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Hintergrund der vorliegenden
Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um unter
Verwendung von Schwellwertfeldern Bit-Ratenreduktion und Rekonstruktion von
Bilddaten bereitzustellen.
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2. Stand der
Technik
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Weil
die Rechnerleistung zunimmt und Computerbenutzer anspruchsvoller
werden, verbreitet sich die Verwendung von Farbbildern in Computersystemen
und computerbasierten Veröffentlichungssystemen
zunehmend. Die Verwendung von Farbbildern ist nicht länger auf
Fachleute, die High-End-Computer
verwenden, begrenzt. Statt dessen wird die Reproduktion von Farbbildern
schnell ein Standardleistungsmerkmal von Personalcomputern, welche
von Computerbenutzern aller Stufen verwendet werden.
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Halbton-(continuous tone)
und Rasterdruck (half tone print
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Einige
Ausgabeaufbereitungsgeräte,
wie zum Beispiel einige Anzeigen und einige Laserdrucker, sind in
der Lage, Halbtonfarb- oder Graustufenbilder direkt zu reproduzieren.
Der Ausdruck Halbton, wie hier verwendet, umfasst sowohl digitale
als auch analoge Darstellungen von Halbtonbildern.
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Digitale
Darstellungen werden einfach als digitale Bilder bezeichnet und
bestehen aus Bildelementen, Pixel genannt, welche einen von mehreren
verschiedenen Bildwerten bei jedem Pixel annehmen können. Monotone
(schwarz-weiß,
Grau-Stufe) digitale
Bilder belegen eine spezielle Zahl an Bits bei jedem Pixel für die Grau-Stufe.
Farbbilder sind mit mehreren Grau-Stufen-Bildern äquivalent,
darin bestehend, dass man bei jedem Pixel eine spezielle Zahl an
Bits für
jede der das Farbbild bildenden Farbkomponente belegt. Zum Drucken
werden wenigstens drei Farbkomponenten verwendet, und am meisten
verbreitet die vier Farbkomponenten C, M, Y und K, welche die Mengen
von zyanfarbenem, magentafarbenem, gelbem und schwarzem Farbstoff
anzeigen, welche zum Reproduzieren des Bildes auf einem speziellen
Ausgabedrucker erforderlich sind. Ein Beispiel ist der von Canon
Inc. von Japan gefertigte CLC 500-Farblaserkopierer. Der Aufbereiter
ist in diesem Fall ein Laserdruckmodul, der vier Farben, C, M, Y
und K, bei acht Bits pro Farbe für
insgesamt 32 Bits pro Bildelement, bei einer Auflösung von
400 Bildelementen pro 2,54 cm (1 Inch) (auch als "Dots per Inch" oder "dpi" bezeichnet) druckt.
Es wurde auf dem Canon CLC und ähnlichen
Druckern beobachtet, dass nicht alle 256 Tintenpegel (8 Bits) pro
Kanal wahrnehmbar oder messbar unterscheidbar sind, was anzeigt,
dass die Anzahl von Bits pro Bildelement reduzierende Verfahren
wahrscheinlich Bilder mit ausreichend hoher Qualität produzieren
können.
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Rahmenpuffer
und Druckersteuerungen
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Oft
werden digitale Bilder in Rahmenpuffern, auch als Seitenpuffer bezeichnet,
gespeichert. Ein großer Speicherumfang
kann erforderlich sein, um ein vollständiges Bild zu speichern. Zum
Beispiel erfordert es, ein Halbtondigitalbild von typischerweise
27,94 mal 21,59 cm (11 mal 8,5 Inch) Seitengröße bei einer Auflösung von
400 Pixel pro 2,54 cm (1 Inch), mit vier Farbkomponenten pro Pixel
und einem Byte (8 Bits) pro Komponente zu speichern, 59.840.000
Bytes. Es wäre
daher wünschenswert,
den zum Speichern für
solch ein Bild erforderlichen Speicherumfang zu reduzieren, ohne
einen wahrnehmbaren Umfang an Bildqualität zu verlieren. Ein notwendiger
Teil von jeglichem Verfahren, die Speicheranforderung zu reduzieren,
ist ein entsprechendes Verfahren, um ein Vollauflösungsbild
von dem reduzierten Speicherbild zu rekonstruieren. Den zum Speichern
eines Bildes erforderlichen Speicher zu reduzieren wird als Bit-Ratenreduktion
bezeichnet, weil die durchschnittliche Zahl von Bits pro Pixel (die
Bit-Rate) reduziert wird.
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Eine
Anwendung von Rahmenpuffern und Bit-Ratenreduktion liegt vor, wenn
ein Rahmenpuffer als Zwischenspeicher vor dem Drucken auf einen
Halbton-Digitaldrucker verwendet wird. Die Druckersteuerung in dem
Fiery®-Druckserver,
der von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gefertigt ist, arbeitet
auf diese Weise. Die Fiery®-Druckersteuerung umfasst
einen Rahmenpuffer, einen Prozessor um eine Eingabebildbeschreibungs-Datei
zu empfangen und das der Eingabebildbeschreibungs-Datei entsprechende
Digitalbild zu generieren und in dem Rahmenpuffer zu speichern,
und ein Rasterleser (auch als Videoprozessor bezeichnet), um die
Bilddaten von dem Rahmenpuffer auszulesen und die Daten zu einem
Aufbereiter zu senden, typischerweise einem Laserdruckmodul, wie
zum Beispiel dem Canon CLC 500, bei der Rate, die erforderlich ist, um
der Geschwindigkeit des Druckmoduls zu entsprechen. Typischerweise
findet die Bildgenerierung und das Füllen des Rahmenpuffers bei
einer sehr viel geringeren Rate statt, als für das Auslesen erforderlich
ist. Ebenso tritt typischerweise die Bilderzeugung und das Füllen des
Rahmenpuffers nicht in dem von dem Druckmodul erforderten sequenziellen
Rasterformat auf. Daher tritt das Auslesen erst auf, nachdem der
Rahmenpuffer gefüllt
ist.
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Die
Eingabebildbeschreibungs-Datei kann aus einem Programm in einer
Seitenbeschreibungssprache, wie zum Beispiel PostScript® bestehen,
einem Produkt von Adobe Systems Incorporated von Mountain View,
Kalifornien. Erzeugen und Speichern des der Eingabebildbeschreibungs-Datei
entsprechenden Digitalbildes ist als RIPpen (RIPping) bekannt. Eine
Vorrichtung, die diese Funktion ausführt, wird als RIP oder RIP-Modul
bezeichnet. Die Herkunft von RIP ist "Rasterbildprozessor oder Rasterbildverarbeitung" (raster image processor).
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Eine
der Hauptkosten einer Druckersteuerung, wie beispielsweise der Fiery®,
ist der große
Umfang an Speicher, der für
einen hinreichend großen
Rahmenpuffer erforderlich ist, um ein großes gerastetes Bild zu speichern.
Es ist wünschenswert,
Verfahren zu verwenden, die den Umfang von gefordertem Rahmenpufferspeicher
reduzieren. Dies erfordert ein Verfahren, Daten von dem Reduziertspeicherformat
auf die Anzahl der von dem Drucker geforderten Daten-Bits zu rekonstruieren.
Auslesen kann bei einer extrem schnellen Rate erfolgen. Beispielsweise
beträgt
die durchschnittliche Datenrate für einen 30-Seiten-pro Minuten-Drucker mehr als
230 Mbit pro Sekunde. Signalfolgeraten können sehr viel höher sein.
Daher ist es für
jedes Speicherreduktionsverfahren, die in Druckersteuerungen verwendbar
sein soll, notwendig, dass das entsprechende Rekonstruktionsverfahren
bei einer hohen Rate mit wenig Hardware funktioniert (damit die
Kosten der Hardware nicht höher
werden als die Kosten des gesparten Speichers).
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Raster-Techniken
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Die
meisten Druckvorrichtungen sind nicht in der Lage, Halbtonfarbbilder
(oder Halbtongraustufenbilder) exakt zu reproduzieren, weil ihre
Ausgabe binär
ist, weil die Vorrichtungen in der Lage sind, entweder einen festen
Betrag von Farbmittel, wie zum Beispiel Tinte, an einem speziellen
Punkt abzulagern, oder gar kein Farbmittel an den Punkt abzulagern.
Als Rastern werden die Verfahren zum Umwandeln von Halbtonbildern
in binäre
Darstellungen (auch Rasterdarstellung genannt) bezeichnet. Solche
Verfahren werden gewöhnlich
in Bildsetzern (Imagesetters), Tintenstrahldruckern, Laserdruckern,
Kopierern, Faxgeräten,
Flüssigkristallanzeigen
und anderen Reproduktions- oder Anzeigevorrichtungen verwendet.
Diese Verfahren umfassen Bündelrasterung
(clustered screening), Nachbarrastern (neighborhood halftoning)
und Schwellwertrastern (dithering).
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Bündelrasterung
ist das Überlagern
eines Gitters von Punkten auf den Ausgabebildbereich, und an jedem
Punkt in dem Gitter einen Rasterpunkt (dot) von vorbestimmter Form
zu definieren, dessen Größe entsprechend
dem Wert des Eingabebildes an dem Ort variiert. Typischerweise ist
jeder Rasterpunkt des Bündelrasters
aus einer Mehrzahl von Druckerbildelementen zusammengesetzt. Bündelrasterungstechniken,
welche klassisch fotografisches Kontaktrastern, wie es beim Drucken
vor dem elektronischen Zeitalter verwendet wurde, simuliert, sind
bekannt. Solche Simulationen umfassen das Spezifizieren einer Rasterlinienfrequenz,
eines Drehwinkels und einer Rasterpunktform.
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Nachbarrastertechniken
wie zum Beispiel Fehlerdiffusion beziehen typischerweise die Bestimmung
eines Pixels in dem Ausgabebild unter Verwendung der Werte bei mehreren
Pixeln des Eingabebildes ein. Daher erfordern Nachbarrastertechniken
eine große
Zahl an Berechnungen und sind gewöhnlich langsam und prozessorintensiv.
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Schwellwertrastern
bezieht das Durchführen
von Punkt-für-Punkt-Vergleichen
von jedem Pixel in dem Eingabebild mit dem entsprechenden Pixel
in einem gleichgroßen
Vergleichsfeld ein, welches typischerweise aus Wiederholungen eines
kleineren Feldes, sowohl in vertikalen als auch in horizontalen
Richtungen besteht. Das Verfahren ist auf diese Weise durch das
kleinere Feld definiert, welches gleichbedeutend als "Ditherfeld", "Dithermatrix" und "Schwellwertfeld" bekannt ist. Die
Ausdrücke "Ditherfeld", "Dithermatrix" und "Schwellwertfeld" werden in der vorliegenden
Erfindung verwendet, um sich sowohl auf das kleine Kernfeld als
auch auf das größere periodische
Vergleichsfeld zu beziehen. Die beabsichtigte Bedeutung wird dem
Fachmann aus dem Kontext klar sein. Ein Ausgabepixel ist eingeschaltet
(zum Beispiel, den Wert 1 anzunehmen, um ein Aufbringen eines Farbmittels
beim Drucken darzustellen), falls der wert des entsprechenden Eingabepixels
größer ist als
der Wert des entsprechenden Pixels des Ditherfeldes. Andererseits
wird das Ausgabepixel ausgeschaltet (zum Beispiel durch Annehmen
des Wertes 0, um das Aufbringen von keinem Farbstoff beim Drucken
darzustellen). Dithern ist ein relativ schnelles Verfahren.
