JP2005051337A

JP2005051337A - 画像処理方法、画像処理装置およびプログラム

Info

Publication number: JP2005051337A
Application number: JP2003203461A
Authority: JP
Inventors: Masashi Hara; 昌司原
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】ビット分解能を向上させて、デジタル画像においてトーンジャンプの発生を抑制しつつ、輪郭などのエッジの部分はぼけることがないようにする。
【解決手段】デジタル画像の各画素をＮ（８）ビットで表した原信号の値の最下位桁にｎ（１）ビット増すことによりＭ（９）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換するとき、各画素の原信号の値とその画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値をこの原信号に加えて各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求め、この推定信号の値を２^ｎ倍（＝２^１倍）した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍ（９）ビットの拡張信号に変換してデジタル画像を形成する。このとき、推定信号は下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るように決められる。
【選択図】図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタル画像信号の階調処理におけるトーンジャンプの発生を防止する画像処理方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタルカメラで撮影して得た画像や、ＣＲやＭＲＩ等で撮影して得た医用画像等のデジタル画像を再生する場合には、ＣＣＤによる特性のバラツキ補正処理、濃度変換、階調処理等の各種の画像処理が施されて注目する画像を見えやすくするように加工が行われる。
【０００３】
このような画像処理のうち階調処理では、図１２に示すような横軸から縦軸への変換特性を持つルックアップテーブルを用いて階調の変換が行なわれるが、階調カーブが急に変化する部分Ｌのようなところではトーンジャンプが発生しやすいという問題がある。特に、階調処理を行う原画像の分解能が十分でない場合には（例えば、２５６階調から２５６階調に変換）、原画像では１階調しか違わない画素値が階調処理後には３階調違う画素値になるため（部分Ｌ）、なだらかに変化しているはずのグラデーション領域に色／濃度が急に変化するところが現れ、その変化が目立つようになる。それによって、輪郭のないところに輪郭があるように見える場合もある（偽輪郭という）。
【０００４】
そこで、デジタル信号の分解能を上げて発生するトーンジャンプや偽輪郭を軽減する方法として、デジタル画像信号の最下位桁部分（例えば、下２桁）に、乱数発生回路を用いて発生させた乱数信号のデータを付加することにより軽減するものや（例えば、特許文献１）、最下位桁部分に付加するデータに写真フィルムの粒子上のノイズを利用することにより、乱数を付加する場合と同様の効果を得られるようにしたものがある。（例えば、特許文献２）
あるいは、周囲の画素値を合算して見かけ上の有効ビット数を増やしてトーンジャンプや偽輪郭を軽減する手法も用いられてきた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２０３１４８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１０−１３６７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、乱数などを利用してビットを付加する手法では、一様にぼかすことでトーンジャンプによる段差を見えにくくすることは可能であったが、周囲の画素との関連が考慮されていないため、なだらかに階調が変化していくようなグラデーション領域で分解能を上げてもその変化に沿って階調を変化させていくことはできなかった。
【０００８】
一方、周囲の画素値を合算して見かけ上の有効ビット数を増やす手法では、なだらかに階調が変化していくようなところはその変化に沿って階調を変化させることが可能となるが、画像全体を周囲の画素値に近づくようにぼかすことになり、本来の元の画像の画素値が急激に変化するようなところ（例えば、輪郭のようなエッジがあるところ）も周囲の画素値に影響されてぼけた画像となるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明はこの課題に鑑みて、トーンジャンプの発生を抑制することができ、必要以上に画像をぼかすことのないような画像処理装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像処理方法は、デジタル画像の各画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビットを増やすことにより信号ビット数をＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換する画像処理方法において、
