JP2004029639A - ビット数削減方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】狭いデジタルインタフェースにおいて、多諧調の動画を転送する。または低諧調の表示器において、多諧調の動画を表示する。
【解決手段】各色6ないし8ビットしかない表示装置やデジタルインタフェースに対し、擬似的に10ないし12ビットのデータを、表示ないし転送する。この擬似的な画像処理には、静止画に使われている組織的ディザ法およびブルーノイズマスク法を動画に拡張して使用する。
【選択図】 図1
【解決手段】各色6ないし8ビットしかない表示装置やデジタルインタフェースに対し、擬似的に10ないし12ビットのデータを、表示ないし転送する。この擬似的な画像処理には、静止画に使われている組織的ディザ法およびブルーノイズマスク法を動画に拡張して使用する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置などの表示装置および表示装置へのデジタルインタフェースに関する。特に動画における諧調数の変換に関する。
【0002】
また特に本発明は閾値マトリックス、及びそれを利用した階調変換方法とその装置に関するものである。
【0003】
また、アナログ映像をAD変換した後に諧調ビット数を減らしてから、MPEG2等の圧縮デジタル映像に変換する場合に関する。
【0004】
【従来の技術】
従来、たとえばSTNタイプの液晶モニターにおいて、複数フレームのON/OFFを使って諧調表現を行なうことが出来るが、画の切り替わりや、動きの速い動画では追従性が悪くなってしまい、あくまでも静止画用途である。このように単に、諧調表示を時分割で行なう方法では、TV放送や、映画、ビデオカメラで撮影したような動画像には対応できない。
【0005】
動画に対応した場合としては、一部のPDPや一部の液晶モニターにおいて、表示諧調数の足りない分を単純ディザ法により補っている例がある。単純ディザ法では例えば4x4画素の平均値をとるので、境界部分などでぼやっとした画になってしまう。また、ディザのブロック境界が目立ってしまう。
【0006】
単純ディザ法の別のより良い方法として、処理が簡便で速度が速い階調変換方法として、独立決定型ディザ法が知られている。
【0007】
独立決定型ディザ法では入力画像の画素値と閾値とを一点対一点で比較し、出力値を決定する。この方法は、注目する画素のみを独立で処理し、周囲の画素に関する処理を行わないため処理速度が速い。この方法は閾値の与え方の違いにより、ランダムディザ法と組織的ディザ法の二つに分類される。
【0008】
ランダムディザ法は、閾値を各画素毎にランダムに変える手法である。この方法で生成されたドットパターンは白色ノイズ特性をもち、モアレが発生しないという長所があるが、粒状性が目立つため画質は良くなく、現在ほとんど用いられていない。
【0009】
一方、組織的ディザ法は閾値を配列した閾値マトリクス(ディザマトリクス、マスクなどとも呼ばれる)を用いる方法であり、閾値マトリクスの閾値の配列の仕方によって、大きくドット集中型とドット分散型に分けられる。
【0010】
ドット集中型は、階調数が増えるにつれ、閾値マトリクスの中心に対応する位置にドットが密接して増えていくものである。この方法で生成されるドットパターンは空間周波数が低いために、比較的精細度の低い出力機器の場合は画質が悪く、精細度の高い印刷分野などで用いられており、表示器には不向きである。
【0011】
ドット分散型は、出力パターンのドット配列が空間的に分散するように閾値マトリクスが設計されているもので、代表的なものとしてBayer型組織的ディザ法が従来から知られている(参考文献:An Optical method for two−level rendition of continuous−tone pictures, Bayer, Proc. IEEE Int. Conf. Commun., Conference Rec. p.26−11,1973)。Bayer型組織的ディザ法では閾値配列が極めて規則的なために、一様なグレイレベルの入力画像を中間階調処理すると、すべての階調の入力画像に対して極めて規則的な出力パターンが生成される。そのため、ドットパターンの一様性は良いが、出力機器の精細度が低いと、閾値マトリクスのサイズ(諧調を10ビットから6ビットへと4ビット分減らす場合8×4)の周期で目障りなテクスチャ(ディザパターン)が知覚されたり、また、入力画像に周期パターンが含まれると出力画像にモアレが発生することがあるという問題がある。
【0012】
これに対し近年、出力画像のドットパターンが青色ノイズパターンである場合に、良好な画質が得られることが知られるようになった(R.L.Ulichney, Dithering with Blue Noise, Proc. IEEE, vol.76, No.1, p.56)。青色ノイズパターンとは、非周期的、等方的で、低周波成分の少ないノイズ成分で構成されるパワースペクトル(青色ノイズ特性)を持つことを特徴とする。Ulichneyは従来の誤差拡散法に不規則性を導入した摂動誤差拡散法を考案し、青色ノイズパターンを実現した。
【0013】
この青色ノイズパターンを組織的ディザ法の手法を用いて実現するために提案された方法が、青色ノイズマスク法である。(特許公報第2622429号、USP5,111,310、T.Mitsa and K.J.Parker, Digital halftoning technique using a blue−noise mask, J.Opt.Soc.Am, vol.9, No.11, pp.1920−1929(1992))青色ノイズマスク法を用いてマスクサイズの一様なグレイレベルの入力画像を処理すると、出力されたドットパターンは青色ノイズ特性を持つ。したがって、Ulichneyの摂動誤差拡散法と同様にモアレは発生せず、ランダムディザ法に比べて粒状感は少ない。また、摂動誤差拡散法に比べ、演算が簡便で処理速度が速い。
【0014】
しかしながら、青色ノイズマスク法で作られたドットパターンは、階調数によってはドットの分布の一様性が悪く、出力画面にムラが現れる欠点がある。
【0015】
またここで、青色ノイズマスク法で作られたドットパターンは、組織的ディザ法に比べて大きなサイズの閾値マトリクステーブルを必要とする。例えば、諧調を10ビットから6ビットへと4ビット分減らす場合、少なくとも32x16のサイズのマスクを必要とするので、表示装置のような低解像度では、32x16のサイズにてムラが目立ちやすい。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
表示器の諧調数が6ビット〜8ビットであり、また信号伝送路がDVI−D規格のように8ビットであるような低諧調数である場合に、美しい動画像であるところの10〜12ビットの諧調数から、表示器や伝送路に合わせた所望の諧調数に変換する必要がある。