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Anforderungen für Bitraten-Reduktion
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Wie
oben beschrieben, ist es wünschenswert,
in der Lage zu sein, die Bild-Bit-Rate zu reduzieren, so dass weniger
Speicher zum Speichern eines Bildes in einem Rahmenpuffer erforderlich
ist. Ein Bit-Ratenreduktionsverfahren sollte für Bilder funktionieren, die
natürliche
fotografische Szenen, computergenerierte Grafik und Text sowie synthetische
Szenen beinhalten. Bei Druckersteuerungsanwendungen sollten Bit-Ratenreduktionsverfahren
die Rate des Aufbereitens (Druckens) des Farbbildes nicht wahrnehmbar
verlangsamen, und sollten in der Lage sein, einen Rasterdrucker
oder einen Binärdrucker
aufzunehmen. Weiterhin ist es wünschenswert,
dass Extrembildwerte erhalten bleiben. Jegliche Bereiche auf dem
Bild, die ohne Bitraten-Reduktion zu 0% oder 100% Farbmittelwerten
in dem Bild aufbereitet würden,
werden weiterhin jeweils Farbmittelwerten von 0% oder 100% aufbereitet.
Das heißt,
es ist wünschenswert,
dass extreme Bildwerte exakt rekonstruiert und gedruckt werden.
Dieses Attribut wird als die Extrempunktebedingung bezeichnet.
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Falls
das Bit-Ratenreduktionsverfahren in einer Druckersteuerung, wie
zum Beispiel Fiery®, benutzt werden soll,
ist es wünschenswert,
dass das Verfahren schnell ist. Ein Weg, schnelle Techniken sicherzustellen,
ist, die Techniken bildunabhängig
zu machen, insofern, dass unabhängig
vom Bildinhalt diese selbe Technik verwendet wird. Zum Beispiel
würde dieselbe
Technik für
ein Bild eines Gesichtes, ein Bild einer Bergszene, Text sowie eine
Bildanzeige, die Text und verschiedene fotografische Szenen enthält, verwendet
werden.
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Zusätzlich ist
es, wie bereits oben besprochen, für eine Anwendung in einer Druckersteuerung
wie zum Beispiel Fiery®, notwendig für das entsprechende
Rekonstruktionsverfahren, bei einer schnellen Rate unter Verwendung
von lediglich einem geringen Einsatz von Hardware zu arbeiten. Ein
Weg, sowohl eine schnelle Bit-Ratenreduktion
als auch eine schnelle Rekonstruktion sicherzustellen, ist, die
Reduktionstechniken auf solche einzuschränken, die auf einer Einzelpixelbasis,
genannt Punktverarbeitungstechniken, arbeiten. Dies schließt Techniken
aus, die räumliches
Verarbeiten einbeziehen, wie beispielsweise die vielen bekannten
Bildkompressionstechniken, die Vorteile aus räumlicher Redundanz in den Bildern
ziehen. Man ist auch auf Punktverarbeitung eingeschränkt, falls
die Druckersteuerung einen RIP für
eine Seitenbeschreibungssprache wie zum Beispiel PostScript® enthält. Dies
ist, weil viele Seitenbeschreibungsprozessoren, wie oben beschrieben, zum
Beispiel PostScript®-Interpreter, Bilddaten
in einem ungeordneten und unvorhersehbaren Raummuster erzeugen.
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Außerdem ist
es, falls die Druckersteuerung ein RIP für eine Seitenbeschreibungssprache,
wie zum Beispiel PostScript® enthält wünschenswert, über Techniken
zu verfügen,
die einige der Operationen verwenden, die in der Seitenbeschreibungssprache
eingebaut sind.
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Verfahren
gemäß dem Stand
der Technik
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In
der folgenden Diskussion von Verfahren des Standes der Technik,
werden Beispiele beschrieben, die die Verfahren auf den Fall eines
32-Bit-CMYK-Farbbildes mit 8 Bits pro Farbkomponente anwenden. Die Verfahren
werden für
die Anwendung auf eine der Farbkomponenten beschrieben. Dies ist
identisch für
den Fall eines Schwarz-Weißbildes
mit 8 Bits pro Pixel. In diesen Beispielen wird für jede Farbe
jedes 8-Bit-Pixel auf ein 4-Bit-Pixel reduziert. Dem Fachmann wird
klar sein, wie jedes Verfahren für
andere Farb- und Schwarz-Weißbilder,
mit unterschiedlichen Anzahlen von Bits pro Farbe und pro Pixel
angewandt werden kann, und wie jedes Verfahren zum Erzielen eines
anderen Kompressionsbetrages als 2 : 1, wie im Beispiel gezeigt,
angewandt werden kann.
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Ein
bekanntes Verfahren, die Bild-Bit-Rate zu reduzieren, ist eine Pixel-für-Pixel-Gleichmäßig-Quantisierung
auf den Originalbilddaten auszuführen.
Unter Verwendung dieses Verfahrens werden die vier höchstwertigen
Bits von jedem 8-Bit-Bildkomponentenwert
als komprimierte Bildwerte zum Speichern ausgewählt, zum Beispiel in dem Rahmenpuffer
für die
Druckersteuerungsanwendung. Mit anderen Worten, wird Code "C", wobei C in dem Bereich 0 ≤ C ≤ 15 liegt,
allen Eingabewerten zugewiesen, die in dem Intervall [16*C, 16*C
+ 15] liegen. In der Druckersteuerungsanwendung werden die rekonstruierten
Werte zu (16*C + 8) bei (beinahe) dem Mittelpunkt von jedem Codierintervall
gesetzt, wenn die gespeicherten codierten Bildwerte für die Aufbereitung
rekonstruiert werden. Jeder Code stellt daher 16 Eingabewerte dar.
Beispielsweise ist der Code "3" dem Intervall [48,
63] zugewiesen und wird für
ein Drucken als 56 rekonstruiert. Obwohl dieses bekannte Schema
die Bild-Bit-Rate
reduziert, hat es den Nachteil ausgeprägter Konturartefakte des rekonstruierten
Bildes und erfüllt
nicht die Extrempunktebedingung.
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In
einem veränderten
Gleichmäßig-Quantisierungsschema
sind die Bilddaten in den Intervallen [17*C – 8, 17*C + 8] quantisiert,
wobei C in dem Bereich 1 ≤ C ≤ 14 liegt, quantisiert.
Codes "0" und "15" sind für die Endintervalle
[0, 8] und [247, 255] reserviert. Dieses Verfahren verwendende Rekonstruktionsbildwerte
werden als 17*C, für
0 ≤ C ≤ 15, berechnet.
Obwohl die Extrempunktebedingung durch dieses modifizierte Schema erfüllt ist,
werden Konturartefakte in dem Ausgabebild geringfügig verstärkt.
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Ein
anderes bekanntes Schema, Wahrnehmungs-Gleichmäßig-Quantisierung (perceptually uniform quantization),
versucht Konturartefakte für
eine gegebene Zahl an optimierten Rekonstruktionsniveaus (16 im Beispiel)
zu minimieren, während
weiterhin die Extrempunktebedingung aufrecht erhalten wird. Diese
Technik berücksichtigt,
dass das menschliche Auge gegenüber
Fehlern, die in den hellen Gebieten eines Bildes auftreten, empfindlicher
ist als gegenüber
Fehlern, die in den dunklen Bereichen eines Bildes auftreten. Daher sind
Fehler, die während
der Bit-Ratenreduktion
und dem Rekonstruktionsprozess erzeugt werden, sogar dann nicht
wahrnehmungsausgeglichen, wenn sie gleichmäßig über die Intensitätswerte
des Bildes verteilt sind. Ein Weg, diese Empfindlichkeit des menschlichen
Auges zu kompensieren, ist, das Bild vor der Bit-Ratenreduktion und
nach der Bildrekonstruktion zu transformieren. Die Transformation
ist eine Pixel-für-Pixel-nicht-lineare
Abbildung und ist so entworfen, dass ein kleiner absoluter Fehler
in der Intensität
des Bildes annähernd
gleich für jedes
Intensitätslevel
wahrgenommen wird.
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Jedoch
sind Wahrnehmungs-Gleichmäßig-Quantisierungsschemata
für die
Druckersteuerungsanwendung hochgradig abhängig von der Aufbereitungsvorrichtung.
Beispielsweise können
bei manchen tintenbasierten Druckern größere Intervalle bei hohen Tintenniveaus
toleriert werden, aber feinere Intervalle sind für geringe Tintenniveaus erforderlich.
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Weiterhin
sind Rekonstruktionswerte nicht notwendig bei den Mittelpunkten
der Intervalle. Die Anzahl der Rekonstruktionsniveaus und zugeordneter
Intervalle können
entweder identisch für
die vier Tinten sein oder können
tintenspezifisch sein. Wenn nx die Anzahl
der Niveaus für
die Tinte X ist, wobei X für
C, M, Y oder K steht, dann ist es in dem Beispiel – der Fall,
dass die Gesamtzahl an Bits pro Pixel von 32 auf 16 reduziert wird – erforderlich,
dass nc*nm*ny*nk ≤ 65536 (=
216) ist. Konturartefakte sind bei Verwendung
dieser Methode immer noch wahrnehmbar obwohl diese Artefakte gleichmäßig verteilt
sind.
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Es
ist möglich,
dieselben Prinzipien wie für
Wahrnehmungs-Gleichmäßig-Quantisierung
für jedes
Codierungs- und Decodierungsschema anzuwenden, indem die Bilddaten
zuerst nicht-linear transformiert werden und später die inverse Transformation
auf jedes rekonstruierte Pixel angewandt wird. Dem Fachmann wird klar
sein, dass jede der hierin diskutierten Techniken auf diese Weise
verändert
werden kann. Die Anwendung der nicht-linearen Transformation ist
bekannt als Gammakorrektur.
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Ein
anderes bekanntes Verfahren für
Bild-Bit-Ratenreduktion verwendet pseudozufälliges Rauschen. Diese Technik
verwendet die Beobachtung, dass in Bildern Zufallsrauschen akzeptabler
ist als Quantisierungsstufen (konturerzeugend) in dem Ausgabebild.
Entsprechend dem Pseudozufallsrauschen-Verfahren wird für jede Farbe (8 Bits in dem
Beispiel) eine "Zufalls"-größe, welche
beispielsweise von einem Pseudozufallszahlengenerator gesteuert
wird, zu dem Eingabebild addiert, bevor Gleichmäßig-Quantisierung angewandt
wird. Für
die Rekonstruktion wird beispielsweise dieselbe "Zufalls"-größe, welche
von einem Pseudozufallszahlengenerator gesteuert wird, der mit dem Pseudozufallszahlengenerator
der Codierseite synchronisiert ist, von der de-gleichmäßig-quantisierten
(de-uniformquantized) Größe abgezogen,
um einen rekonstruierten Bildwert in der gleichen Pixelordnung zu
generieren, in welcher die Größe addiert
war. Ein Beispiel von Bit-Ratenreduktion
und Rekonstruktion unter Verwendung von Pseudozufallsrauschen ist
von L. G. Roberts in einer Schrift "Picture Coding Using Pseudo-random Noise", IRE Transactions
on Information Theory, IT-8, Nr. 2, pp. 145–154, Februar 1962, offengelegt.
Bilder, die unter Verwendung dieses Schemas codiert sind, enthalten
kleine Rauschartefakte und geringen Verlust von Details in hellen
Farbbereichen (zum Beispiel Fleischtöne), ebenso wie verschwommene
Konturen in glatt wechselnden Rampen.
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Die
Anwendung des Pseudozufallsrauschverfahrens auf die Druckersteuerungsanwendung
führt zu Schwierigkeiten.