該画素の原信号の値と該画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値を該原信号に加えて前記各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求めるステップと、
該推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの前記拡張信号に変換してデジタル画像を形成するステップとを備え、
前記補正値が、前記推定信号の下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るような値に決められていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の画像処理装置は、デジタル画像の各画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビットを増やすことにより信号ビット数をＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換する画像処理装置において、
該画素の原信号の値と該画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値を該原信号に加えて前記各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求める推定手段と、
該推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの前記拡張信号に変換してデジタル画像を形成する画像形成手段とを備え、
前記補正値が、前記推定信号の下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るような値に決められていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明のプログラムは、デジタル画像の各画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビットを増やすことにより信号ビット数をＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換する画像処理をコンピュータで実行させるためのプログラムにおいて、
該画素の原信号の値と該画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値を該原信号に加えて前記各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求めるステップと、
該推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの前記拡張信号に変換してデジタル画像を形成するステップとを実行させるためのプログラムであって、
前記補正値が、前記推定信号の下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るような値に決められていることを特徴とするものである。
【００１３】
「画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビットを増やすことによりＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させる」とは、各画素が持つ画素値を表すビットの最下位の桁のビットを追加することにより、元の階調では１つの画素値に量子化されたものが複数個の画素値で表せるように分解能を向上させることである。例えば、画像データの画素値を２５６階調で表す場合には８（Ｎ）ビット必要であるが、分解能を上げて画素値を１０２４階調で表そうとすると１０（Ｍ）ビットが必要となる。そこで、８ビットで表されている画素値の最下位桁に２（ｎ）ビット増やして１０ビットにすることにより、元の８ビットでは１つの画素値で表されたものが細かく分かれた４つの画素値で表される。
【００１４】
また、「原信号の値の精度を上げた推定信号」とは、具体的には、原信号の階調が８ビットの整数で表されていたものを例えば浮動小数点にして有効桁数が８ビット以上となるような数値で表された信号である。有効桁数が８ビット以上となるような数値であれば浮動小数点でなくても桁数の多い整数に変換してもよい。
【００１５】
また、「推定信号の下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るような値に決める」とは、精度を上げた推定信号の下位桁を四捨五入などで丸めることによって原信号と一致するように推定信号を決めることであり、これは原信号を量子化したときの量子化誤差の範囲内に入るように推定信号を決めることを意味するものである。
【００１６】
