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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen
Bildreproduktion und betrifft ein Verfahren zur Grauwertkorrektur
für binäre Bilddaten.
In der elektronischen Reproduktionstechnik werden solche Verfahren
insbesondere bei der Linearisierung von Bildaufzeichnungsgeräten eingesetzt,
mit denen gerasterte Flächen,
wie beispielsweise Bilder oder Farbauszüge einer Druckvorlage Pixel
für Pixel
zeilenweise durch mindestens einen Belichtungsstrahl auf einem Aufzeichnungsmaterial,
z.B. auf Film oder auf einer Druckplatte, aufgezeichnet werden.
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Die
punkt- und zeilenweise, gerasterte Belichtung eines Aufzeichnungsmaterials
erfolgt üblicherweise mittels
eines elektronischen Aufzeichnungsgerätes, auch Belichter oder Recorder
genannt. Dazu werden Bildsignalwerte, welche die aufzuzeichnenden
Tonwerte repräsentieren
und die z.B. mit 8 Bit je Bildpunkt digitalisiert sind, einem Rastergenerator
zugeführt,
in dem die Tonwerte nach einer Rasterfunktion in hochaufgelöste binäre Bilddaten
umgewandelt werden, mit denen ein oder mehrere Belichtungsstrahlen
in der Belichtungseinheit des Belichters angesteuert werden. Während einer
Relativbewegung zwischen den Belichtungsstrahlen und dem zu belichtenden
Material erfolgt die Belichtung, indem die binären Bilddaten die Belichtungsstrahlen ein-
und ausschalten und damit bestimmen, welche Pixel als Teile von
aufgezeichneten Rasterpunkten auf dem Material belichtet werden
oder nicht belichtet werden. Die Rasterfunktion legt dabei die Größe der Rasterpunkte
in Abhängigkeit
von den aufzuzeichnenden Tonwerten fest.
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Bei
der Belichtung des Aufzeichnungsmaterials weichen die auf dem Material
erzeugten realen Tonwerte bzw. Rasterpunktgrößen von den gewünschten,
nominellen Tonwerten ab, da jedes Pixel und damit jeder Rasterpunkt
durch Überstrahlung
und weitere Effekte mehr oder weniger vergrößert aufgezeichnet wird. Die
Abweichung zwischen den real erzeugten Tonwerten und den gewünschten
Tonwerten wird als Punktzuwachs bezeichnet, welcher zu störenden Tonwertän derungen
in der Reproduktion führt.
Der Punktzuwachs wird daher vor oder während der Belichtung kompensiert,
indem die Bildsignalwerte, welche die gewünschten Tonwerte repräsentieren,
nach einer für
den Belichter und für
das Aufzeichnungsmaterial zuvor ermittelten Korrekturkurve durch
eine sogenannte Belichtungslinearisierung derart korrigiert werden,
dass die auf dem Material real aufgezeichneten Tonwerte den gewünschten
Tonwerten entsprechen.
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Die
Belichtungslinearisierung kann in dem Belichtungsgerät selbst
oder in einem vorgeschalteten RIP (Raster Image Processor) erfolgen,
in dem die Bilddaten für
die Aufzeichnung vorbereitet werden. Wenn die aufzuzeichnenden Bilddaten
in Form von mit n Bit quantisierten Tonwerten vorliegen, kann die
Linearisierung mittels einer Zuordnungstabelle (Look-up Table) realisiert
werden, in der zu jedem möglichen
Tonwert der korrigierte Tonwert entsprechend der Korrekturkurve
gespeichert ist. Zur Ermittlung der Korrekturkurve wird eine Kalibrierung
des Aufzeichnungsgeräts
durchgeführt,
indem ein Graustufenkeil belichtet und nach der Belichtung ausgemessen
wird. Aus den Abweichungen zwischen den gewünschten Grauwerten und den
real belichteten Grauwerten werden die Korrekturwerte bestimmt.