【0017】
このような場合における動画において必要とされている諧調数変換方法は、全ての諧調において目障りなテクスチャ(ディザパターン)が知覚されたり、入力画像に周期パターンが含まれる場合のモアレの発生することが無く、しかも出力画にムラのない方法である。
【0018】
(目 的)
全ての諧調において目障りなテクスチャ(ディザパターン)が知覚されたり、入力画像に周期パターンが含まれる場合のモアレの発生することが無く、しかも出力画にムラのないようにビット数を削減する動画映像の諧調数変換方法を提供する。
【0019】
【課題を解決するための手段】
閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに異なる閾値マトリックステーブルを用いることを特徴とする、ビット数削減方法が提供される。
【0020】
あるいは、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに青色ノイズマスクの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法が提供される。
【0021】
あるいは閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに閾値マトリックステーブルの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法が提供される。
【0022】
(作 用)
本発明のビット数削減方法によれば、例えば各色6ないし8ビットしかない表示装置やデジタルインタフェースに対し、擬似的に10ないし12ビットのデータを、表示ないし転送する。
【0023】
最初のフレームにおいて、入力した階調データから削減対象のビット数+1だけの下位ビットを切り出し、この下位ビットと閾値マトリックステーブルを比較し、その比較結果による1あるいは0を上記諧調データの上位ビットに結合したものを、表示装置ならびに伝送装置に出力する。
【0024】
次のフレームにおいては、上記と異なる閾値マトリックステーブルと比較し、同様の動作をする。
【0025】
【発明の実施の形態】
<従来例の処理装置の構成例>
図1は従来例において画像を処理するための基本的なシステムを示す。同図において10は入力画像11を走査する例えばスキャナ等の画像入力装置である。この装置では、連続階調をもった入力画像11に対し、階調数を例えば256階調にデジタル化したり、γ補正、各種色変換などを行う前処理部12が設けられている。
【0026】
13は階調処理装置であり、マスク14を記憶するメモリ15と、入力画像の各画素の階調数と、対応するマスクの値(閾値)を比較し、それに応じて出力値を決定する比較器16を含む。
【0027】
17は比較器16からの出力値に基づいて形成された出力画像18を表示や印刷等の形式で出力する装置である。
【0028】
この従来例は、静止画のものである。従来例においては動画においても、フレーム単位でマスクを変更せず静止画と全く同じ処理をするので、動画と静止画の違いは無い。
【0029】
図2は、組織的ディザマトリックスにおける閾値マトリックス(マスク14)の例である。比較するビット数にあわせて、マスクサイズは異なる。図中21は、2ビットを比較するための2x2サイズのマスク、22は3ビットを比較するための2x4サイズのマスク、23は4ビットを比較するための4x4サイズのマスク、24は5ビットを比較するための8x4サイズのマスク、である。
【0030】
図示したものは、それぞれの削減ビット数における最小マスクであり、冗長な数字を使用すれば、これ以上のサイズを使用することが出来る。また、マスクの形状も2x2の代わりに1x4とするなど、任意である。従来はこのような固定的マスクを使用して、図1のブロックにて処理を行なう。
【0031】
本発明第1実施例を図3から図8に示す。
【0032】
図3は、本発明において映像を処理するための基本的なシステムを示す。図中、30は、外部から入力映像を入力するビデオカメラなどの装置である。この装置では、連続階調をもった入力画像11に対し、階調数を例えば256階調にデジタル化したり、γ補正、各種色変換などを行う前処理部12が設けられている。
【0033】
31は、外部の機器から直接デジタル信号にて映像が送られてくる場合の入力インタフェースである。階調処理部では、マスク34、35,36,37を記憶するメモリ33と、入力映像の各画素の下位階調部と、対応するマスクの値(閾値)を比較し、それに応じて出力値を決定する比較器32を含む。
【0034】
17は比較器16からの出力値に基づいて形成された出力映像18を表示する装置である。また、43は外部の機器に直接デジタル信号にて映像を送る出力インタフェースである。
【0035】
入力装置30あるいは入力インタフェース31から入力されたデジタル映像38は、たとえば1秒間に30フレーム、720x480の解像度を持ち、YCrCbあるいはRGBの各色10ビットの諧調数を持つ信号である。
【0036】
このデジタル映像の各色諧調数10ビットから各色それぞれにつき4ビット分を落とす場合、上位ビット39を上位5ビットとし、下位ビット40を下位5ビットに切り分ける。そして、下位5ビットは0から31までの値を持つので、これを比較器32にて、マスク34から37のうちの一つと比較する。比較するマスク内の位置は、当該画素のライン位置およびラスター位置により決定される。マスク34、35,36,37は0から31までの値を割り振ったものであり、詳しくは図5にて示す。
【0037】
比較するマスクは、フレーム毎に、異なるものを使用するために、フレームが代わるたびに、マスク34、35,36,37の順に使用するが、この順番は別の順番でもかまわない。比較した時の結果により、下位ビット40の方が対応するマスクの値より大きい時に1、小さい時に0を出力する。(信号41)これを下位1ビットとして、先ほどの上位5ビットに付加したものが求める出力6ビットの信号42である。
【0038】
このようにして、諧調数の変換を行なうことが出来る。図4は、映像データから1ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス、である。これは、図2における2x2サイズのマスク21に対して、マスク内の各数値の位置を変更した4つのマスク46から49によって、実施される。
【0039】
図5は、映像データから4ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス、である。これは、図2における8x4サイズのマスク24に対して、マスク内の各数値の位置を変更した4つのマスク51から54によって、実施される。
【0040】
