设定值皆为0，则进行步骤39；若在转换矩阵22

        中参考像素26的边界趋近参数已有被设定且设定不为0的，

        则进行步骤40；

步骤39：设定目标像素24的边界趋近参数为0；跳至步骤41；

步骤40：设定目标像素24的边界趋近参数为参考像素26中边界趋近

        参数最大值减1；

步骤41：判定是否有尚未被设定的灰度像素；若有，回到步骤35；若

        无，则进行下一步骤；

步骤42：将各灰度像素的边界趋近参数输出给像素转换检测器18以转

        换为二值像素；

步骤43：判定灰度像素的边界趋近参数是否为0；若是，则进行步骤

        44；若否，则进行步骤45；

步骤44：对边界趋近参数为0的灰度像素进行半色调画质转换；跳至

        步骤46；

步骤45：对边界趋近参数不为0的灰度像素进行二色阶画质转换；

步骤46：判定是否仍有尚未被转换为二值像素的灰度像素；若有，回

        到步骤42；

步骤47：结束。

在上述步骤33中，边界点的边界趋近参数设定值大小会影响邻近点的多少。当设定值越大，则被定义为邻近点的灰度像素数目就越多，即接受二色调转换方法的灰度图像范围就越大，因此边界效果就越被加强。使用者在决定此一设定值时，可就其原图像的内容来考虑欲对边界部分的强调程度，以决定该边界点设定值的大小。在此指出，本发明图像处理方法30用来判断一目标像素24是否为边界点之后，随即设定其边界趋近参数值，但也可先将整张图像中具有边界特征的边界点找出后，再针对每一目标像素24设定其边界趋近参数值。

与现有的图像处理装置相比，本发明的图像处理装置10通过邻近点检测器16的运作，对每一个灰度图像中的灰度像素制定一个边界趋近参数，以区分出两类的灰度像素，并针对此两类灰度像素分别施以不同的图像转换方式，以使该灰度图像在转换为二值图像时可产生出最佳的画质，而得以解决现有技术运用单一图像转换方式来处理图文并存的原稿时所产生的图像失真或文字模糊的问题。此外，本发明所提供的将灰度图像转换为二值图像的图像处理方法30可穿过边界点设定值大小，来对不同的原稿所产生不同的边界加强效果，更增添了使用上的弹性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的各种变化与修饰，都应属于本发明专利的涵盖范围。

Claims (15)

1.一种图像处理方法，用来将一图像处理系统内的一灰度图像(gray-level image)转换成一二值图像(binary-image)，该灰度图像包括有多个依矩阵格式排列的灰度像素(gray-level pixel)，而该二值图像则包括有多个具有相同数目及矩阵排列方式的二值像素(binary-pixel)，该图像处理系统包括有一存储器用来储存程序和该灰度及二值图像，以及一处理器用来执行该存储器内存的程序，其特征在于，该图像处理方法包括有下列步骤：

(1)依据一预定的边界检测方法检测该灰度图像以找出具有边界特点的灰度像素做为边界点，以及依据一预定的邻近点判断方法选出与各个边界点相邻的灰度像素做为邻近点；以及

(2)将该灰度图像的各个边界点及邻近点依据一第一灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素，以及将该灰度图像中的所有其他灰度像素依据一第二灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素以产生该二值图像。

2.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，该第一灰度像素转换方法为二色阶画质转换(line-art)方式。

3.如权利要求2所述的图像处理方法，其特征在于，该二色阶画质转换方式将一灰度像素与一预定的参考值相比较，并依据比较结果来决定将其转换成相对应的二值像素0或1。

4.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，该第二灰度像素转换方式为半色调画质转换(half-tone)方式。

5.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，该邻近点判断方法包括有下列步骤：

(1)将该灰度图像的各个边界点设定一预定的正整数；

(2)确定一灰度像素的所有相邻像素的位置；

(3)对该灰度图像所有未设定的灰度像素，依据一预定顺序，逐一设定其设定值：若一未设定的灰度像素的相邻像素，均未设定或是已设定的相邻像素，其设定值均为0，则将该未设定的灰度像素设定为0；若该灰度像素已设定的相邻像素有设定值不为0者，则将其设定为已设定相邻像素中的最大设定值减1；以及