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Mit
einer einfachen Zuordnungstabelle ist es aber nicht möglich, eine
Belichtungslinearisierung des Aufzeichnungsgerätes vorzunehmen, wenn die Bilddaten
in Form von binären
Bilddaten vorliegen, d.h. mit 1 Bit je Bildpunkt quantisiert sind.
Binäre
Bilddaten entstehen in der Reproduktionstechnik beispielsweise durch das
Scannen von Strichzeichnungen, Texten, Graphiken oder von gerasterten
Farbauszügen.
Es kann in digitalen Reproduktionssystemen auch notwendig werden,
bereits von einem RIP gerasterte Bilddaten, die dann in Form einer
sogenannten Bitmap als binäre
Bilddaten vorliegen, auf einem anderen Belichter aufzuzeichnen als
ursprünglich
vorgesehen, z.B. auf einem Filmbelichter statt auf einem Druckplattenbelichter.
Dann muss eine Belichtungslinearisierung auf die binären Bilddaten
angewendet werden, d.h. die Größe der in
den binären
Bilddaten bereits vorhandenen Rasterpunkte muss verändert werden.
Ein Verfahren zur Grauwertkorrektur kann aber auch ganz allgemein
für beliebige
aus anderen Gründen
erforderliche Gradationskorrekturen der binären Bilddaten verwendet werden.
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Es
gibt grundsätzlich
die Möglichkeit,
die binären
Bilddaten durch ein Entrasterungsverfahren zunächst in mehrstufige Tonwerte
umzuwandeln, darauf in herkömmlicher
Weise eine Belichtungslinearisierung mittels einer Zuordnungstabelle
anzuwenden, und danach die korrigierten Tonwerte erneut zu rastern.
Ein Entrasterungsverfahren, das mit mehreren auswählbaren
Tiefpassfiltern arbeitet, ist in der
US 5,333,064 A1 beschrieben. Die Entrasterung
hat den Nachteil, dass ein Tiefpassfilter auf die binären Bilddaten
angewendet werden muss, das eine Mittelwertbildung mindestens über die
Fläche
einer Rasterpunktzelle, vorzugsweise aber über mehrere Rasterzellen durchführt, um
einen mittleren Grauwert zu berechnen, der der Größe der Rasterpunkte
entspricht. Durch eine so starke Tiefpassfilterung wird aber die
Schärfe
des Bildes stark beeinträchtigt,
und feine Strukturen, beispielsweise dünne Linien, gehen verloren,
wenn sie schmaler sind als die Breite einer Rasterzelle.
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Die
US 4,912,569 offenbart ein
Verfahren zur Erzeugung eines 1 Bit binären Bildes ausgehend von einem
Mehrbit-Graubild mittels einer Schwellwertoperation nach dem "ordered dither" Prinzip. Nach diesem Prinzip
werden keine zusammenhängenden
Rasterpunkte erzeugt, sondern weitgehend isolierte pseudostatistisch
gestreute Ausgabebildpunkte. Die Graubilddaten werden zuvor einer
Hochpassfilterung unterworfen, um Bildkanten anzuschärfen.
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Die
US 4,918,622 offenbart ein
Verfahren zur Rasterung eines Graubildes in ein mit Rasterpunkten dargestelltes
binäres
Ausgabebild. Dazu wird für
jedes Ausgabepixel entlang eines gewinkelten Pfades eine Adresse
für einen
Rasterpunktspeicher (font memory) erzeugt, in dem für jeden
möglichen
Grauwert ein separates Bitmuster des entsprechenden Rasterpunkts
abgelegt ist. Mit dem aktuellen Grauwert des Bildes wird das zugehörige Bitmuster
ausgewählt,
und die Adresse bestimmt, welches Bit aus dem Bitmuster als Ausgabepixel
entnommen wird
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In
der
EP 0 734 151 A1 wird
ein Verfahren zur Erzeugung einer frequenzmodulierten Rasterung
beschrieben, bei dem die kleinsten Rasterpunkte in ihrer Größe und Form
etwas variiert werden. Dadurch werden die Verluste des Druckumfangs
in den sehr hellen bzw. sehr dunklen Tönen minimiert, die durch Überstrahlungen
bei der Filmbelichtung und durch Punktzunahme beim Druck verursacht
werden, und eine ausreichende Feinstufigkeit der Grauwerte bleibt
in diesen Tonwertbereichen erhalten. Das Verfahren eignet sich jedoch nicht
zur Belichtungslinearisierung eines Aufzeichnungsgeräts, das
mit binären
Bilddaten angesteuert wird.