本図では対応フレーム数が4の場合を示したが、4である必然性は無く、マスク数を3としたり5としたり、その数は任意である。マスクが1種類である時には、目立ったパターンがあったものが、マスク数が増えるにつれ、なくなってくる。その様子は下記する。ここで、マスク数をあまり増やした場合、メモリ容量が増えてしまう問題がある。メモリ容量を小さくする場合には、基本パターンであるマスク24に対し、フレーム数かける定数を加えたものをマスクとすればよい。式で書くと各フレームで使用するマスク=基本マスク+フレーム番号F*定数Mただし、繰り上がりビットは無視する。定数Mは、計算上はいくつでも良いが、その値によって、出力映像は変わってくるので、良い値を選ぶ必要がある。ちなみに図5において52から54は、定数Mは7とした場合のマスクであり、下記するような出力の特徴がある。
【0041】
なおフレーム番号は、映像の処理を始めた時点のフレームを0とし、次のフレームを1とし、上限がマスクの数―1まで、0から繰り返す数である。
【0042】
図6は、下位5ビットの諧調を表わすデータが00011Bだったような一様な諧調を持つフレームを、マスク24と比較した出力である。図中、61は映像のフレームを各画素単位に分解した枠であり、62は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時にマスク24と比較した出力が1となる画素、である。このように一種類の基本マスク24だけで、組織的ディザ法を行なうと、図のように、特定のパターンが現れる。
【0043】
図7は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク51〜54と比較した出力である。図中、71は映像の第0フレームを各画素単位に分解した枠であり、73は映像の第1フレームを各画素単位に分解した枠であり、75は映像の第2フレームを各画素単位に分解した枠であり、71は映像の第3フレームを各画素単位に分解した枠であり、72は、各画素の下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク51と比較した出力が1となる画素、74は、下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク52と比較した出力が1となる画素、76は、下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク53と比較した出力が1となる画素、78は、下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク54と比較した出力が1となる画素、である。
【0044】
このようにフレーム毎に、異なったマスクを使用することによって、組織的ディザ法によって現れる、特定のパターンが異なってくる。図8は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計である。図中、81は映像の4フレームを各画素単位に分解した枠であり、82は、出力72,74,76,78、の合計である。
【0045】
図7のようにフレーム毎に、異なったマスクを使用したが、結局特定のパターンが現れているのがわかる、しかし、各画素は72,74,76,78の合計であることから、各画素は4フレームに1回のみ1となり、残りのフレームは0となるので、目に感じる明るさや濃度変化は62に比較すると、平均して4分の1となる。またパターンが順次変化するので、パターンそのものが目立たなくなる。
【0046】
第2実施例においては、基本となる構成は図3と同じであるが、使用するマスクおよびサイズが異なる。図9は、映像データから4ビット諧調を減らす場合の基本マスクを4分割した組織的ディザマトリックス、である。これは、図2における8x4サイズのマスク24を、2x4サイズの4つのマスク91から94に分割したマスクを使用して、実施される。
【0047】
図10は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク91〜94と比較した出力である。図中、111は映像の第0フレームを各画素単位に分解した枠であり、112は映像の第1フレームを各画素単位に分解した枠であり、113は映像の第2フレームを各画素単位に分解した枠であり、114は映像の第3フレームを各画素単位に分解した枠であり、115は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時にマスク91と比較した出力が1となる画素、116は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時にマスク93と比較した出力が1となる画素、である。
【0048】
この例では、フレーム枠112および114では、それぞれマスク92、94と比較した結果、1となる画素はない。フレーム毎に、元の分解したマスクを使用することによって、各フレームによって、1となる画素数が変化するが、個々のパターンは図7と比較して細かくなる。
【0049】
図11は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計である。図中、121は映像の4フレームを各画素単位に分解した枠であり、122と123は、出力115,116の合計であり、122は4フレーム中1回のみ1である画素、123は4フレーム中2回1である画素、である。
【0050】
第2実施例においてもフレーム毎に、異なったマスクを使用したが、結局特定のパターンが現れているのがわかる、しかし、そのパターンサイズは小さく、画面内での距離的周期は短いので、十分離れて視聴する場合、パターンそのものが目立たなくなる。
【0051】
第3実施例においては、基本となる構成は図3と同じであり、使用するマスクが異なる。ここで、上述のように「青色ノイズ」とは、R.Ulichneyが彼の著書「デジタルハーフトーン化(Digital Halftoning)」において記載しているような、特定の好ましい視覚特性を有し低周波数成分を殆ど持たないパタンであり、
青色ノイズマスクの作り方については、特許登録02622429 等の文献に詳説されており、図13の手順にて作成することが出来る。
【0052】
実施例では、青色ノイズマスクを用いて、動画の諧調変換を行なう例を示す。青色ノイズマスク法で作られたドットパターンは、組織的ディザ法に比べて大きなサイズの閾値マトリクステーブルを必要とする。例えば、諧調を10ビットから6ビットへと4ビット分減らす場合、少なくとも32x16のサイズのマスクを必要とする。
【0053】
以下では、説明および図を簡単にするために諧調を2ビット分減らす場合を示す。マスクサイズは16X8である。
【0054】
図14は、下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクと比較した出力例である。図中、151は、出力の枠、152は、青色ノイズマスクと映像の下位3ビットを比較して、映像の方が大きかった画素、である。
【0055】