Bei einigen RIPs, wie zum Beispiel dem PostScript®-Interpreter,
sind die Bilddaten, die bit-ratenreduziert werden sollen, entsprechend
einer beliebigen Pixelordnung generiert, welche durch die Ordnung, mit
der Elemente in der Bildbeschreibungsdatei definiert sind, sowie
durch den Interpreter vorgegeben ist. Bilddecodierung erfordert üblicherweise,
von dem Rasterleser in einer Abtastzeilenordnung ausgeführt zu werden, was
die Synchronisierung der beiden Pseudozufallsgeneratoren schwierig
macht. Es ist möglich,
die Ausgabe des Pseudozufallszahlengenerators vorzuspeichern, aber
dann müssten
soviel Daten gespeichert werden, wie für das gesamte Bild gebraucht
würden,
und würde
daher keinen Speicher sparen. Alternativ kann das herkömmliche
Decodieren verwendet werden, als wenn Gleichmäßig-Quantisierung verwendet wurde. In diesem Fall
erscheint das rekonstruierte Bild als mit einem zu starken Rauschen
behaftet.
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Jedes
Rasterverfahren kann als der Codierteil eines Bit-Ratenreduktionsverfahrens
auf ein Bit pro Pixel pro Farbe angesehen werden. Jedoch ist eine
Rekonstruktion von Ein-Bit-Daten
schwierig. Codieren/Decodieren auf Ein-Bit-Daten erfordert üblicherweise
räumliche
Verarbeitung und ist daher nicht einfach auf die Druckersteuerungsanwendung
anwendbar.
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Jede
Rastertechnik kann mit einem Gleichmäßig-Quantisierungsschema (oder Wahrnehmungs-Gleichmäßig-Quantisierungschema)
kombiniert werden. In solch einem kombinierten Schema ist der Bildamplitudenbereich
zuerst in eine kleine Zahl von Amplitudenintervallen unterteilt
(entsprechend der Anwendung eines Quantisierungsschemas), dann wird
Rastern auf jeden Amplitudenbereich angewandt, um den Bereich auf
lediglich ein Bit zu reduzieren. Das Endergebnis ist Bit-Ratenreduktion
auf die Anzahl von erforderlichen Bits, um die Anzahl von Intervallen
zu definieren. Die Quantisierungs- und Rasterschritte können in ein
zusammengesetztes Verfahren kombiniert werden. Wenn Ditherfelder
verwendet werden, ist dieses bekannte Verfahren in der von Adobe
Systems Incorporated definierten PostScript® Level-2-Sprache
aufgenommen, wobei der Ausdruck Schwellwertfeld für Ditherfeld
verwendet wird. PostScript® ermöglicht auch, dass dies mit
einer nicht-linearen Transformation kombiniert wird, wie zum Beispiel
für eine
Wahrnehmungs-Gleichmäßig-Quantisierung
(gammakorrigierte Gleichmäßig-Quantisierung)
oder anderen Anwendungen, wobei der Ausdruck Übertragungsfunktion für die nicht-lineare
Transformation verwendet wird.
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In
der vorliegenden Erfindung wird das kombinierte Raster-/Gleichmäßig-Quantisierungs-Bit-Ratenreduktionsverfahren
als das Ditherfeldverfahren bezeichnet, wobei der Kontext klar macht,
ob nur eine Rastertechnik oder die kombinierte Raster-/Gleichmäßig-Quantisierungs-Bit-Ratenreduktionstechnik
gemeint ist. Anwendung der Ditherfeldtechnik auf eine Druckersteuerung
für einen
Halbtonaufbereiter und Anwenden der bekannten "geordneten Ditherfelder", wie von B. E. Bayer
in "An optimum method
for two-level rendition of continuous-tone pictures", Proceedings of
the IEEE 1973 International Communications Conference (ICC '73), pp. 26.11–26.15,
1973, definiert, und Verwendung einer Direktrekonstruktion resultiert
in beträchtlicher
Reduktion von Kontureffekten, hauptsächlich in glatt variierenden
Bereichen. Jedoch sind Musterartefakte (aufgrund des geordneten
Dither) in bestimmten Gleichmäßig-Tintengraden
wahrnehmbar.
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Andere
Techniken zur Erzeugung von Ditherfeldern sind bekannt. Siehe zum
Beispiel das Buch von Robert Ulichney, Digital Halftoning, The MIT
Press, Cambridge, 1987, die Veröffentlichung
von Robert Ulichney "The
void-and-cluster method for dither array generation", Proceedings of
the SPIE, Vol. 1913, pp. 332–343, 1993
und die hierin offenbarten Referenzen. All diese Verfahren sind
auf Bit-Ratenreduktion
unter Verwendung von Ditherfeldern anwendbar.
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Es
ist daher wünschenswert,
bildunabhängige
Bit-Ratenreduktion
und -Rekonstruktion von Halbtonfarb- oder Schwarz-Weißbildern
zu haben. Insbesondere ist es wünschenswert,
die Bild-Bit-Rate zu dem Rahmenpuffer um wenigstens einen Faktor
von zwei zu reduzieren, um, in dem Beispiel von 32 Bits pro Pixel,
Bilddaten 16 Bits pro Pixel, entsprechend 4 Bits pro Pixel pro Komponente
zu generieren. Weiterhin ist es auch wünschenswert, Bit-Ratenreduktion auf
einer Einzelpixelbasis durchzuführen,
unter Auslassen von räumlicher Kompression.
Es ist auch wünschenswert,
verbesserte Rekonstruktionsverfahren zu haben, die auf dem reduzierten
Bit-Ratenbild arbeiten, unter Beibehaltung der vollen Intensitätsauflösung des
Originalbildes, während die
zum Erzeugen von Bilddaten für
die Aufbereitung erforderliche Zeit signifikant reduziert wird,
und die auf eine Druckersteuerung anwendbar sind. Es ist auch wünschenswert
verbesserte Bit-Ratenreduktionstechniken
unter Verwendung von Ditherfeldern zu haben. Es ist auch wünschenswert
verbesserte Bit-Ratenreduktionstechniken
unter Verwendung von Ditherarrays zu haben, die in einem RIP für eine Seitenbeschreibungssprache,
wie zum Beispiel PostScript®, implementiert werden
können,
unter Verwendung der in dem Spracheninterpreter eingebauten Funktionalität. Es ist
auch wünschenswert
verbesserte Rekonstruktionsmethoden zu haben, um diese in Bit-Ratenreduktionsverfahren
aufzunehmen, die Ditherfelder verwenden oder die Pseudozufallsrauschen-Quantisierung verwenden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren
für die
Bereitstellung von Bit-Ratenreduktion und Rekonstruktion von Bilddaten
bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Bit-Ratenreduktion
(Codierung) von 32-Bit-CMYK-Kombinationen
in entweder 16-Bit-Codeworte (oder 8-Bit-Codeworte) auf einer Pixel-für-Pixel-Basis
durch schrittweise Berechnungen oder in einer alternativen Ausführungsform unter
Verwendung von Nachschlagetabellen (LUTs) durchgeführt. Bit-Ratenreduktion
findet während einer PostScript®-Interpretation
statt, wo die Ausgabebildpixel in einer möglicherweise beliebigen Ordnung
erzeugt werden. Bit-Expansion (Decodierung) von den 16-Bit-(oder 8-Bit)-Codeworten
in 32-Bit-Daten für
8 Bits pro Komponente der CMYK-Bildwerte wird während Echtzeitdrucken vorzugsweise
durch direktes Nachschlagen in einer Tabelle durchgeführt.
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Während Bit-Ratenreduktion
können
die Bilddaten nicht-linear
korrigiert werden, um Wahrnehmungsungleichmäßigkeiten sowie Nichtlinearitäten in der
Eingabe-/Ausgabebeziehung des Reproduktionsgerätes zu kompensieren. Quantisierung
und Codierung werden vorzugsweise durch Schwellwertoperationen auf
den nicht-linearen
korrigierten Bilddaten mittels Werten von einem Ditherfeld durchgeführt. Das
codierte Bild wird in dem Rahmenpuffer gespeichert und anschließend, vor
dem Drucken, abgerufen, de-dithert, de-quantisiert und für die Wahrnehmungsnichtlinearität invers
transformiert.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird adaptives räumliches
Filtern zum Decodieren der Bilddaten angewandt. Dieses Verfahren
ist mit der geordneten Dithercodierungstechnik oder in einer weiteren
alternativen Ausführungsform
mit Pseudozufallsrauschen-Quantisierung kombiniert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Illustration, die das Bildfeld einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt.
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2 ist
eine Illustration, die eine mögliche
nicht-lineare Eingabe-/Ausgabebeziehung
und die entsprechende Inverse für
die Gammakorrektur zeigt.
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3 ist
eine Illustration, die das Konzept von Quantisierung und Normalisierung
zeigt.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das ein Computersystem zur Implementation der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
eine Illustration, die das Schwellwertfeld in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt.
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6 ist
eine Illustration, die die Rekonstruktionsnachschlagetabelle für eine erfindungsgemäße Ausführungsform
zeigt.
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7 ist
ein Flussdiagramm, das das Verfahren einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Bit-Ratenreduktion
und Rekonstruktion von Bilddaten unter Verwendung eines Ditherfeldes
wird beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden mehrere spezifische
Details detailliert dargestellt, um ein besseres Verständnis der
vorliegenden Erfindung bereit zu stellen. Dem Fachmann jedoch wird
offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen
Details ausgeübt
werden kann. In anderen Beispielen wurden bekannte Leistungsmerkmale
nicht im Detail beschrieben, damit die vorliegende Erfindung nicht
verschleiert wird.
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Übersicht
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Unter
Verwendung der vorliegenden Erfindung ist für den monochromen Fall ein
N-Bit-Bild (zum Beispiel 8 Bit) für eine Reproduktion ausgewählt und
in dem Farbfall ein N-Bit pro Komponente, zum Beispiel ein CMYK-4-Komponenten-Farbbild mit 8 Bits
für jedes
von C, M, Y und K für
insgesamt 32 Bits pro Pixel ausgewählt. Das Bild wird umgewandelt,
um es mit Bezug auf die Vorrichtung, auf welcher das Bild aufbereitet
werden soll, angenähert
wahrnehmungsgleichmäßig herzustellen,
zum Beispiel durch Anwendung einer nicht-linearen Transformation
auf die Bilddaten. Angenähert
wahrnehmungsgleichmäßig in diesem
Zusammenhang ist die Eigenschaft, dass eine kleine absolute Differenz
in der Intensität
des Bildes als angenähert
dieselbe für jedes
Intensitätsniveau
wahrgenommen wird. Die umgewandelten Bilddaten werden dann pixelweise
unter Verwendung eines Ditherfeldes Schwellwertoperationen unterzogen,
so dass die Bilddaten auf eine geringere Zahl an Bits pro Pixel
pro Komponente reduziert werden, zum Beispiel auf 4 oder 2 Bits
pro Pixel pro Komponente. Die reduzierte Information wird in einem
Rahmenpuffer gespeichert. In einer Ausführungsform werden die Umwandlung
und die Schwellwertoperationen der Bilddaten in einer Druckersteuerung
durch den Prozessor einer Seitenbeschreibungssprache, wie zum Beispiel
einem PostScript®-Interpretierer durchgeführt.