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In
der
DE 198 26 986
C2 wird ein Linearisierungsverfahren beschrieben, bei dem
die binären
Bilddaten bereichsweise zunächst
in ihrer Auflösung
stark erhöht
werden, beispielsweise um den Faktor 8. Dann werden die Rasterpunkte
etwas verkleinert bzw. vergrößert, indem
auf die hochaufgelösten
Daten eine Erosionsoperation bzw. eine Dilatationsoperation angewendet
wird. Anschließend
werden die Bilddaten wieder auf ihre ursprüngliche Auflösung zurückgerechnet.
Dieses Verfahren ist sehr rechenaufwendig und daher langsam.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Grauwertkorrektur
von binären
Bilddaten anzugeben, das für
die Belichtungslinearisierung von Aufzeichnungsgeräten und
allgemein für
die Gradationskorrektur von binären
Bilddaten geeignet ist und das die Nachteile der bekannten Verfahren
vermeidet. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren nicht die Schärfe und
Detailwiedergabe des Bildes beeinträchtigen. Weiterhin soll es
mit hoher Rechengeschwindigkeit durchgeführt werden können.
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Die
Erfindung erreicht dies durch eine leichte Tiefpassfilterung der
binären
Bilddaten, mit der die Flankensteilheit der Rasterpunkte reduziert
wird. Mit einer in Abhängigkeit
von der Größe der Rasterpunkte
und von der gewünschten
Veränderung
des Grauwerts geeignet gewählten
Schwelle werden die gefilterten Rasterpunkte erneut in binäre Bilddaten
umgewandelt, wobei die Größe der Rasterpunkte
in dem gewünschten Maß verändert wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben. Die Erfindung wird im folgenden anhand der 1 bis 5 näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
dreidimensionale Darstellung eines Rasterpunkts, 2 einen
gefilterten Rasterpunkt,
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3 einen
korrigierten Rasterpunkt,
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4 empirische
und approximierte Schwellwertfunktionen T1 und T2, und
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5 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
quantisiert die binären
Bilddaten zunächst
mit n Bit, indem es den beiden Binärwerten einen minimalen und
einen maximalen Tonwert aus dem kontinuierlichen Tonwertebereich zwischen
weiß und
schwarz zuweist. Wenn das Verfahren beispielsweise mit einer Genauigkeit
von n = 16 Bit je Bildpunkt arbeitet, sind die zugewiesenen Tonwerte
der digitale Tonwert 0 für
weiß und
der digitale Tonwert 65535 für
schwarz. Zwischen 0 und 65535 liegende Tonwerte kommen in den binären Bilddaten
nicht vor.
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1 veranschaulicht
die so quantisierten Bilddaten mit einer dreidimensionalen Darstellung
eines Rasterpunkts 1, der in einer Rasterzelle 2 von
16 ×16
Bildpunkten 3 liegt. Die Tonwerte sind als Funktionswerte in
Abhängigkeit
von den Ortskoordinaten x und y der Bildpunkte 3 aufgetragen.
Die Bildpunkte 3 der Rasterzelle 2, die innerhalb
des Rasterpunkts 1 liegen und die später im Druck mit Druckfarbe
belegt werden sollen, erhalten den digitalen Tonwert 65535. Die
Bildpunkte 3, die außerhalb
des Rasterpunkts 1 liegen, erhalten den digitalen Tonwert
0. In der dreidimensionalen Darstellung bildet der Rasterpunkt 1 ein
Plateau, das mit senkrechten Flanken aus der Ebene der Rasterzelle 2 herausragt.