図のように、映像が一様の諧調であった場合は、青色ノイズマスクのサイズの繰り返しにおいて、部分的なムラの繰り返しが生じる。
【0056】
図13は、本発明第3実施例の青色ノイズマスクを用いて諧調変換を行なう方法を示すブロック図である。図中、10〜43は第1図と同様、141は、青色ノイズマスクを記憶しているメモリ、142は青色ノイズマスク、143はフレーム毎にあらかじめ決めておいた定数を出力するブロック、144は加算器、である。
【0057】
図15は、下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクに定数を加えたものと比較した出力例である。図中、161、163,165,167,169はマスクに対応する出力画素の枠、162は第0フレームと基本マスクとの比較結果で1となる点、164は第1フレームと基本マスクに定数を加えたものとの比較結果で1となる点、166は第2フレームと基本マスクに定数の2倍を加えたものとの比較結果で1となる点、168は第3フレームと基本マスクに定数の3倍を加えたものとの比較結果で1となる点、170は4フレーム分の映像において比較結果が1となる点、である。
【0058】
この場合、フレームを更新するごとに、ある定数(例えば2)を加えていく例であり、011B以下のマスクデータの位置は、マスクごとに変化している。それゆえ、4フレームの合計を示す169,170では、それぞれの画素が、4フレームに1回のみ1となっている。ただし、定数の与え方や元の画素の値によっては、4フレーム中に2〜4回1となる点が現れる。
【0059】
この方法では、青色ノイズマスク法特有のムラがフレームごとに移動することにより、視聴者からムラが判別できないようにすることが出来る。第4実施例では、青色ノイズマスクをフレーム毎に分解して使用する場合を示す。
【0060】
図16は、青色ノイズマスクの基本マスクを4分割した場合の出力を示す。図中、191、193,195,197,199は分割マスク0〜3に対応する出力画素の枠、192は第0フレームと分割マスク0との比較結果で1となる点、194は第1フレームと分割マスク1との比較結果で1となる点、196は第2フレームと分割マスク2との比較結果で1となる点、198は第3フレームと分割マスク3との比較結果で1となる点、200は4フレーム分の映像において比較結果が1となる点、である。
【0061】
基本マスクによる出力161,162を4分割したものと同じになる。この場合、フレームを更新するごとに、マスクを使用する部分が異なり、4フレーム分で1つのマスクを使用する。それゆえ、4フレームの合計を示す199,200では、それぞれの画素が、4フレームに1回のみ1となっている。ただし、元の画素の値によっては、4フレーム中に2〜4回1となる点が現れる。
【0062】
この方法では、画素200のように、小さいエリアにて、ムラが偏らない出力が得られる。
【0063】
【発明の効果】
本発明により以下の効果がある。
【0064】
DVI−D規格のような諧調幅の狭いデジタルインタフェースにおいても、それ以上の多諧調の動画と同様に見えるような動画を転送することができる。低諧調の表示器においても、それ以上に多諧調の表示機と同様のレベルで動画像を表示できる。放送局からのデジタル放送のように諧調数が定まっている場合において、それ以上に多諧調の動画と同様のレベルで放送することができる。
【0065】
諧調変換処理においてバッファメモリを必要としないので、低コストである。画面の切り替わりなどにおいても、過去のフレームの影響を受けないので、素早い動きに対応できる。
【0066】
低解像度のディスプレイにおいても、マスクサイズが小さいので、マスクによるテクスチャおよびモアレおよびムラが目立たない。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来例において画像を処理するための基本的なシステム
【図2】組織的ディザマトリックスにおける閾値マトリックス(マスク14)の例
【図3】本発明において映像を処理するための基本的なシステム
【図4】映像データから1ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス
【図5】映像データから4ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス
【図6】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク24と比較した出力
【図7】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク51〜54と比較した出力
【図8】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計
【図9】は、映像データから4ビット諧調を減らす場合の基本マスクを4分割した組織的ディザマトリックス
【図10】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク91〜94と比較した出力の合計
【図11】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計
【図12】制御フロー図
【図13】本発明第3実施例の青色ノイズマスクを用いて諧調変換を行なう方法を示すブロック図
【図14】下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクと比較した出力例
【図15】下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクに定数を加えたものと比較した出力例
【図16】青色ノイズマスクの基本マスクを4分割した場合の出力
【符号の説明】
10 画像入力装置
11 入力画像
12 前処理部
13 階調処理装置
14 マスク
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置などの表示装置および表示装置へのデジタルインタフェースに関する。特に動画における諧調数の変換に関する。
【0002】
また特に本発明は閾値マトリックス、及びそれを利用した階調変換方法とその装置に関するものである。
【0003】
また、アナログ映像をAD変換した後に諧調ビット数を減らしてから、MPEG2等の圧縮デジタル映像に変換する場合に関する。
【0004】
【従来の技術】
従来、たとえばSTNタイプの液晶モニターにおいて、複数フレームのON/OFFを使って諧調表現を行なうことが出来るが、画の切り替わりや、動きの速い動画では追従性が悪くなってしまい、あくまでも静止画用途である。このように単に、諧調表示を時分割で行なう方法では、TV放送や、映画、ビデオカメラで撮影したような動画像には対応できない。
【0005】
動画に対応した場合としては、一部のPDPや一部の液晶モニターにおいて、表示諧調数の足りない分を単純ディザ法により補っている例がある。単純ディザ法では例えば4x4画素の平均値をとるので、境界部分などでぼやっとした画になってしまう。また、ディザのブロック境界が目立ってしまう。