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In
einer Ausführungsform
wird der Inhalt des Rahmenpuffers Zeile für Zeile von einem Rasterleser
abgetastet, sobald die reduzierten Bilddaten für das gesamte Bild, beispielsweise
eine ganze Seite, in dem Rahmenpuffer gespeichert ist. Weil jedes
Pixel ausgelesen wird, wird eine Nachschlagetabelle verwendet um
die Bildinformation zu de-dithern, zu de-quantisieren und invers
zu transformieren, um N' Bits
pro Pixel pro Komponente von rekonstruierten Bilddaten zu produzieren,
wobei N' die Anzahl
von Bits ist, die von der Aufbereitungsvorrichtung zum Aufbereiten
der Daten gefordert ist (zum Beispiel für den Canon CLC 500 gilt
N' = N = 8 Bits
pro Pixel pro Komponente für
ein zu druckendes 32 Bit rekonstruiertes Bild).
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Computer-System
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Die
vorliegende Erfindung kann auf jedem herkömmlichen oder Mehrzweckcomputersystem
oder computerbasiertem Veröffentlichungssystem
implementiert werden. Ein Beispiel einer Ausführungsform eines Computersystems,
um diese Erfindung zu implementieren, ist in 4 illustriert.
Die zentralen Komponenten sind Hauptspeicher 415, Zentralprozessor
(CPU) 413 und Steuerungschipsatz 405. Die CPU 413 ist
mit dem Steuerungschipsatz 405 über einen bidirektionalen Adress-/Datenbus 402 gekoppelt.
Der Steuerungschipsatz 405 sendet Steuer- und Adressinformation
an den Hauptspeicher 415 über Adress- und Steuerleitungen 407. Ein
bidirektionaler Datenbus 409 wird verwendet, um Daten zwischen
dem Hauptspeicher 415 und dem Steuerungschipsatz 405 zu übertragen.
Der Steuerungschipsatz 405 funktioniert als das Steuerzentrum
für das Computersystem
und umfasst eine DMA-Steuerung 406 für direkten Speicherzugriff
auf den Hauptspeicher 415 durch den bidirektionalen Datenbus 409.
Jede Eingabe- oder Ausgabevorrichtung ist mit dem Steuerungschipsatz 405 über einen
bidirektionalen I/O-Bus 418 gekoppelt. Eine optionale Tastatur 410,
optionale Maus 411, und eine optionale Videosteuerung 414 sind
als an den bidirektionalen I/O-Bus 418 gekoppelt dargestellt. Tastatur 410 und
Maus 411 sind ebenfalls als an den bidirektionalen I/O-Bus 418 gekoppelt
dargestellt und werden verwendet, um Benutzerkommandos an das Computersystem
zu kommunizieren. Die optionale Videosteuerung ist mit einem begleitenden,
und damit ebenso optionalen Kathodenstrahlröhren-(CRT)-Rastermonitor 417 verbunden.
In der bevorzugten Ausführungsform
als eine Druckersteuerung ist die Videosteuerung-414/CRT 417-Kombination zur Anzeige
von, unter anderem, Druckzeitplan und Statusdaten, wie auch den
zu druckenden Bilddaten verwendet. Monitor 417 ist ein
Typ von Monitor, der für
die Anzeige von Grafikbildern geeignet ist. Ein Massenspeicher 412 ist
mit dem bidirektionalen I/O-Bus 418 verbunden und kann
sowohl feste als auch entfernbare Medien umfassen, wie zum Beispiel
magnetische, optische oder magnetooptische Speichersysteme oder
jegliches andere verfügbare
Massenspeicherverfahren. Der Massenspeicher kann auf einem Netzwerk
geteilt sein oder es kann ein zugeordneter Massenspeicher sein.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die CPU 413 ein 32-Bit- oder 64-Bit-Mikroprozessor. Jedoch
kann jeder andere passende Mikroprozessor oder Mikrocomputer verwendet
werden. Der Hauptspeicher 415 umfasst einen dynamischen
Schreib-Lese-Speicher (DRAM) und umfasst in der bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung als Druckersteuerung den Speicher für einen
Rahmenpuffer. Wenigstens 32 Mbytes Speicher werden in der
bevorzugten Ausführungsform
verwendet. Mehr oder weniger Speicher kann verwendet werden, ohne
von dem Bereich der Erfindung abzuweichen.
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In
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
als eine Druckersteuerung ist der Steuerungschipsatz 405 gegenüber einem
Standardsteuerungschipsatz modifiziert, so dass er, zusätzlich zu
dem I/O-Bus 418 einen Rasterausgabebus 408 umfasst.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Rasterbildprozessor der Druckersteuerung die CPU 413,
auf der ein Interpretiererprogramm für eine Seitenbeschreibungssprache
wie zum Beispiel PostScript®, veröffentlicht von Adobe Systems
Incorporated, abläuft,
und ein Seiten- oder Rahmenpuffer 422 ist Teil von dem
Hauptspeicher 415. Andere Interpretiererprogramme, wie
zum Beispiel die für
die von Hewlett-Packard, Inc., Palo Alto, Kalifornien, definierte
PCL5-Druckersteuerungssprache, kann ebenso verwendet werden. Der
Hauptspeicher 415 umfasst 32 Mbytes Speicher, was ausreichend
ist, eine vollständige
Seite von lettersize (27,94 mal 21,59 cm (11 mal 8,5 Inch)) von
4-Farb-32-Bits-pro-Pixel-Bildinformation
in dem Rahmenpuffer 422 unter Verwendung einer 2 : 1-Bit-Ratenreduktion
zu speichern. Mehr oder weniger Speicher kann verwendet werden.
Sobald die CPU 413 ein Kommando ausgibt, dass sie für das Rasterlesen
bereit ist, wobei sie beispielsweise anzeigt, dass der RIP das Laden
einer Seite in den Rahmenpuffer 422 abgeschlossen hat und,
dass ein mit dem Rasterausgabebus 408 verbundener Aufbereiter
bereit ist, Daten zu empfangen, wird der Speicher, unter Verwendung
von DMA, zu dem Rasterausgabebus 408 in dem geforderten
sequenziellen Rasterformat ausgelesen. Zu derselben Zeit ist der
Prozessor CPU 413 frei, das nächste Bild zu verarbeiten (RIP),
weil DMA eingesetzt wird. Es ist Stand der Technik, wie solch eine DMA-Vorrichtung
zu programmieren ist, um solch eine Datenübertragung zu erzielen. In
einer alternativen Ausführungsform
wird keine DMA-Steuerung verwendet. Statt dessen wird die CPU 413 verwendet,
um Daten über
den Steuerungschipsatz 405 in dem geforderten sequenziellen
Rasterformat von dem Speicher zu lesen. In dieser alternativen Ausführungsform
ist die CPU 413 so programmiert, dass sie erkennt, ob Daten,
die sie liest, von dem Teil des Hauptspeichers 415 sind,
welche sich in dem Rahmenpuffer 422 befinden. Falls die CPU
Daten von dem Rahmenpuffer 422 liest, werden sie an den
Rasterausgabebus 408 gesandt. Es ist Stand der Technik,
wie die CPU 413 programmiert werden muss, um solche Datenübertragung
zu erzielen.
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Der
Rasterausgabebus 408 kann dann mit einer Aufbereitungsvorrichtung 426 verbunden
werden. Die Aufbereitungsvorrichtung 426 kann ein Drucker,
Kopierer, Faxgerät
oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist Bilder zu
reproduzieren.
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Das
oben beschriebene Computersystem dient lediglich als Beispiel. Die
vorliegende Erfindung kann in jeder Computersystemverarbeitungsumgebung
oder auf jeder Hardware oder Kombination von Hardware, Software
und Computersystem implementiert werden.
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Bilddaten
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Die
Erfindung wird im Detail für
lediglich eine Farbkomponente beschrieben. Dem Fachmann ist klar, dass
Farbbilder aus wenigstens drei Farbkomponenten bestehen, so dass
die Erfindung auf jede Farbkomponente angewandt werden kann. Dem
Fachmann ist auch klar, dass die Erfindung auf jede Farbkomponente unterschiedlich
angewandt werden kann, um unterschiedliche Beträge an Bit-Ratenreduktion für jede Komponente
zu erreichen und das Verwenden verschiedener nicht-linearer Transformationen.
Dem Fachmann ist ebenso klar, dass monochrome Bilder aus einer Farbkomponente
bestehen.
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Ein
Beispiel von in einem Feld gespeicherten originalen Bilddaten ist
in 1 gezeigt. Das Bildfeld 101 umfasst m-Reihen 102 und
n-Spalten 103 von Pixeln 104. Jedes der m*n-Pixel 104 kann
eindeutig durch seine Reihen- und Spaltenzahl referenziert werden:
I(i, j), wobei i, mit 0 ≤ i ≤ (m – 1), die
Reihennummer des Pixels darstellt, und j, mit 0 ≤ j ≤ (n – 1), die Spaltenzahl des Pixels
darstellt.
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Das
originale Bild wird mit I bezeichnet und die Bilddaten mit I(i,
j) für
jedes Pixel, das jede Zahl von vorbestimmten Bildniveaus darstellen
kann, wobei 0 ≤ i ≤ (m – 1) und
0 ≤ j ≤ (n – 1) gilt.
In einem Binärwertbild würde I(i,
j) einen von nur zwei Werten annehmen; I(i, j) würde gleich null oder eins sein,
was darstellt, dass das Pixel entweder aus (off) oder an (on) ist.
Im Allgemeinen kann in einem originalen N-Bit-Bild jedes Pixel eines von 2N verschiedenen Intensitätsniveaus darstellen, indem
es einen Wert von I(i, j) annimmt, mit 0 ≤ I(i, j) ≤ (2N – 1). Beispielsweise
kann, wenn die originalen Bilddaten 8-Bit-Graustufenbilddaten sind,
jedes Pixel I(i, j) gleich einem der 256 diskreten Niveaus zwischen
0 und 255 gesetzt sein. In einem 32-Bit, Vier-Komponenten-CMYK-Farbbild,
umfasst jedes Pixel I(i, j) 8-Bit-Daten (eines von 256 Niveaus von
Farbmittel) für
jede der vier Komponenten C, M, Y und K.
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In
der folgenden Beschreibung werden viele Werte als in den Bereich
von 0 und 1 normiert gezeigt. Es ist einzusehen, dass solch eine
Normalisierung nur der Einfachheit der Beschreibung dient, um alle
Beschreibungen der Operation klarzustellen, durch Auslassen von
Details, die keinen Bezug zum Verständnis der Operationen selber
haben. Beispielsweise kann eine Größe, die als normalisiert zwischen
0 und 1 angezeigt ist, in der Praxis Werte zwischen 0 und 255 annehmen.
Wie Beschreibungen von Verfahren verändert werden müssen, um
nicht normalisierte Werte zu verwenden, wird vom Fachmann verstanden.
Weiterhin ist der codierende Teil in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
durch Bereitstellen von geeigneten Parametern und Instruktionen
an einen PostScript®-Interpretierer implementiert,
so dass, wie verstanden wird, die speziellen Details, wie der PostScript-Interpretierer
die unten beschriebenen Operationen ausführt, differieren können. Es
ist einzusehen, dass dies auf keinen Fall als Einschränkung des
Bereiches der vorliegenden Erfindung anzusehen ist.
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Gammakorrektur
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Wie
oben beschrieben, ist in bestimmten Ausgabevorrichtungen wie zum
Beispiel Monitoren und Druckern, die Beziehung zwischen dem Eingabesignal
und der resultierenden Ausgabe wahrnehmungsungleichmäßig. Beispielsweise
ist in vielen CRT-Vorrichtungen die Beziehung zwischen der Eingabespannung
und der Ausgabeschirmintensität
nicht-linear: Darin bestehend, dass eine Änderung der Eingabespannung
von beispielsweise 10% sich die Ausgabeintensität nicht entsprechend um 10% ändert. Entsprechend ändert bei Halbtondruckern
die Änderung
des Wertes eines Eingabepixels um 10% nicht entsprechend die Ausgabedruckdichte
(oder Reflektanz) um 10%.