「推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの拡張信号に変換する」には、具体的に、例えば精度を上げて浮動小数点で計算した推定信号を８ビットの階調から２（＝ｎ）ビット増した１０ビットの階調に変換する場合について考えると、推定信号を４（＝２^２）倍にして小数点以下の下位桁を丸めると整数部分が１０ビットの階調を表す信号の値となり、これを拡張信号とする。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の画像処理によれば、デジタル画像の各画素の原信号の値の最下位桁にビットを増やしてビット分解能を向上させるために、画素の原信号とこの画素の近傍画素によって定まる補正値を原信号に加えて精度を上げた推定信号に基づいてビット分解能を上げた信号値を求めることにより、周囲の画素値に近づくようにぼかしてトーンジャンプの発生を抑制することが可能である。尚且つ、精度を上げた推定信号は下位桁を丸めると原信号の値に戻るように決められるので、輪郭があるようなところで画素値が急激に変化するようなところでは、原信号の量子化誤差を越えないように推定信号が決められるため周囲の画素値に影響されて必要以上にぼけた画像とはならないようにすることが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の画像処理装置の一実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態の構成を表すブロック図である。
【００１９】
画像処理装置１は、デジタル画像の各画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビット増やすことによりＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換するために、各画素の原信号の値とその画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値をこの原信号に加えて各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求める推定手段１０と、この推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの拡張信号に変換してデジタル画像を形成する画像形成手段１１とを備えたものである。
【００２０】
まず、推定手段１０は、デジタル画像の原信号からデジタル化（量子化）前の原画像から得られた信号の推定を行う。
【００２１】
デジタル画像の各画素が持つ画素値は、原画像から得られた信号を量子化したものであり、図２に示すように、ある程度幅（幅ｄ）を持った信号が１つの階調に変換され、２つの階調の間にある信号はいずれか近い方の階調に量子化される。分解能を上げると１つの階調に対応する信号の幅は狭くなり、分解能の低い階調で表された１つの画素値は、分解能を上げると複数の画素値に対応することになる。例えば、２５６階調（Ｎ＝８ビット）の画像データを１０２４階調（Ｍ＝１０ビット）に上げると、２５６階調で「１０」と表された画素値は、１０２４階調では「３９」、「４０」、「４１」、「４２」の４つの画素値のいずれかに対応する。つまり、２５６階調で「１０」と表された画素は、デジタル化前の原画像から得られた信号を直接１０２４階調で量子化した場合には「３９」、「４０」、「４１」、「４２」の４つのいずれかの画素値に変換される。
【００２２】
そこで、例えば、図３の破線に示すように画像の色／濃度（画像の信号）が緩やかに変化している部分を分解能の低い階調で量子化すると、Ｐ１〜Ｐ４までの画素値は同じ値となり画素Ｐ５でわずかに画素値が変わるようになる場合がある。このような同じ値を持つ画素（Ｐ１〜Ｐ４）が並んでいる部分もビット分解能が高い階調で量子化すると、画素Ｐ５に向かって徐々に変化するような画素値を持つことになる場合が多い。例えば、図３（ａ）ではＰ１〜Ｐ４までの画素値は「１０」、画素Ｐ５では「１１」となっているが、図３（ｂ）に示すように、分解能を上げるとＰ１〜Ｐ５の画素値は「３９」、「４０」、「４１」、「４１」、「４３」と順次変化する。
【００２３】
一方、図４に示すように、画素Ｐ４と画素Ｐ５で画素値が急に変わる場合もある。このような場合には、原画像から得られる信号も破線で示すように急に変わる輪郭のようなエッジである可能性が高い。このように画素値が急に変化するところであっても、前述のように緩やかに画素値が変化するところであっても、原画像が持っていた信号はこの画素値に量子化された所定の範囲内（例えば、図２（ａ）の幅ｄの範囲内）の値しか取り得ない。例えば量子化した画素値が「１０」の場合、原画像から得られた信号の値ｆｏｒｇは、９．５≦ｆｏｒｇ＜１０．５の間にあったものを量子化したものである。つまり、量子化した画素値「１０」には、このような量子化誤差を含んでいるものといえる。
【００２４】
以上のことを考慮すると、デジタル画像の画素値から原画像が持っていた信号を推定する場合には、各画素を近傍の画素の画素値に向かって徐々に変化させたものであって、且つ量子化前に原画像がとり得る範囲内（量子化誤差の範囲内）の信号としたものが適当であると考えられる。