【0006】
単純ディザ法の別のより良い方法として、処理が簡便で速度が速い階調変換方法として、独立決定型ディザ法が知られている。
【0007】
独立決定型ディザ法では入力画像の画素値と閾値とを一点対一点で比較し、出力値を決定する。この方法は、注目する画素のみを独立で処理し、周囲の画素に関する処理を行わないため処理速度が速い。この方法は閾値の与え方の違いにより、ランダムディザ法と組織的ディザ法の二つに分類される。
【0008】
ランダムディザ法は、閾値を各画素毎にランダムに変える手法である。この方法で生成されたドットパターンは白色ノイズ特性をもち、モアレが発生しないという長所があるが、粒状性が目立つため画質は良くなく、現在ほとんど用いられていない。
【0009】
一方、組織的ディザ法は閾値を配列した閾値マトリクス(ディザマトリクス、マスクなどとも呼ばれる)を用いる方法であり、閾値マトリクスの閾値の配列の仕方によって、大きくドット集中型とドット分散型に分けられる。
【0010】
ドット集中型は、階調数が増えるにつれ、閾値マトリクスの中心に対応する位置にドットが密接して増えていくものである。この方法で生成されるドットパターンは空間周波数が低いために、比較的精細度の低い出力機器の場合は画質が悪く、精細度の高い印刷分野などで用いられており、表示器には不向きである。
【0011】
ドット分散型は、出力パターンのドット配列が空間的に分散するように閾値マトリクスが設計されているもので、代表的なものとしてBayer型組織的ディザ法が従来から知られている(参考文献:An Optical method for two−level rendition of continuous−tone pictures, Bayer, Proc. IEEE Int. Conf. Commun., Conference Rec. p.26−11,1973)。Bayer型組織的ディザ法では閾値配列が極めて規則的なために、一様なグレイレベルの入力画像を中間階調処理すると、すべての階調の入力画像に対して極めて規則的な出力パターンが生成される。そのため、ドットパターンの一様性は良いが、出力機器の精細度が低いと、閾値マトリクスのサイズ(諧調を10ビットから6ビットへと4ビット分減らす場合8×4)の周期で目障りなテクスチャ(ディザパターン)が知覚されたり、また、入力画像に周期パターンが含まれると出力画像にモアレが発生することがあるという問題がある。
【0012】
これに対し近年、出力画像のドットパターンが青色ノイズパターンである場合に、良好な画質が得られることが知られるようになった(R.L.Ulichney, Dithering with Blue Noise, Proc. IEEE, vol.76, No.1, p.56)。青色ノイズパターンとは、非周期的、等方的で、低周波成分の少ないノイズ成分で構成されるパワースペクトル(青色ノイズ特性)を持つことを特徴とする。Ulichneyは従来の誤差拡散法に不規則性を導入した摂動誤差拡散法を考案し、青色ノイズパターンを実現した。
【0013】
この青色ノイズパターンを組織的ディザ法の手法を用いて実現するために提案された方法が、青色ノイズマスク法である。(特許公報第2622429号、USP5,111,310、T.Mitsa and K.J.Parker, Digital halftoning technique using a blue−noise mask, J.Opt.Soc.Am, vol.9, No.11, pp.1920−1929(1992))青色ノイズマスク法を用いてマスクサイズの一様なグレイレベルの入力画像を処理すると、出力されたドットパターンは青色ノイズ特性を持つ。したがって、Ulichneyの摂動誤差拡散法と同様にモアレは発生せず、ランダムディザ法に比べて粒状感は少ない。また、摂動誤差拡散法に比べ、演算が簡便で処理速度が速い。
【0014】
しかしながら、青色ノイズマスク法で作られたドットパターンは、階調数によってはドットの分布の一様性が悪く、出力画面にムラが現れる欠点がある。
【0015】
またここで、青色ノイズマスク法で作られたドットパターンは、組織的ディザ法に比べて大きなサイズの閾値マトリクステーブルを必要とする。例えば、諧調を10ビットから6ビットへと4ビット分減らす場合、少なくとも32x16のサイズのマスクを必要とするので、表示装置のような低解像度では、32x16のサイズにてムラが目立ちやすい。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
表示器の諧調数が6ビット〜8ビットであり、また信号伝送路がDVI−D規格のように8ビットであるような低諧調数である場合に、美しい動画像であるところの10〜12ビットの諧調数から、表示器や伝送路に合わせた所望の諧調数に変換する必要がある。
【0017】
このような場合における動画において必要とされている諧調数変換方法は、全ての諧調において目障りなテクスチャ(ディザパターン)が知覚されたり、入力画像に周期パターンが含まれる場合のモアレの発生することが無く、しかも出力画にムラのない方法である。
【0018】
(目 的)
全ての諧調において目障りなテクスチャ(ディザパターン)が知覚されたり、入力画像に周期パターンが含まれる場合のモアレの発生することが無く、しかも出力画にムラのないようにビット数を削減する動画映像の諧調数変換方法を提供する。
【0019】
【課題を解決するための手段】
閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに異なる閾値マトリックステーブルを用いることを特徴とする、ビット数削減方法が提供される。
【0020】
あるいは、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに青色ノイズマスクの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法が提供される。
【0021】
あるいは閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに閾値マトリックステーブルの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法が提供される。
【0022】
(作 用)
本発明のビット数削減方法によれば、例えば各色6ないし8ビットしかない表示装置やデジタルインタフェースに対し、擬似的に10ないし12ビットのデータを、表示ないし転送する。
【0023】
最初のフレームにおいて、入力した階調データから削減対象のビット数+1だけの下位ビットを切り出し、この下位ビットと閾値マトリックステーブルを比較し、その比較結果による1あるいは0を上記諧調データの上位ビットに結合したものを、表示装置ならびに伝送装置に出力する。