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Die
Kompensation von Wahrnehmungsungleichmäßigkeit zwischen Eingabe- und
Ausgabeniveaus kann durch Verwendung einer nicht-linearen Transformation
erreicht werden, welche hier Gammakorrektur genannt wird. Dem Fachmann
wird bekannt sein, dass der Ausdruck Gammakorrektur aus der Fotografie
kommt, wo in dem sogenannten linearen Bereich (in einer logarithmischen
Skala) die Beziehung zwischen Filmdichte und Belichtung einem Potenzgesetz
(in einer linearen Skala) genügt,
und, dass in einer mathematischen Notation der Potenz gewöhnlich das
griechische Symbol Gamma gegeben wird. Jedoch ist in der Beschreibung der
vorliegenden Erfindung der Ausdruck Gammakorrektur für jede auf
Eingabedaten angewandte nicht-lineare Transformation verwendet.
Die Prinzipien solcher Gammakorrektur zur Kompensation von Wahrnehmungsungleichmäßigkeiten
sind in dem Gebiet der Farbreproduktion gut bekannt. 2 illustriert
eine mögliche
nicht-lineare Beziehung zwischen nicht korrigierten Eingabe- und
wahrgenommenen Ausgabesignalen. Die horizontale Achse 201 stellt
das Eingabesignal dar, das hier als einen der diskreten Quantisierungswerte annehmend
dargestellt ist, welcher, unter der Annahme einer Normalisierung,
zwischen 0 und 1 liegt. Für
ein 8-Bit-Bild nimmt das Eingabesignal der Achse 201 einen
von 256 diskreten Werten gleichen Abstandes ein. Die vertikale Achse 202 stellt
die Intensität
der resultierenden Ausgabe, wie sie visuell wahrgenommen wird, dar.
Die Eingabe-Ausgabebeziehung, gezeigt von der Kurve 203,
kann durch y = xγ approximiert werden,
wobei für
gewöhnlich
gilt 0,5 ≤ γ ≤ 4. Eine Korrektur
dieser nicht-linearen
Beziehung kann durch Anwendung einer nicht-linearen Transformation auf die Eingabebilddaten
vor der Durchführung
einer Bit-Ratenreduktion auf den Bilddaten erreicht werden. In dem
Kontext der PostScript®-Seitenbeschreibungssprache kann solch
eine Gammakorrekturtransformation als eine PostScript-Übertragungsfunktion implementiert
werden. Eine mögliche Gammakorrektur
ist durch die Kurve 204 gezeigt und ist durch y = x(1/γ) dargestellt.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wo die Ausgabevorrichtung ein Halbton-CMYK-farbtintenbasierter Drucker
ist, wird ein neues Gammakorrekturverfahren vorgestellt, welches
das Obige verallgemeinert. Dieses Verfahren verwendet zwei Werte
für Gamma
anstelle von einem. Die vorcodierende Inverse der nicht-linearen
Transformation ist, wobei x und x' die normalisierten Werte von I(i, j)
und I'(i, j) bezeichnen: x – {x'}(1–x')γ0+x'γ1wobei vorzugsweise γ0 =
0,65 und γ1 = 0,25 gilt. Alternativ können andere
Gammakorrekturen verwendet werden, beinhaltend mehrere Gammas oder überhaupt
keine Korrektur, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen.
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Codierintervalle
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Sobald
die originalen Bilddaten gammakorrigiert sind, werden sie gleichmäßig-quantisiert
und dann unter Verwendung eines Ditherfeldes Ditheroperationen unterzogen
(Schwellwertfeld in dem Kontext von PostScript®),
um die Anzahl von Bits in den Bilddaten vor dem Speichern in dem
Rahmenpuffer zu reduzieren. Gleichmäßig-Quantisierung ist das gleiche
wie den Bereich von den Amplituden gammakorrigierten Bilddaten in
D – 1
separate Codierintervalle zu unterteilen, wobei D ≥ 2 gilt. Für jedes
gammakorrigierte Pixel wird bestimmt, in welchem Intervall sich
das Pixel befindet sowie der Offset innerhalb des Intervalls. Auf
den Offset wird eine Schwellwertoperation angewandt und in Abhängigkeit
von dem Ergebnis der Schwellwertoperation wird dem Pixel ein Code
zugeordnet, der dem oberen oder unteren Übergangsniveau für das Intervall
entspricht. Auf diese Weise sind die Codierintervalle "indiziert"; das heißt, jedem
ist ein eindeutiges Kennzeichen zugeordnet, welches Index genannt
wird. In Abhängigkeit
von den Ergebnissen der Intervallbestimmung und der Schwellwertoperation,
wird dem Pixel ein Code zugeordnet, der dem Index entspricht, in
welchem sich das Pixel befindet, oder der nächsthöhere Code. In der bevorzugten
Ausführungsform
sind die Intervalle mit 0, 1, ..., D – 2 indiziert, wobei D ≥ 2 ist, und
damit ist der letzte Code für
ein Pixel eine Zahl zwischen und D – 1. Auf diese Weise ist jedes
Pixel in log2D-Bits codiert, wobei angenommen
ist, dass D eine Potenz von zwei ist. Falls D nicht eine Potenz
von zwei ist, werden die Daten gemäß log2D' codiert, wobei D' die kleinste Potenz
von zwei ist, so dass D < D' ist. 3 illustriert
eine mögliche
Zuordnung von Codierintervallen. Für die Zwecke der Illustration
sei angenommen, dass die Codierung zu 2 Bits pro Pixel ist, was
einer vierfachen Reduktion an Speicherbedarf für 8 Bit Bilddaten entspricht.
Weil 1og2D = 2, gilt D = 4. Der Amplitudenbereich
für die
Bilddaten ist in D = 4 Abstandsübergangsniveaus
gleichen Abstandes 301, 302, 303 und 304 separiert.
Dies entspricht drei Intervallen, die jeweils als 0, 1 und 2 indiziert
sind. Die Indexwerte 0, 1 und 2 entsprechen jeweils Codierniveaus
0, 1 und 2. Im Allgemeinen ist für
ein N-Bit-Bild die Größe des Intervalls
zwischen zwei aufeinanderfolgender Übergangsniveaus (2N – 1)/(D – 1)-Niveaus
des Originalbilddatenamplitudenbereiches. Indizieren der Übergangsniveaus
durch eine ganze Zahl d, wobei 0 ≤ d ≤ D – 2 und
Bezeichnen der Übergangsniveaus
als t(0), t(1), ..., t(D – 1)
ergibt t(d) = (2N – 1)*d/(D – 1), mit d = 0, 1, ..., D – 1. In
dem in 3 gezeigten Beispiel gilt für Bilddaten in dem Bereich
von 0 bis 255: Übergangsniveau 301 stellt
das Level t(0) = ((28 – 1)*0)/(4 – 1) = 0 dar, Übergangslevel 302 stellt
das Level t(1) = 255*1/3 = 85 dar, Übergangsniveau 303 stellt Level
t(2) = 255*2/3 = 170 dar und Übergangsniveau 304 stellt
Level t(3) = 255*3/3 = 255 dar.
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Die
gammakorrigierten Bilddatenpixel werden mit I'(i, j) bezeichnet, wobei 0 ≤ i ≤ m – 1 und
0 ≤ j ≤ n – 1. Wenn
es keine Gammakorrektur gibt, gilt I'(i, j) = I(i, j). Sobald die Codierintervalle
bestimmt sind, wird jedes Pixel I'(i, j) der gammakorrigierten Bilddaten
auf einer Pixel-für-Pixel-Basis
gelesen und sein angemessenes Codierintervall [t(d), t(d + 1)],
bezeichnet durch den Index d, bestimmt, so dass t(d) ≤ I'(i, j) ≤ t(d + 1)
für einen Index
d, wobei 0 ≤ d ≤ D – 2 gilt.
Zum Beispiel, falls das 8-Bit-Niveau
der Bilddaten I'(i,
j) = 110 ist, wie in 3 gezeigt, wäre das entsprechende Codierintervall
bei D = 4 das Codierintervall [t(1), t(2)]. Der Index d (und damit das
untere Übergangsniveau)
des entsprechenden Codierintervalls kann unter Verwendung von Division
und Abschneiden ermittelt werden, weil d = int{I'(i, j)/[(2N – 1)/(D – 1)]},
wobei int{} die Abschneideoperation ist, welche den ganzzahligen
Teil des Operanden liefert. In dem Beispiel ist d = int{110/(255/3)}
= int(1,2941) = 1. Daher ist das angemessene Codierintervall für das gammakorrigierte
Bildpixel I'(i,
j) = 110 zwischen dem Codierlevel t(1) und Codierlevel t(2) und
ist durch den Index 1 identifiziert.
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Normalisierung
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Zusätzlich zum
Bestimmen des entsprechenden Codierintervalls [t(d), t(d + 1)],
welches für
jedes I'(i, j) durch
den Index d identifiziert ist, wird auch der normalisierte Offset
für das
Pixel in dem Codierintervall von Index d für die korrigierte Bildamplitude
I'(i, j) bestimmt.
Das Symbol I''(i, j) wird verwendet,
um den normalisierten Offset für
Bilddaten I'(i,
j) in dem Codierintervall von Index d zu bezeichnen, so dass für ein Pixel
im Intervallindex d, unter Berücksichtigung,
dass I'(i, j) normalisiert
ist, I'(i, j) =
[d + I''(i, j)]/(D – 1) gilt.
Umwandlung der Bilddaten I'(i,
j) in den Intervallindex d sowie normalisierte Offsetdaten I''(i, j) kann durch d
= int{I'(i, j)/[(2N – 1)/(D – 1)]}und I''(i, j) = {I'(i, j) – (2N – 1)*d/(D–1)}/{(2N – 1)*/(D – 1)}erreicht
werden, wobei N, d und D wie zuvor definiert sind, was wie für die Normalisierung
für den
Offset gefordert, in 0 ≤ I''(i, j) ≤ 1 resultiert. In dem in 3 gezeigten
Beispiel würde
Pixelwert I'(i,
j) = 110 angenähert auf
I''(i, j) = [110 – 255*1/3]/[255*/3]
= 0,2941 normalisiert werden. Wie für den Fachmann klar ist, dient
die Normalisierung des Offsets nur der Einfachheit und, um das Verfahren
auf allgemeine Weise für
jede Bild- und Bildoffsetdaten mit jeder Zahl von Bits zu beschreiben.
Die Implementation der vorliegenden Erfindung umfasst nicht notwendigerweise
Normalisierung oder Normalisierung auf ein Intervall der Größe 1.
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Rasterung
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Sobald
die Bilddaten für
ein individuelles Bildpixel intervallcodiert sind und der Offset
normalisiert ist, ist der normalisierte Offset-Wert für das Pixel
innerhalb des Intervalls des Pixels unter Verwendung eines Rasterverfahrens
in einen Binärwert
konvertiert. Das heißt,
dass jedes Pixel in dem Intervall d, was dem (unnormalisierten)
Bereich [t(d), t(d + 1)] entspricht so codiert ist, dass es entweder
auf den Codewert d oder den Codewert (d + 1) codiert wird, wobei
ein Rasterverfahren für
den (unnormalisierten) Bereich [0, t(d + 1) – t(d)] verwendet wird, welcher
der Einfachheit halber auf den Bereich [0, 1] normalisiert ist.