(4)选出设定值不为该预定正整数以及不为0的灰度像素做为前述的邻近点。

6.一种图像处理系统，用来将一灰度图像(gray-level-image)转换成一二值图像(binaryimage)，该灰度图像包括有多个依矩阵格式排列的灰度像素(gray-level pixel)，而该二值图像包括有多个具有相同数目及矩阵排列方式的二值像素(binary pixel)，其特征在于，该图像处理系统包括有：

一存储器，用来储存该灰度及二值图像；

一边界检测器，用来检测该灰度图像以找出具有边界特点的灰度像素为边界点；

一邻近点检测器，用来依据一预定的邻近点判断方法来选出该灰度图像中与各个边界点相邻近的灰度像素做为邻近点；以及

一像素转换器，用来将该灰度图像的各个边界点及邻近点依据一第一灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素，以及将该灰度图像中的所有其他灰度像素依据一第二灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素以产生该二值图像。

7.如权利要求6所述的图像处理系统，其特征在于，该第一灰度像素转换方式系为二色阶画质转换方式。

8.如权利要求7所述的图像处理系统，其特征在于，该二色阶画质转换方式是将一灰度像素与一预定的参考值相比较，并依据比较结果来决定将其转换成相对应的二值像素0或1。

9.如权利要求6所述的图像处理系统，其特征在于，该第二灰度像素转换方式为半色调画质转换方式。

10.如权利要求6所述的图像处理系统，其特征在于，该邻近点判断方法包括有下列步骤：

(1)将该灰度图像的各个边界点设定一预定的正整数；

(2)确定一灰度像素的所有相邻你素的位置；

(3)对该灰度图像的所有未设定的灰度像素依据一预定顺序逐一设定其设定值：若一未设定的灰度像素的相邻像素均未设定或是已设定的相邻像素其设定值均为0，则将该未设定的灰度像素设定为0；若该灰度像素已设定的相邻像素有设定值不为0者，则将其设定为已设定相邻像素中的最大设定值减1；以及

(4)选出设定值不为该预定正整数及不为0的灰度像素做为前述的邻近点。

11.一种图像处理方法，用来将一图像处理系统内的一灰度图像(gray-level image)转换成一二值图像(binary-image)，该灰度图像包括有多个依矩阵格式排列的灰度像素(gray-level pixel)，而该二值图像则包括有多个具有相同数目及矩阵排列方式的二值像素(binary pixel)，该图像处理系统包括有一存储器用来储存程序以及该灰度及二值图像，以及一处理器用来执行该存储器内所存的程序，其特征在于，该图像处理方法包括有下列步骤：

(1)依据一预定的边界检测方法及一预定的邻近点判断方法检测该灰度图像的每一灰度像素，若该灰度像素具有边界特点则设定为边界点，若该灰度像素不具有边界特点则依据该邻近点判断方法，选出与各个边界点相邻的灰度像素设为邻近点；以及

(2)将该灰度图像的各个边界点及邻近点依据一第一灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素，以及将该灰度图像中的所有其他灰度像素依据一第二灰度像素转换方式转换成相对应的二值像素以产生该二值图像。

12.如权利要求11所述的图像处理方法，其特征在于，该第一灰度像素转换方式系为二色阶画质转换(line-art)方式。

13.如权利要求12所述的图像处理方法，其特征在于，该二色阶画质转换方式是将一阶像素与一预定的参考值相比较，并依据比较结果来决定将其转换成相对应的二值像素0或1。

14.如权利要求11所述的图像处理方法，其特征在于，该第二灰度像素转换方式为半色调画质转换(half-tone)方式。

15.如权利要求11所述的图像处理方法，其特征在于，该步骤(1)另包括有下列步骤：

(a)检测该灰度像素，若该灰度像素具有边界特点则将该灰度像素设定一预定的正整数，若该灰度像素不具有边界特点则进行步骤(b)；

(b)若该灰度像素的一预定相邻像素组均未设定或均设定为0，则将该灰度像素设定为0，若该灰度像素的该预定相邻像素组中有设定值不为0者，则将该预定相邻像素组中的最大设定值减1设定于该灰度像素；以及

(c)选出设定值不为该预定正整数以及不为0的灰度像素做为前述的邻近点。

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