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Die
quantisierten Bilddaten werden dann einer leichten Tiefpassfilterung
unterworfen. Im Gegensatz zu einer Tiefpassfilterung, die bei den
bekannten Entrasterungsverfahren eingesetzt wird und die ein Filterfenster
verwendet, das mindestens die Fläche
einer Rasterzelle 2 abdeckt, verwendet die vorliegende
Erfindung ein kleineres Filterfenster, das nur einen Teil einer
Rasterzelle 2 umfasst. Die Filterkoeffizienten eines solchen Tiefpassfilters
mit einem Filterfenster, das 5 × 5
Bildpunkte umfasst, können
beispielsweise als diskrete Approximation einer zweidimensionalen
Gaußverteilung
als Filterfunktion abgeleitet werden.
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In
diesem Filter sind die Filterkoeffizienten symmetrisch verteilt
bezüglich
des Mittelpunkts des Filterfensters. Wie nachfolgend noch erläutert wird,
ist das für
die weiteren Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ungünstig. Des halb
wird vorzugsweise ein Filter mit einer unsymmetrischen Verteilung
der Filterkoeffizienten verwendet. Ein geeignetes Filter kann aus
dem Filter (
1) abgeleitet werden, indem die dem Filter zugrunde
liegende Filterfunktion um Bruchteile eines Bildpunktes in x-Richtung
und y-Richtung verschoben wird, beispielsweise um dx = 0,25 Bildpunkte
und dy = – 0,125
Bildpunkte. Dann erhält
man ein Filter mit den folgenden Filterkoeffizienten:
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2 zeigt
den mit dem Filter (2) gefilterten Rasterpunkt 4,
dessen Flanken infolge der Tiefpassfilterung eine endliche Steigung
haben, so dass die Bildpunkte auf den Flanken des gefilterten Rasterpunkts 4 digitale
Tonwerte erhalten, die zwischen den Extremwerten 0 und 65535 liegen.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Schwellwert
T festgelegt, der zwischen den Extremwerten liegt, und es wird ein
korrigierter Rasterpunkt aus den Tonwerten der gefilterten Bilddaten
gebildet, die gleich oder größer als
der Schwellwert T sind. Das heißt,
man ordnet den Bildpunkten des gefilterten Rasterpunkts 4,
die gleich oder größer als
der Schwellwert T sind, den digitalen Tonwert 65535 zu, und den übrigen Tonwerten
ordnet man den digitalen Tonwert 0 zu. Man erkennt anschaulich aus
der 2, dass der korrigierte Rasterpunkt kleiner wird
als der ursprüngliche
Rasterpunkt 1, wenn ein hoher Schwellwert T festgelegt
wird, und dass der korrigierte Rasterpunkt größer wird als der ursprüngliche
Rasterpunkt 1, wenn ein niedriger Schwellwert T festgelegt
wird.
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3 zeigt
das Ergebnis einer solchen Schwellwertoperation für ein Beispiel,
bei dem zur Verdeutlichung des Effekts ein relativ hoher Schwellwert
T zugrunde gelegt wurde. Der korrigierte Rasterpunkt 5 ist
deshalb deutlich kleiner geworden als der ursprüngliche Rasterpunkt 1,
d.h. er umfasst weniger Bildpunkte 3. Der korrigierte Rasterpunkt 5 repräsentiert
einen entsprechend kleineren Grauwert als der ursprüngliche
Rasterpunkt 1. Bei der Anwendung des Verfahrens für die Belichtungslinearisierung
oder für
eine Gradationskorrektur der gerasterten Bilddaten müssen die
Rasterpunkte im allgemeinen in kleineren Stufen in ihrer Größe verändert werden,
so dass der Schwellwert T in einem mittleren Bereich des Tonwertebereichs
zwischen 0 und 65535 festgelegt wird. Wegen der Notwendigkeit, die
Größe der Rasterpunkte
auch in kleinen Stufen zu verändern,
ist ein symmetrisches Filter (1) ungünstig für das Verfahren. Da die digitalen
Tonwerte des ursprünglichen
Rasterpunkts 1 nur zwei Werte haben, ist die Vielfalt der
möglichen
Tonwerte im Filterergebnis bei Verwendung eines symmetrischen Filters
(1) stark eingeschränkt.