Mit anderen Worten wird einem Pixel in dem Intervall von dem Index
d ein Code gleich d zugewiesen, welches der Index von dem Intervall
ist, in welchem es sich befindet, oder (d + 1), welches der um 1
inkrementierte Index von dem Intervall, in welchem es sich befindet
ist, wobei die Zuweisung von dem Ergebnis des Rasterverfahrens abhängt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der PostScript®-Sprachinterpretierer verwendet, um den Rasterprozess
zu implementieren. Die PostScript®-(Level
2)-Sprache stellt Rastern und ein hohes Niveau an Kontrolle über Details
des Rasterprozesses bereit. Beispielsweise gestattet die Sprache,
den Typ des Rasterns zu definieren und für diesen Typ von Rastern unabhängige Rasterparameter
für jedes
von einer spezifizierten Zahl von Farbkomponenten zu spezifizieren,
zum Beispiel drei oder vier Farbkomponenten für jeweils CMY- oder CMYK-Drucken.
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Zwei
Typen von Rasterfunktionen werden von der PostScript®-Sprache unterstützt, eine
auf der Grundlage von Bündelrasterung,
indem explizit ein Rasterton durch Zeilenfrequenz, Drehwinkel und
Rasterpunkt-Formfunktion definiert sind, und die zweite auf der
Grundlage der Verwendung von Dither(Schwellwert)feldern. Zusätzlich unterstützt PostScript® die
Verwendung von Übertragungsfunktionen
vor dem Rastern. In der bevorzugten Ausführungsform, welche den PostScript®-Interpretierer
für die
Codierung verwendet, das heißt
für Gammakorrektur,
Quantisierung und Rasterung, werden Schwellwertfelder für das Rastern
verwendet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden all die Codierschritte
explizit ausgeführt
statt durch einen Seitenbeschreibungssprach-Interpretierer.
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Ein
verallgemeinertes Schwellwertfeld ist in 5 illustriert.
Ein Schwellwertfeld 501 hat K-Reihen 502 und L-Spalten 503 und
umfasst individuelle Pixel 504, welche als T(k, l) bezeichnet
sind, wobei k mit 0 ≤ k ≤ (K – 1) die
Reihennummer des Pixels darstellt und 1 mit 0 ≤ 1 ≤ (L – 1) die Spaltennummer des
Pixels darstellt. Für
den Vergleich mit normalisierten Daten ist der Wert von jedem Pixel
T(k, l) normalisiert gezeigt, so dass 0 ≤ T(k, l) < 1 gilt.
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In
der vorliegenden Erfindung wird, sobald die normalisierten Offset-Daten
I''(i, j), berechnet
sind, mit dem entsprechenden Schwellwertfeld Pixel T(k, l) verglichen,
wobei k und l jetzt Funktionen von i und j sind. Speziell gilt k
= (i)mod(K) und l = (j)mod(L). Falls I''(i,
j) < T(k, l), gilt,
dass der codierte oder geditherte Wert C(i, j) = d ist, dem Index
des ausgewählten
Codierintervalls. Andernfalls ist C(i, j) = (d + 1). In dem in 5 gezeigten
Beispiel sei angenommen, dass das Schwellwertfeld ein 64 mal 64-Feld
ist und das Originalbild aus 2541 Zeilen mit 2036 Pixeln in jeder
Zeile besteht. Der I''-Offset bei (500,
314) in einem Bild wird mit dem Schwellwertfeldpixelinhalt T(k,
l) verglichen, mit k = (500)mod(64) = 52 und 1 = (314)mod(64) =
58. Falls der normalisierte Offset-Wert I'' bei
dem Pixel (500, 314) kleiner ist als T(52, 58) gilt C(500, 314)
= d, dem unteren Intervallwert. Andernfalls ist C(500, 314) = (d
+ 1), der höhere
Intervallwert.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
ohne PostScript® kann
ein modifiziertes Schwellwertfeld T'(k, l), um die Schwellwertoperation
I'' < T zu beschleunigen, vorberechnet werden,
wobei T'(k, l) =
1 – T(k,
l) ist und k und l wie zuvor definiert sind. Die Vergleichsoperation
zum Prüfen,
ob I'' < T ist, wird nun zur Überprüfung, ob
I'' < 1 – T' ist, was identisch zur Überprüfung, ob
I'' + T' < 1 ist. Wenn in dem Intervall von Index
d, falls int(I'' + T'), der ganzzahlige
Anteil von I'' + T', betrachtet wird,
dann sollte, falls int(I'' + T') = 0, das heißt I'' < T,
der anzeigende Code d verwendet werden, und falls int(I'' + T') ≠ 0 ist, das
heißt
I'' ≥ T, der indizierende Code (d
+ 1) verwendet werden. Daher gilt in dem Intervall vom Index d für jedes
Pixel (i, j), C(i, j) = d + int{I''(i,
j) + T'(k, l)},
wobei k = (i)mod(K) und l = (j)mod(L). Daher ist eine Vergleichs-
und Verzweigungsoperation, welche in den meisten CPUs eine relativ
zeitaufwendige Operation ist, in Additionen umgewandelt, um direkt
den Codewert zu berechnen.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform,
falls eine PostScript®-Implementation nicht
möglich oder
nicht bevorzugt ist, können,
um die Schwellwertoperation I'' < T zu beschleunigen, alle Codewerte
C für alle
möglichen
Intensitätswerte
von I''(i, j) und k und
l vorberechnet und in einer Nachschlagetabelle vorgespeichert werden.
Die Codierung ist dann auf eine Tabellennachschlageoperation reduziert.
Die Adresse solch einer Tabelle benötigt nur (N + log2K
+ log2L)-Bits, weil die Abhängigkeit
von (i, j) in dem Code für
I(i, j) durch das Nachschlagen an dem Ort (i, j) in dem Schwellwertfeld
kommt, welcher wiederum von k = (i)mod(K) und l = (j)mod(L) abhängt; k und
l können
jeweils in log2K- und log2L-Bits
gespeichert werden und sind die log2K- und log2L niederwertigst signifikanten Bits der
Ganzzahlen i und j, wenn K und L Potenzen von Z sind. Der Inhalt jedes
Ortes in der Nachschlagetabelle ist der Code für das spezielle I(i, j). Zum
Beispiel ist, für
den Fall einer Codierung von 8 Bits per Pixel auf 4 Bits per Pixel,
unter Verwendung von 64 mal 64 Schwellwertfeldern, weil 64 = 26 ist, eine Nachschlagetabelle von 2(8+6+6) = 220 Einträgen erforderlich,
mit jedem Eintrag 4 Bits (ein halbes Byte lang). Dies erfordert
512 KBytes Speicher.
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Der
exakte Inhalt der Schwellwertpixel in dem Schwellwertfeld kann auf
der Grundlage einer großen Zahl
von Ditheringverfahren berechnet werden. Diese umfassen geordnete
Dithertechniken (nach Bayer), Pseudozufallsrausch-Verfahren, Void-and-Cluster-Verfahren
(siehe Ulichney), "blaues
Rauschen"-Muster
(siehe Parker et. al., siehe US-Patent 5,111,310 und 5,341,228)
oder durch Fehlerdiffusion. Das Schwellwertfeld sollte in einer
Weise produziert sein, dass es ein von Artefakten freies Muster
generiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das geordnete Ditherfeld nach Bayer verwendet. Für den Fall
einer Reduktion auf 4 Bits pro Farbe wird ein Ditherfeld mit K =
L = 4 verwendet, wobei das Schwellwert(Dither)feld T(k, l) mit 0 ≤ k, l < 4 definiert ist
als:
während für den Fall
einer Reduktion auf 2 Bits pro Farbe ein Ditherfeld mit K = L =
8 verwendet wird, wobei das Schwellwertfeld T(k, l), mit 0 ≤ k, l < 8 definiert ist
als:
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-
Für Schwellwertfelder,
die mit anderen Verfahren generiert werden (Void-and-Cluster, blaues
Rauschen, Fehlerdiffusion oder Kombinationen von diesen), ist es
wünschenswert,
ein so großes
Schwellwertfeld zu verwenden, wie es die zugeordnete Hardware gestattet.
In einigen erfindungsgemäßen bevorzugten
Ausführungsformen
wird, falls das Codieren auf 4 Bits pro Pixel pro Farbkomponente
für Vierfarbdrucken
verwendet wird, ein 64 mal 64 Ditherfeld verwendet, während, falls
eine Codierung auf 2 Bits pro Pixel pro Farbe verwendet wird, ein
128 mal 128 Ditherfeld verwendet. Wie unten beschrieben wird, ermöglicht die
Wahl dieser Größen für die Schwellwertfelder
eine Rekonstruktion mit einer Nachschlagetabelle von lediglich 64
KBytes.
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Rahmenpuffer
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Jedes
Pixel in dem normalisierten Bild wird auf einer Pixel-für-Pixel-Basis
einer Schwellwertoperation unterzogen oder gedithert und das resultierende
codierte bitratenreduzierte Bild wird in dem Rahmenpuffer gespeichert.
Die vorliegende Erfindung reduziert die Speicheranforderung an den
Rahmenpuffer um jeden Faktor bis zum Reduzieren auf 2 Bits pro Pixel
pro Farbkomponente. Beispielsweise ist die Bitrate, wenn das Originalbild
aus 32-Bit CMYK- Farbbildinformation
(8 Bits pro Farbkomponente) besteht, unter Verwendung von 16 quantisierten
Niveaus (D = 16) die Bit-Rate auf 4 Bits pro Komponente reduziert,
oder 16 Bits an Farbinformation pro Pixel insgesamt für das Speichern
in den Rahmenpuffer für
eine Speicherreduktion um den Faktor zwei. Ähnlich wiederun ist, wenn das
Originalbild aus 32-Bit
CMYK-Farbbildinformation (8 Bits pro Farbkomponente) besteht, falls
die Anzahl der quantisierten Niveaus als vier (D = 4) gewählt ist,
die Bit-Rate auf 2 Bits pro Komponente oder 8 Bits von totaler Farbinformation
pro Pixel reduziert, eine vierfache Reduktion. Diese Reduktion an
Bild-Bit-Raten reduziert die Speicheranforderung an den Rahmenpuffer.
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Bildrekonstruktion
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Sobald
eine vollständige
Seite von N-Bit-Bildinformation gammakorrigiert und gedithert wurde,
und auf diese Weise auf ein codiertes Bild geringer Bit-Rate reduziert
wurde und in dem Rahmenpuffer gespeichert wurde, wird es von dem
Rasterleser an einen Ausgabeprozessor für die Rekonstruktion in ein
Vollauflösungsbild
für eine
Ausgabe an den Aufbereiter geschickt, beispielsweise an einen Drucker
oder an den Druckerteil eines Kopierers, wie zum Beispiel den Canon
CLC 500. In dem Fall eines 32 Bit Original-CMYK-Bildes können die
codierten 2 oder 4 Bit pro Komponentenbild in ein 32 Bit Farbbild
rekonstruiert werden.
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Rekonstruktion
bei Verwendung von Korrektur, wenn Schwellwertfelder verwendet werden
Das codierte Bild C(i, j) wird üblicherweise
durch den Rasterleser von dem Rahmenpuffer Rasterzeile für Rasterzeile
ausgelesen, wobei jedes Pixel in sequenzieller Reihenfolge gelesen
wird. Die vorliegende Erfindung umfasst ein neues Verfahren für ein Rekonstruieren
bitratenreduzierter Bilder, wenn unter Verwendung von Schwellwertfeldern
kodiert wird. Wenn ein Schwellwertfeld T(k, l) verwendet wird, wird
ein Korrekturwert R''(k, l) für jeden codierten
Bildwert C(i, j) an der Position (i, j) berechnet zu R''(k, l) = T(k, l) – 0,5, wobei k = (i)mod(K)
und l = (j)mod(L) ist. Dieser Korrekturwert wird auf jeden codierten
Bildwert C(i, j) angewandt, so dass ein dequantisiertes Bildfeld
R'(i, j) erzeugt
wird, wobei R'(i,
j) = {C(i, j) + R''(k, l)}*(2N – 1)/(D – 1) gilt.