【0024】
次のフレームにおいては、上記と異なる閾値マトリックステーブルと比較し、同様の動作をする。
【0025】
【発明の実施の形態】
<従来例の処理装置の構成例>
図1は従来例において画像を処理するための基本的なシステムを示す。同図において10は入力画像11を走査する例えばスキャナ等の画像入力装置である。この装置では、連続階調をもった入力画像11に対し、階調数を例えば256階調にデジタル化したり、γ補正、各種色変換などを行う前処理部12が設けられている。
【0026】
13は階調処理装置であり、マスク14を記憶するメモリ15と、入力画像の各画素の階調数と、対応するマスクの値(閾値)を比較し、それに応じて出力値を決定する比較器16を含む。
【0027】
17は比較器16からの出力値に基づいて形成された出力画像18を表示や印刷等の形式で出力する装置である。
【0028】
この従来例は、静止画のものである。従来例においては動画においても、フレーム単位でマスクを変更せず静止画と全く同じ処理をするので、動画と静止画の違いは無い。
【0029】
図2は、組織的ディザマトリックスにおける閾値マトリックス(マスク14)の例である。比較するビット数にあわせて、マスクサイズは異なる。図中21は、2ビットを比較するための2x2サイズのマスク、22は3ビットを比較するための2x4サイズのマスク、23は4ビットを比較するための4x4サイズのマスク、24は5ビットを比較するための8x4サイズのマスク、である。
【0030】
図示したものは、それぞれの削減ビット数における最小マスクであり、冗長な数字を使用すれば、これ以上のサイズを使用することが出来る。また、マスクの形状も2x2の代わりに1x4とするなど、任意である。従来はこのような固定的マスクを使用して、図1のブロックにて処理を行なう。
【0031】
本発明第1実施例を図3から図8に示す。
【0032】
図3は、本発明において映像を処理するための基本的なシステムを示す。図中、30は、外部から入力映像を入力するビデオカメラなどの装置である。この装置では、連続階調をもった入力画像11に対し、階調数を例えば256階調にデジタル化したり、γ補正、各種色変換などを行う前処理部12が設けられている。
【0033】
31は、外部の機器から直接デジタル信号にて映像が送られてくる場合の入力インタフェースである。階調処理部では、マスク34、35,36,37を記憶するメモリ33と、入力映像の各画素の下位階調部と、対応するマスクの値(閾値)を比較し、それに応じて出力値を決定する比較器32を含む。
【0034】
17は比較器16からの出力値に基づいて形成された出力映像18を表示する装置である。また、43は外部の機器に直接デジタル信号にて映像を送る出力インタフェースである。
【0035】
入力装置30あるいは入力インタフェース31から入力されたデジタル映像38は、たとえば1秒間に30フレーム、720x480の解像度を持ち、YCrCbあるいはRGBの各色10ビットの諧調数を持つ信号である。
【0036】
このデジタル映像の各色諧調数10ビットから各色それぞれにつき4ビット分を落とす場合、上位ビット39を上位5ビットとし、下位ビット40を下位5ビットに切り分ける。そして、下位5ビットは0から31までの値を持つので、これを比較器32にて、マスク34から37のうちの一つと比較する。比較するマスク内の位置は、当該画素のライン位置およびラスター位置により決定される。マスク34、35,36,37は0から31までの値を割り振ったものであり、詳しくは図5にて示す。
【0037】
比較するマスクは、フレーム毎に、異なるものを使用するために、フレームが代わるたびに、マスク34、35,36,37の順に使用するが、この順番は別の順番でもかまわない。比較した時の結果により、下位ビット40の方が対応するマスクの値より大きい時に1、小さい時に0を出力する。(信号41)これを下位1ビットとして、先ほどの上位5ビットに付加したものが求める出力6ビットの信号42である。
【0038】
このようにして、諧調数の変換を行なうことが出来る。図4は、映像データから1ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス、である。これは、図2における2x2サイズのマスク21に対して、マスク内の各数値の位置を変更した4つのマスク46から49によって、実施される。
【0039】
図5は、映像データから4ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス、である。これは、図2における8x4サイズのマスク24に対して、マスク内の各数値の位置を変更した4つのマスク51から54によって、実施される。
【0040】
本図では対応フレーム数が4の場合を示したが、4である必然性は無く、マスク数を3としたり5としたり、その数は任意である。マスクが1種類である時には、目立ったパターンがあったものが、マスク数が増えるにつれ、なくなってくる。その様子は下記する。ここで、マスク数をあまり増やした場合、メモリ容量が増えてしまう問題がある。メモリ容量を小さくする場合には、基本パターンであるマスク24に対し、フレーム数かける定数を加えたものをマスクとすればよい。式で書くと各フレームで使用するマスク=基本マスク+フレーム番号F*定数Mただし、繰り上がりビットは無視する。定数Mは、計算上はいくつでも良いが、その値によって、出力映像は変わってくるので、良い値を選ぶ必要がある。ちなみに図5において52から54は、定数Mは7とした場合のマスクであり、下記するような出力の特徴がある。
【0041】
なおフレーム番号は、映像の処理を始めた時点のフレームを0とし、次のフレームを1とし、上限がマスクの数―1まで、0から繰り返す数である。
【0042】
図6は、下位5ビットの諧調を表わすデータが00011Bだったような一様な諧調を持つフレームを、マスク24と比較した出力である。図中、61は映像のフレームを各画素単位に分解した枠であり、62は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時にマスク24と比較した出力が1となる画素、である。このように一種類の基本マスク24だけで、組織的ディザ法を行なうと、図のように、特定のパターンが現れる。
【0043】
図7は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク51〜54と比較した出力である。図中、71は映像の第0フレームを各画素単位に分解した枠であり、73は映像の第1フレームを各画素単位に分解した枠であり、75は映像の第2フレームを各画素単位に分解した枠であり、71は映像の第3フレームを各画素単位に分解した枠であり、72は、各画素の下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク51と比較した出力が1となる画素、74は、下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク52と比較した出力が1となる画素、76は、下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク53と比較した出力が1となる画素、78は、下位5ビットの諧調が00011Bの時にマスク54と比較した出力が1となる画素、である。