Wenn auch der ursprüngliche
Rasterpunkt 1, wie in 1 gezeigt,
symmetrisch aufgebaut ist, ergibt sich bezüglich der Mittelachse in x-Richtung
und der Mittelachse in y-Richtung der Rasterzelle 2 ein
symmetrisch aufgebauter gefilterter Rasterpunkt 4, d.h.
die Tonwerte auf den Flanken des gefilterten Rasterpunkts 4 sind
in jedem der vier durch die xy-Mittelachsen gebildeten Quadranten
gleich. Das hat zur Folge, dass der korrigierte Rasterpunkt 5 bei
einer geeigneten Veränderung des
Schwellwerts T immer um mindestens vier Bildpunkte auf einmal vergrößert bzw.
verkleinert wird. Dadurch ist es nicht möglich, die Grauwertkorrektur
zwischen dem ursprünglichen
Rasterpunkt 1 und dem korrigierten Rasterpunkt 5 feinstufig
genug vorzunehmen. Mit einem unsymmetrischen Filter (2)
wird dieses Problem vermieden, d.h. die Vielfalt der möglichen
Tonwerte im Filterergebnis wird erhöht und bei entsprechend feinstufigen
Veränderungen
des Schwellwerts T kann der korrigierte Rasterpunkt 5 um einzelne
Bildpunkte vergrößert bzw.
verkleinert werden.
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Für die Feinstufigkeit
und Genauigkeit der Grauwertkorrektur durch die Veränderung
der Rasterpunktgröße nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist entscheidend, dass der Schwellwert T optimal festgelegt wird.
Zum einen hängt
der Schwellwert T vom Betrag dG der gewünschten Korrektur ab, um die
der Grauwert G des ursprünglichen
Rasterpunkts 1 korrigiert werden soll. Für eine Verringerung
des Grauwerts G, d.h. eine Verkleinerung des Rasterpunkts 1,
muss der Schwellwert T erhöht
werden, und zwar um so mehr je größer der gewünschte Korrekturbetrag dG ist.
Umgekehrt muss der Schwellwert für
eine Erhöhung
des Grauwerts G erniedrigt werden. Zum anderen hängt der optimale Schwellwert
T aber auch von der Form und Größe des ursprünglichen
Rasterpunkts 1 selbst ab, also vom Grauwert G, da die Form
und Größe des Rasterpunkts 1 die genaue
Form der Flanken des gefilterten Rasterpunkts 4 beeinflussen.
Der Grauwert G und der Korrekturbetrag dG werden im folgenden, wie
in der Reproduktionstechnik für
die Angabe der Größe von Rasterpunkten üblich, in
Rasterprozent angegeben. Wenn alle Bildpunkte 3 der Rasterzelle 2 den
Tonwert 0 haben, hat der Rasterpunkt den Grauwert G = 0%, und wenn
alle Bildpunkte 3 der Rasterzelle 2 den Tonwert
65535 haben, hat der Rasterpunkt den Grauwert G = 100%. Der Korrekturbetrag
dG wird ebenfalls als absoluter Rasterprozentwert angegeben, d.h.
wenn ein Rasterpunkt 1 beispielsweise den Grauwert G1 =
68% hat und der Korrekturbetrag dG = 3% sein soll, dann soll der
korrigierte Rasterpunkt 5 den Grauwert G2 = 68 + 3 = 71
% haben.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der optimale Schwellwert T als Funktion des Grauwerts
G und des Korrekturbetrags dG in einer Schwellwerttabelle gespeichert.