Beispielsweise, wenn N = 8 und D = 4, falls C(i, j) = 1 und T(k,
l) = 0,7, dann ist der Korrekturwert R'' =
T – 0,5
= 0,2 und der rekonstruierte Wert ist R' = (C + R'')*255/3
= (1 + 0,2)*85 = 102,0.
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Weil
das dequantisierte R' auf
den Bereich 0 ≤ R' ≤ (2N – 1) eingeschränkt ist,
sind alle korrigierten Werte für
R', welche außerhalb
dieses Bereiches liegen, auf den Minimum- oder Maximumwert abgeschnitten. Beispielsweise,
bei N = 8 und D = 4, falls C(i, j) = 3 und T(k, l) = 0,8, dann ist
der Korrekturwert R'' = T – 0,5 = 0,3
und der rekonstruierte Wert R' =
(C + R'')*255/3 = (3 + 0,3)*85
= 280,5, was das Höchste
für einen
8-Bit-Farbraum verfügbare
Niveau (255) überschreitet.
In diesem Falle würde
der korrigierte (aber unquantisierte) Wert (C + R'') von 3,3 auf 3 abgeschnitten, so dass
R' = 255 ist. Ein ähnlicher
Vorgang tritt auf, falls (C + R'') < 0 gilt.
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Extrempunktebedingung
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In
einer Option kann man sicherstellen, dass die Extremwerte in dem
Originalbild immer als Extremwerte rekonstruiert werden, zum Beispiel
dass die 0% und 100% Farbmittelniveaus erhalten bleiben. Dies wird als
Extrempunktebedingung bezeichnet. Um die Extrempunktebedingung zu
erfüllen,
wird keine Korrektur auf codierte Bildwerte C(i, j) angewandt, welche
0 sind oder (D – 1)
sind. Statt dessen werden diese Werte in das dequantisierte Bildfeld
unkorrigiert als 0 oder (2N – 1) für den Fall
von jeweils C(i, j) = 0 oder (D – 1) transformiert.
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Als
ein Beispiel, wenn N = 8 und D = 4, wird ein Originalbildwert den
höchsten
Wert 3 annehmen, unabhängig
von dem Wert T(k, l) des Schwellwertfeldes an der betrachteten Position
(i, j). Für
den Fall wenn die Option des Erhaltens der Extrempunktebedingung
nicht gewählt
ist, ergibt, falls T(k, l) = 0,2 ist, die Korrektur R''(i, j) = T(k, l) – 0,5 = –0,3, was in einen rekonstruierten
Wert R'(i, j) =
(3 – 0,3)*255/3
= 229,5 resultiert. Sogar nach der inversen Gammakorrektur würde das
Ergebnis R(i, j) höchstwahrscheinlich
kleiner als 255 sein. Wählt
man, die Extrempunktebedingung aufrecht zu erhalten, wird, falls
C(i, j) = 3 ist, R(i, j) auf den Wert von 255 gezwungen.
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Wenn
die Extrempunktebedingungsoption gewählt ist, dann ist, wenn C(i,
j) = 0, R'(i, j)
= 0 ist und falls C(i, j) = (D – 1)
ist, R'(i, j) =
(2N – 1),
der Schritt des Abschneidens um sicher zu stellen, dass R' in dem Bereich 0 ≤ R' ≤ (2N – 1) nicht
notwendig. In dem Beispiel von N = 8 und D = 4, falls C(i, j) =
3 und T(k, l) = 0,8, dann gilt, unter Anwendung der Extrempunktebedingung,
R'(i, j) = 255.
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Inverse Gammakorrektur
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Falls
Gammakorrektur auf die originalen Bilddaten angewandt wird, dann
kann das rekonstruierte Bildfeld R(i, j) durch Anwenden der Inversen
der nicht-linearen Transformation auf jeden Wert in dem dequantisierten
Bildfeld aus R'(i,
j) erhalten werden. Mit anderen Worten, falls I'(i, j) = f{I(i, j)} die angewandte Gammakorrektur
ist, dann gilt R(i, j) = g{R'(i,
j)}, wobei die Funktion g das Inverse der Funktion f ist.
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Rekonstruktion über Nachschlagetabelle
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Um
den Rekonstruktionsprozess zu beschleunigen, wird eine Nachschlagetabelle
(Lookup table LUT) konstruiert, um die Deditheringkorrektur, Dequantisierung,
inverse Transformation, und falls als Option gewählt, Sicherstellen, dass die
Extrempunktebedingung erfüllt
ist, durchzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
beispielsweise, wenn eine Codierung auf 4 Bits pro Pixel pro Farbkomponente
stattfindet, wird ein 64 mal 64 Ditherfeld verwendet, und ein LUT
mit 16-Bit-Adressierung kann konstruiert werden. Entsprechend wird,
wenn Codierung auf 2 Bits pro Pixel pro Farbkomponente stattfindet,
ein 128 mal 128 Ditherfeld verwendet, und ein LUT mit 16-Bit-Adressierung kann
konstruiert werden. Für
eine 8 Bit pro Pixel pro Farbkomponente Aufbereitungsvorrichtung
ist der Inhalt von jedem LUT-Eintrag ein Byte, so dass für die obigen
Fälle eine
Nachschlagetabelle in 64 KBytes Speicher passen kann. Die Struktur
von solch einem LUT ist in 6 illustriert. Ein
Byte 602 in dem LUT 601 ist unter Verwendung einer
16-Bit-Adresse 603 adressierbar. Jedes 8-Bit Byte 602 in
dem Speicher stellt einen vollständig
rekonstruierten Bilddatenwert R(i, j) dar. Sich erinnernd, dass
für jeden
möglichen
codierten Bildwert C von einem bekannten Pixelort (i, j), wobei
0 ≤ C ≤ (D – 1) gilt,
der Eintrag R unter Verwendung von R(i, j) =
g{[C(i, j) + (T(k, l) – 0,5)]*(2N – 1)/(D – 1)}berechnet
werden muss, mit k = (i)mod(K) und l = (j)mod(L), bemerkt man, dass
man zusätzlich
zu C lediglich die log2K niederwertigst
signifikanten Bits in der Computerdarstellung von der Ganzzahl i
(dies ergibt k) und den log2L niederwertigst
signifikanten Bits der Computerdarstellung von der Ganzzahl j (dies
ergibt l) wissen muss. Auf diese Weise kann eine Adresse zu der
LUT durch den Code C, den log2K niederwertigst
signifikanten Bits in der Computerdarstellung von der Ganzzahl i
und den log2L niederwertigst signifikanten
Bits in der Computerdarstellung von der Ganzzahl j gebildet werden.
In der das LUT verwendenden bevorzugten Ausführungsform, für den Fall
von 8 Bits per Pixel per Farbkomponente, werden Ditherfelder mit
K = L = 64 = 26 für Bit-Raten-Reduktion um einen
Faktor von zwei verwendet, um 4-Bit-Codeworte zu ergeben, und werden Ditherfelder
mit K = L = 128 = 27 werden für eine Bit-Ratenreduktion um
einen Faktor von vier verwendet, um 2-Bit-Codeworte zu ergeben. In jedem Falle
sind 16 Bits ausreichend, eine LUT 601 zu adressieren.
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Die
216 8-Bit-Einträge, die jeder 16-Bit-Adresse 603 entsprechen,
werden wie folgt berechnet: Für
jeden möglichen
codierten Bildwert C von einem bekannten Pixelort (i, j) wird die
Adresse unter Verwendung von C, und den log2K
und log2L niederwertigst signifikanten Bits
von i und j. Für
diese Adresse wird Eintrag R unter Verwendung von R(i, j) = g{[C(i,
j) + (T(k, l) – 0,5)]*(2N – 1)/(D – 1)} berechnet,
wobei k = (i)mod(K) und l = (j)mod(L). Falls das Aufrechterhalten
der Extrempunktebedingung nicht gewählt ist, dann ist, falls R
nicht in den Bereich 0 ≤ R(i,
j) ≤ (2N – 1)
liegt, R(i, j) auf einen der Endpunkte dieses Bereiches abgeschnitten.
Falls das Aufrechterhalten der Extrempunktebedingung gewählt ist,
sind an den Orten, wo C(i, j) = 0 oder (D – 1) ist, die Eingabewerte
nicht korrigiert, um die Extrempunktebedingung aufrecht zu erhalten.
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Für dem Fall
des Codierens von 8 Bits pro Pixel auf 4 Bits pro Pixel unter Verwendung
eines 64 mal 64 Schwellwertfeldes, ist jedes berechnete 8-Bit-Byte
R(i, j) 602 an einer 16-Bit-Adresse 603 gespeichert,
welche durch Konkatenieren der 4-Bit-C(i, j)-Datenwerte 604 mit
den 6 niederwertigst signifikanten Bits 605 der Zahl i
und den 6 niederwertigst signifikanten Bits 606 der Zahl
j erhalten werden. Zum Beispiel, falls C(123, 458) = 12, dann würde der
letzte rekonstruierte Bildwert R(123, 458) an einer Adresse 1100
111011 001010 gespeichert werden, wobei 1100 die binäre Darstellung
von C = 12 ist und 111011 und 001010 die 6 niederwertigst signifikanten
Bits der binären
Darstellungen jeweils der spezifischen Indizes 123 und 458 sind.
Für den Fall
von Codierung von 8 Bits pro Pixel auf 2 Bits pro Pixel unter Verwendung
eines 128 mal 128 Schwellwertfeldes, ist jedes berechnete 8-Bit-Byte
R(i, j) 602 an einer 16-Bit-Adresse 603 gespeichert, welche
durch Konkatenieren der 2-Bit-C(i,
j)-Datenwerte mit den 7 niederwertigst signifikanten Bits der Zahl
i und den 7 niederwertigst signifikanten Bits der Zahl j erhalten
werden.
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Die
Erfindung kann mit LUT-Speichern die größer als 64 KBytes sind betrieben
werden oder mit Schwellwertfeldern von beliebiger Form oder Größe, ohne
von dem Geist oder dem Bereich der Erfindung abzuweichen.
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Erwartete
Leistungsverbesserung durch Verwendung eines Korrekturverfahrens Es
ist bekannt, dass ein Maß der
relativen Leistung eines Bit-Ratenreduktions- und -Rekonstruktionsschemas
das mittlere Fehlerquadrat ist (RMS, Root mean square). Der RMS-Fehler
hängt von
den Charakteristiken der Bilddaten sowie auch von der auf den Prozess
angewandten Übertragungsfunktion
ab. Für
eine beliebige Verteilung von Pixelwerten in einem digitalen Bild
und wenn keine Übertragungsfunktion
in dem Prozess angewandt wird ist der RMS-Fehler der Rekonstruktion
mit der erfindungsgemäßen Korrekturmethode
um einen Faktor von Wurzel (2) (ungefähr 1,4) reduziert im Vergleich
zu dem RMS-Fehler in dem Prozess mit einer Geradeausrekonstruktion,
eher als die Rekonstruktion mit der erfindungsgemäßen Korrekturmethode.