【0044】
このようにフレーム毎に、異なったマスクを使用することによって、組織的ディザ法によって現れる、特定のパターンが異なってくる。図8は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計である。図中、81は映像の4フレームを各画素単位に分解した枠であり、82は、出力72,74,76,78、の合計である。
【0045】
図7のようにフレーム毎に、異なったマスクを使用したが、結局特定のパターンが現れているのがわかる、しかし、各画素は72,74,76,78の合計であることから、各画素は4フレームに1回のみ1となり、残りのフレームは0となるので、目に感じる明るさや濃度変化は62に比較すると、平均して4分の1となる。またパターンが順次変化するので、パターンそのものが目立たなくなる。
【0046】
第2実施例においては、基本となる構成は図3と同じであるが、使用するマスクおよびサイズが異なる。図9は、映像データから4ビット諧調を減らす場合の基本マスクを4分割した組織的ディザマトリックス、である。これは、図2における8x4サイズのマスク24を、2x4サイズの4つのマスク91から94に分割したマスクを使用して、実施される。
【0047】
図10は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク91〜94と比較した出力である。図中、111は映像の第0フレームを各画素単位に分解した枠であり、112は映像の第1フレームを各画素単位に分解した枠であり、113は映像の第2フレームを各画素単位に分解した枠であり、114は映像の第3フレームを各画素単位に分解した枠であり、115は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時にマスク91と比較した出力が1となる画素、116は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時にマスク93と比較した出力が1となる画素、である。
【0048】
この例では、フレーム枠112および114では、それぞれマスク92、94と比較した結果、1となる画素はない。フレーム毎に、元の分解したマスクを使用することによって、各フレームによって、1となる画素数が変化するが、個々のパターンは図7と比較して細かくなる。
【0049】
図11は、下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計である。図中、121は映像の4フレームを各画素単位に分解した枠であり、122と123は、出力115,116の合計であり、122は4フレーム中1回のみ1である画素、123は4フレーム中2回1である画素、である。
【0050】
第2実施例においてもフレーム毎に、異なったマスクを使用したが、結局特定のパターンが現れているのがわかる、しかし、そのパターンサイズは小さく、画面内での距離的周期は短いので、十分離れて視聴する場合、パターンそのものが目立たなくなる。
【0051】
第3実施例においては、基本となる構成は図3と同じであり、使用するマスクが異なる。ここで、上述のように「青色ノイズ」とは、R.Ulichneyが彼の著書「デジタルハーフトーン化(Digital Halftoning)」において記載しているような、特定の好ましい視覚特性を有し低周波数成分を殆ど持たないパタンであり、
青色ノイズマスクの作り方については、特許登録02622429 等の文献に詳説されており、図13の手順にて作成することが出来る。
【0052】
実施例では、青色ノイズマスクを用いて、動画の諧調変換を行なう例を示す。青色ノイズマスク法で作られたドットパターンは、組織的ディザ法に比べて大きなサイズの閾値マトリクステーブルを必要とする。例えば、諧調を10ビットから6ビットへと4ビット分減らす場合、少なくとも32x16のサイズのマスクを必要とする。
【0053】
以下では、説明および図を簡単にするために諧調を2ビット分減らす場合を示す。マスクサイズは16X8である。
【0054】
図14は、下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクと比較した出力例である。図中、151は、出力の枠、152は、青色ノイズマスクと映像の下位3ビットを比較して、映像の方が大きかった画素、である。
【0055】
図のように、映像が一様の諧調であった場合は、青色ノイズマスクのサイズの繰り返しにおいて、部分的なムラの繰り返しが生じる。
【0056】
図13は、本発明第3実施例の青色ノイズマスクを用いて諧調変換を行なう方法を示すブロック図である。図中、10〜43は第1図と同様、141は、青色ノイズマスクを記憶しているメモリ、142は青色ノイズマスク、143はフレーム毎にあらかじめ決めておいた定数を出力するブロック、144は加算器、である。
【0057】
図15は、下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクに定数を加えたものと比較した出力例である。図中、161、163,165,167,169はマスクに対応する出力画素の枠、162は第0フレームと基本マスクとの比較結果で1となる点、164は第1フレームと基本マスクに定数を加えたものとの比較結果で1となる点、166は第2フレームと基本マスクに定数の2倍を加えたものとの比較結果で1となる点、168は第3フレームと基本マスクに定数の3倍を加えたものとの比較結果で1となる点、170は4フレーム分の映像において比較結果が1となる点、である。
【0058】
この場合、フレームを更新するごとに、ある定数(例えば2)を加えていく例であり、011B以下のマスクデータの位置は、マスクごとに変化している。それゆえ、4フレームの合計を示す169,170では、それぞれの画素が、4フレームに1回のみ1となっている。ただし、定数の与え方や元の画素の値によっては、4フレーム中に2〜4回1となる点が現れる。
【0059】
この方法では、青色ノイズマスク法特有のムラがフレームごとに移動することにより、視聴者からムラが判別できないようにすることが出来る。第4実施例では、青色ノイズマスクをフレーム毎に分解して使用する場合を示す。
【0060】
図16は、青色ノイズマスクの基本マスクを4分割した場合の出力を示す。図中、191、193,195,197,199は分割マスク0〜3に対応する出力画素の枠、192は第0フレームと分割マスク0との比較結果で1となる点、194は第1フレームと分割マスク1との比較結果で1となる点、196は第2フレームと分割マスク2との比較結果で1となる点、198は第3フレームと分割マスク3との比較結果で1となる点、200は4フレーム分の映像において比較結果が1となる点、である。