Zur Bestimmung der Tabellenwerte werden Modellrasterpunkte für die Grauwerte
G = 1 % bis G = 99%, beispielsweise in 1%-Stufen, generiert und mit dem unsymmetrischen
Filter (2) gefiltert. Anschließend wird jeweils für einen
gewünschten
Korrekturbetrag dG iterativ durch feinstufige Variation des Schwellwerts
T derjenige optimale Schwellwert T1 bestimmt, mit dem die gewünschte Korrektur
dG am besten realisiert werden kann. Auf diese Weise erhält man für jeden
Grauwert G und jeden gewünschten
Korrekturbetrag dG einen optimalen Schwellwert T1 = f1(G, dG). Diese
empirisch ermittelte Schwellwertfunktion wird bei jeweils konstantem
Korrekturbetrag dG anschließend
noch geglättet,
beispielsweise mit einer Polynomapproximation dritter Ordnung, so
dass sie einer Funktion T2
= A × G3 + B × G2 + C × G
+ D, dG = konst. (3)entspricht. 4 zeigt
als Beispiel die empirisch ermittelten Schwellwerte T1 und die Approximationsfunktion T2
in Abhängigkeit
vom Grauwert G für
einen gewünschten
Korrekturbetrag dG = 3%, wobei die Schwellwerte ebenfalls in Prozentwerten
des gesamten Tonwertebereichs angegeben sind. Aus den Funkti onswerten
der Approximation werden die Tabellenwerte T2 = f2(G, dG) entnommen,
die in die Schwellwerttabelle eingetragen werden. Die Schwellwerttabelle
enthält
beispielsweise die optimalen Schwellwerte T2 in 1%-Stufen für den Grauwert
G und in 0,5%-Stufen für
den gewünschten
Korrekturbetrag dG.
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5 zeigt
zusammenfassend in einem Ablaufdiagramm die Folge der Arbeitsschritte
bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf binäre Bilddaten 10.
In einem ersten Schritt S1 werden die binären Bilddaten 10 mit
n Bit quantisiert, beispielsweise mit 16 Bit je Bildpunkt. Im Schritt
S2 werden die quantisierten Bilddaten 11 einer Tiefpassfilterung
unterworfen, wobei ein Filterfenster gewählt wird, das kleiner als eine
Rasterzelle 2 ist. Vorzugsweise wird ein Filter mit einer
unsymmetrischen Verteilung der Filterkoeffizienten verwendet. Durch
die Tiefpassfilterung entstehen die gefilterten Bilddaten 12 mit
einer reduzierten Flankensteilheit an den Übergängen zwischen den Extremwerten
weiß und
schwarz. Parallel dazu wird im Schritt S3 der lokale Grauwert G
bestimmt. Dazu kann beispielsweise ein einfacher Mittelwert der
binären
Bilddaten 10 über
die Fläche
einer Rasterzelle 2 gebildet werden. Alternativ kann der
Grauwert G auch mit einer Tiefpassfilterung ermittelt werden, deren
Filterfenster mindestens eine Rasterzelle 2 umfasst. Mit
dem lokalen Grauwert G und dem gewünschten Korrekturbetrag dG
für den
Grauwert wird im Schritt S4 aus der Schwellwerttabelle ein optimaler
Schwellwert T2 = f2(G, dG) entnommen und auf die gefilterten Bilddaten 12 angewendet,
wodurch die korrigierten quantisierten Bilddaten 13 entstehen.
Diese Bilddaten, die durch die Schwellwertoperation wieder nur zwei
Tonwerte haben, werden schließlich
im Schritt S5 wieder mit 1 Bit quantisiert, z.B. wird dem digitalen
Tonwert 65535 der Binärwert 1 und
dem digitalen Tonwert 0 der Binärwert
0 zugewiesen, wodurch die bezüglich
des Grauwerts korrigierten binären
Bilddaten 14 entstehen.
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- 1
- Rasterpunkt
- 2
- Rasterzelle
- 3
- Bildpunkt
- 4
- gefilterter
Rasterpunkt
- 5
- korrigierter
Rasterpunkt
- 10
- binäre Bilddaten
- 11
- quantisierte
Bilddaten
- 12
- gefilterte
Bilddaten
- 13
- korrigierte
quantisierte Bilddaten
- 14
- korrigierte
binäre
Bilddaten