Der RMS-Fehler ist ein wenig erhöht
wenn die Extrempunktebedingung aufrechterhalten ist. Jedoch können unakzeptale
Artefakte erzeugt werden, wenn die Extrempunktebedingung nicht eingehalten
ist.
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Rekonstruktion
durch räumliches
Filtern
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In
einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird räumliches
Filtern in der Decodierphase verwendet. Entsprechend dieses modifizierten
Rekonstruktionsverfahrens, welches adaptiv gefiltertes Dither genannt
wird, für
die Endrekonstruktion, wird jedes rekonstruierte Pixel durch einen
Durchschnitt der rekonstruierten Werte in einer kleinen Nachbarschaft
(3 mal 3 Pixel in der bevorzugten Ausführungsform), welche bei dem
Pixel zentriert sind, ersetzt, wobei die rekonstruierten Werte der
unveränderten
Rekonstruktion mit dem erfindungsgemäßen Korrekturverfahren entsprechen.
Um das Verwischen von scharfen Kanten, wie zum Beispiel schwarzem
Text auf unbedrucktem Papier zu verhindern, wird Filtern nur angewandt,
wenn die relevante Nachbarschaft nur durch zwei aufeinanderfolgender Übergangswerte
codiert ist. Das heißt,
dass Filtern nur auf ansonsten rauschbehaftet rekonstruierte Bereiche
in dem Bild angewandt wird.
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Ein
Vorteil des veränderten
Rekonstruktionsschemas ist, dass es auf eine weite Vielzahl von
Codierschemen angewandt werden kann, zum Beispiel für die Pseudozufallsrauschcodierung.
Man mag sich erinnern, dass in dem Pseudozufallsverfahren ein Betrag
von Pseudozufallsrauschen während
der Codierung addiert wird und ein identischer Betrag von einer
identischen und synchronisierten Quelle von Pseudozufallsrauschen
während
des Decodierens subtrahiert wird. In der Druckersteuerungsanwendung
ist dies häufig
unmöglich,
weil der RIP-Pixel zum Codieren bei einer Ordnung generiert, welche
unterschiedlich von der Sequenziellrasterordnung ist, welche für das Auslesen
zu dem Aufbereiter erfordert ist, wodurch das Synchronisieren von
Pseudozufallsrauschquellen ausgeschlossen ist. Daher kann nur die
Codierung ohne das Subtrahieren von Pseudozufallsrauschen verwendet
werden, was für
gewöhnlich
zu verrauschten Bildern führt.
Das erfindungsgemäße adaptive
Filterrekonstruktionsverfahren ist in dieser Situation anwendbar.
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Details
der bevorzugten Ausführungsform
der adaptiven gefilterten Rekonstruktionsmethode sind wie folgt.
Wenn ein Bildwert an einem Pixelort (i, j) rekonstruiert wird, untersucht
man die 3-mal-3-Nachbarschaft um dieses Pixel herum. Wenn man definiert,
Cmin = Minimum {C(i', j'),
i – 1 ≤ i' ≤ i + 1, j – 1 ≤ j' ≤ j
+ 1} und Cmax = Maximum {C(i', j'), i – 1 ≤ i' ≤ i + 1, j – 1 ≤ j' ≤ j
+ 1}, dann ist Durchschnittsbildung in der Nachbarschaft in Abhängigkeit
von der Größe (Cmax – Cmin) angewandt, welches die Verbreitung von
Werten in der Nachbarschaft beschreibt. Falls (Cmax – Cmin) ≠ 1,
dann gilt R(i, j) = t(C(i, j)), ansonsten gilt R(i, j) = Durchschnitt
{t(c(i', j')} in dem Bereich
i – 1 ≤ i' ≤ i + 1, j – 1 ≤ j' ≤ j
+ 1.
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Die
Implementierung des adaptiv filternden Rekonstruktionsverfahrens
(adaptive filtered reconstruction method) in einer Druckersteuerung
erfordert das Hinzufügen
eines Drei-Raster-Zeilenpuffers zu dem Rasterleser, um die Bestimmung
von (Cmax – Cmin)
und dem Durchschnitt zu ermöglichen.
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Codierung
von Farbbildern
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Wenn
Farbbilder codiert werden (zum Beispiel CMY, CMYK oder RGB), wird
jede Komponente für
gewöhnlich
unabhängig
mit einem Schwellwertfeld verglichen. Es gibt eine Vielzahl von
Wegen, eine Mehrzahl von Schwellwertfeldern auf eine Mehrzahl von
Komponenten anzuwenden.
- 1. Das selbe Schwellwertfeld
könnte
auf alle Komponenten angewandt werden:
- 2. Das Schwellwertfeld für
jede Komponente könnte
um eine beliebige Zahl von Pixeln entweder horizontal, vertikal
oder sowohl horizontal als auch vertikal relativ zu jedem anderen
für jede
der Komponenten geschoben werden.
- 3. Für
bis zu vier Komponenten können
die Schwellwertfelder für
die verschiedenen Komponenten um Vielfache von 90 Grad relativ zueinander
gedreht werden. Für
CMYK-Bilder gilt, falls das originale Ditherfeld T(k, l) für Zyan verwendet
wird, um 90 Grad gedrehtes T(k, l) wird für Magenta verwendet, um 180 Grad gedrehtes
T(k, l) wird für
Gelb verwendet und um 270 Grad = –90 Grad gedrehtes T(k, l)
wird für
Schwarz verwendet. Für
RGB-Bilder gilt, falls das originale Ditherfeld T(k, l) für Rot verwendet
wird, dass um 90 Grad rotiertes T(k, l) und um 180 Grad rotiertes
T(k, l) jeweils für
die grünen
und die blauen Komponenten verwendet wird.
- 4. Die Schwellwertfeldadressen können für die verschiedenen Farbkomponenten
in Bezug zueinander umgedreht werden. Für CMYK-Bilder werden, für den Fall,
dass Ditherfelddimensionen K und L beide Potenzen von 2 sind, ist,
falls das originale Ditherfeld T(k, l) für Zyan verwendet wird, T(nicht(k),
l), T(k, nicht(l)) und T(nicht(k), nicht(l)) entsprechend für die Magenta-,
Gelb- und Schwarzkomponenten verwendet. Falls die Ditherfelddimensionen
K und L nicht Potenzen von 2 sind, dann ersetzt man in der obigen
Anordnung [K – (k
+ 1)] für
nicht(k) und [L – (l
+ 1)] für
nicht(l).
- 5. Ein unabhängiges
Schwellwertfeld kann für
jede Komponente generiert werden.
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Es
ist nicht notwendig, die Bit-Rate jeder Farbkomponente auf dieselbe
Zahl von Bits pro Pixel zu reduzieren. In einer verbesserten erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind Farben, von denen bekannt ist dass sie weniger zu der Wahrnehmung
von Farben beitragen, um mehr als die signifikanteren Farben reduziert.
Für CMY-
und CMYK-Bilder ist bekannt, dass das Auge empfindlicher gegenüber Variationen
in Magenta ist als gegenüber
Variationen in Zyan und empfindlicher gegenüber Variationen in Zyan ist
als gegenüber
Variationen in Gelb. Entsprechend ist bekannt, dass das Auge empfindlicher
gegenüber
Variationen in Grün
ist als gegenüber
Variationen in Rot und empfindlicher gegenüber Variationen in Rot als
Variationen in Blau. In einer verbesserten erfindungsgemäßen Ausführungsform
für 24-Bit-CMY-Daten,
wurde Zyan auf 4 Bits pro Pixel reduziert, Magenta auf 5 Bits pro
Pixel und Gelb auf 3 Bits pro Pixel für eine gesamte Reduktion auf 12-Bit-Daten.
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Flowchart
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
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Eine
Flowchart die das Verfahren für
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
illustriert, ist in 7 für eine Farbkomponente gezeigt.
Bei Schritt 701 ist ein Pixel der Komponente des zu druckenden
Bildes ausgewählt.
Bei Schritt 702 ist, falls gewünscht, eine nicht-lineare Transformation
auf den Pixelwert von der Komponente angewandt, um Gammakorrektur
für das
Bild bereitzustellen. Bei Schritt 703 ist das richtige
Codierintervall, definiert durch Index d, für den Pixel des Bildes bestimmt.
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Sobald
ein Codierintervall d bestimmt ist, ist der Pixelwert I(i, j) (oder
I'(i, j) falls gammakorrigiert),
in das Codierintervall bei Schritt 704 quantisiert und
der Offset I''(i, j) ist bei Schritt 705 innerhalb
des Codierintervalls normalisiert, so dass 0 ≤ I''(i,
j) ≤ 1 gilt.
Bei Schritt 706 ist der normalisierte Pixel-Offset-Wert
I''(i, j) einer Schwellwertoperation
gegen einen entsprechenden Wert eines Schwellwertfeldes unterzogen,
und der Pixelwert wird bei einem Schritt 707 in entweder
den Intervallindex d oder (d + 1), dem um Eins inkrementierten Intervallindex,
codiert.
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Sobald
jedes Pixel codiert ist, ist es in den Rahmenpuffer bei Schritt 708 gespeichert.
Bei Schritt 709 geht die Steuerung zurück zu Schritt 701,
falls zusätzliche
Bildpixel übrig
bleiben, um codiert zu werden. Schritte 701 bis 708 werden
wiederholt bis alle Pixel auf diese Weise codiert wurden.
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Die
obigen Schritte sind in dieser Ausführung als Pixel-für-Pixel ausgeführt angezeigt,
weil bei einigen RIPs, wie beispielsweise bei einem RIP, der einen
PostScript®-Interpretierer enthält, die
Pixel in einer nicht-sequenziellen
Ordnung verfügbar
sind.
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Sobald
eine volle Seite von codierten Pixelwerten in dem Rahmenpuffer gespeichert
ist, was dem Ende des RIPping entspricht, wird bei Schritt 710 das
codierte Bild durch den Rasterleserausgabeprozessor von dem Rahmenpuffer,
typischerweise Zeile für
Zeile, gelesen. Sobald diese codierte Information gelesen wird,
wird sie bei Schritt 711 rekonstruiert. Schritt 711 kann
unter Verwendung einer Nachschlagetabelle ausgeführt werden. Die Nachschlagetabelle
kann vorberechnet werden, so dass die Rekonstruktionsschritte des Deditherns,
Dequantisierens und Ausführens
der nicht-linearen inversen Transformation in einem Nachschlageschritt
ausgeführt
werden kann. In Alternativ kann die Steuerung von Schritt 710 nach
Schritt 711A voranschreiten, wo der Korrekturwert R''(k, l) berechnet wird, dann zu Schritt 711B,
wo der codierte Wert unter Verwendung des korrigierten Werts dequantisiert
wird, und dann zu Schritt 711C, wo, falls bei Schritt 702 eine nicht-lineare
Transformation durchgeführt
wurde, eine inverse Übertragungsfunktion
angewandt werden kann, um die Ausgabekomponente zu transformieren.
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Nachdem
Schritt 711 (oder, äquivalent,
Schritte 711A–C)
abgeschlossen ist, wird das rekonstruierte Bild bei Schritt 712 an
die Aufbereitungsvorrichtung, wie zum Beispiel einen Drucker oder
einen Kopierer, ausgegeben.
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In
einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden Schritt 711 oder Schritte 711A, B und C durch
adaptives räumliches
Filtern ersetzt, was mit dem Anwenden einer inversen Transformation
kombiniert werden kann, falls eine nicht-lineare inverse Transformation
bei Schritt 702 angewandt wurde.
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Auf
diese Weise ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von
Bit-Ratenreduktion und Rekonstruktion von Bilddaten unter Verwendung
eines Ditherfeldes offenbart.