【0061】
基本マスクによる出力161,162を4分割したものと同じになる。この場合、フレームを更新するごとに、マスクを使用する部分が異なり、4フレーム分で1つのマスクを使用する。それゆえ、4フレームの合計を示す199,200では、それぞれの画素が、4フレームに1回のみ1となっている。ただし、元の画素の値によっては、4フレーム中に2〜4回1となる点が現れる。
【0062】
この方法では、画素200のように、小さいエリアにて、ムラが偏らない出力が得られる。
【0063】
【発明の効果】
本発明により以下の効果がある。
【0064】
DVI−D規格のような諧調幅の狭いデジタルインタフェースにおいても、それ以上の多諧調の動画と同様に見えるような動画を転送することができる。低諧調の表示器においても、それ以上に多諧調の表示機と同様のレベルで動画像を表示できる。放送局からのデジタル放送のように諧調数が定まっている場合において、それ以上に多諧調の動画と同様のレベルで放送することができる。
【0065】
諧調変換処理においてバッファメモリを必要としないので、低コストである。画面の切り替わりなどにおいても、過去のフレームの影響を受けないので、素早い動きに対応できる。
【0066】
低解像度のディスプレイにおいても、マスクサイズが小さいので、マスクによるテクスチャおよびモアレおよびムラが目立たない。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来例において画像を処理するための基本的なシステム
【図2】組織的ディザマトリックスにおける閾値マトリックス(マスク14)の例
【図3】本発明において映像を処理するための基本的なシステム
【図4】映像データから1ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス
【図5】映像データから4ビット諧調を減らす場合の複数フレーム分の組織的ディザマトリックス
【図6】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク24と比較した出力
【図7】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク51〜54と比較した出力
【図8】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計
【図9】は、映像データから4ビット諧調を減らす場合の基本マスクを4分割した組織的ディザマトリックス
【図10】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、マスク91〜94と比較した出力の合計
【図11】下位5ビットの諧調が00011Bだった時、4フレーム分の出力の合計
【図12】制御フロー図
【図13】本発明第3実施例の青色ノイズマスクを用いて諧調変換を行なう方法を示すブロック図
【図14】下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクと比較した出力例
【図15】下位3ビットの諧調が001Bだった時、青色ノイズマスクに定数を加えたものと比較した出力例
【図16】青色ノイズマスクの基本マスクを4分割した場合の出力
【符号の説明】
10 画像入力装置
11 入力画像
12 前処理部
13 階調処理装置
14 マスク
Claims (12)
- デジタル信号として動画情報を表示する装置において、閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに異なる閾値マトリックステーブルを用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を伝達する装置において、閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに異なる閾値マトリックステーブルを用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を表示する装置において、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに青色ノイズマスクの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を伝達する装置において、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに青色ノイズマスクの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を表示する装置において、閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに閾値マトリックステーブルの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を伝達する装置において、閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに閾値マトリックステーブルの一部分を用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を表示する装置において、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに異なる青色ノイズマスクを用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を伝達する装置において、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する方法において、動画像のフレームごとに異なる青色ノイズマスクを用いることを特徴とする、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を表示する装置において、閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を伝達する装置において、閾値マトリックステーブルと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を表示する装置において、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する、ビット数削減方法。
- デジタル信号として動画情報を伝達する装置において、青色ノイズマスクと各画素を比較して、各画素の諧調を表わすビット数を削減する、ビット数削減方法。
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