【００２５】
そこで、原画像が持っていたと推定される推定信号は、デジタル画像の各画素の原信号を近傍画素の画素値に近づけるように精度を上げたものとし、推定信号の下位桁を丸めると原信号の値に戻るように決めたものが最も適当な値であるといえる。
【００２６】
例えば、原信号が８ビットで表されていた場合について具体的に考える。まず、８ビットの整数値で表されていた原信号の値を、例えば浮動小数点などの桁数の多い数値に変換し、所定の画素の原信号の値ｆｏｒｇとこの画素の近傍Ｋ個の画素の画素値ｆｉの平均値ｆａｖｒ＝Σｆｉ／Ｋと原信号の値ｆｏｒｇの差を原信号に加えて各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求める。しかし、近傍画素に画素値が急に変化するような画素がある場合（画素値が急に大きくなる画素や急に小さくなるような画素が近傍にある場合）には、平均値との差を原信号にそのまま加えてもその近傍画素の値に影響され量子化誤差の範囲を越えた値となる。
【００２７】
そこで、
推定信号＝ｆｏｒｇ＋Ｔ（ｆａｖｒ−ｆｏｒｇ）（１）
Ｔ：近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる関数
（例えば、図５に示す関数）
とし、推定信号が量子化誤差の範囲内の値となるように、原信号に０．５＞Ｔ（ｆａｖｒ−ｆｏｒｇ）＞−０．５の範囲の補正値を加えるようにする。つまり、推定信号を四捨五入すると原信号の値と一致するように推定信号を決める。
【００２８】
具体的に説明すると、図６（ａ）に示すように画素値が並んでいる画像に対してマスク５の平均値と原信号との差を原信号に加えると、図６（ｂ）に示すような推定信号になる。一方、図７（ａ）に示すように、矢印のところで画素値が急に変化するようなところがある場合に、単純にマスク５の平均値と原信号との差を原信号に加えると、図７（ｂ）に示すような推定信号になり矢印の周辺の画素では周囲の画素値に影響されて四捨五入しても原信号に戻らない値となる。そこで、式（１）を適応すれば図７（ｃ）に示すような推定信号となり、小数点以下を四捨五入すると原信号に戻るように推定信号を求めることができる。
【００２９】
式（１）で示した関数Ｔは、図８に示すようなシグモイド関数のようなものでもよく、小数点以下を四捨五入すると原信号に戻るように定まる関数であればよい。
【００３０】
画像形成手段１１では、推定手段１０で求めた推定信号から原信号の分解能をｎビットほど増したＭビットの拡張信号に変換し、この拡張信号を用いてデジタル画像の形成を行う。
【００３１】
推定手段１０で求めた推定信号は、補正値を原信号に加えることにより原信号の元のデジタル画像Ｎビット以上の精度を持つ桁数の多い値となっている。そこで、例えば、８（Ｎ）ビットの原信号に１（ｎ）ビット増した９（Ｍ）ビットの拡張信号にする場合には、図９に示すように推定信号を２倍（＝２^１倍）にして少数点以下を四捨五入すれば９ビットの拡張信号に変換することができる。例えば、図６（ｂ）に示すような推定信号を２倍にして四捨五入すれば図６（ｃ）のような拡張信号を得られる。同様に、８ビットの原信号を２ビット増した１０ビットの拡張信号にするためには、図１０に示すように推定信号を４倍（＝２^２倍）にして、少数点以下を四捨五入すれば１０ビットの拡張信号に変換することができる。
【００３２】
次に、本画像処理装置１の作用について説明する。ここでは、ルックアップテーブルを用いて２５６階調から２５６階調の階調変換を行う場合について説明する。
【００３３】
まず、２５６階調で表されたデジタル画像の各画素に対して、推定手段１０で原信号に近傍画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値を加えて各画素の原信号の精度を上げた推定信号を求める。
【００３４】
そこで、画像形成手段１１で、例えば推定信号をもとに１０ビットの拡張信号に変換し、１０２４階調にした後に図１１に示すようなルックアップテーブルを適用して１０２４階調から２５６階調に階調変換する。図１１の拡張信号に変換した場合と図１２の拡張信号に変換しなかった場合を比較すると、図１２のＬの部分では１つの階調に対して３階調違うが、図１１のＬの部分では４つの階調に対して３階調が対応する。このように、元となる信号が１０２４階調の拡張信号に変換されて分解能が上がっているため、Ｌの部分のように急に階調が変化するようなところにおいてもトーンジャンプが発生する確率が少なくなる。
【００３５】
また、このような処理を施した場合でも、推定値は量子化誤差の範囲内で推定されるので、輪郭のように急激に画素値が変化するようなところで周囲の画素の値に影響されて画像がぼけることはない。
【００３６】
以上、１方向の列に画素が並んでいる場合を例に説明したが、平面上で２次元に画素が並んでいる場合についても同様に行うことが可能である。
【００３７】
また、上述では四捨五入して丸める場合について説明したが、切り上げ、切り下げ、二捨三入など他の方法を用いて丸めたときに量子化誤差の範囲内になるように算出されるものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】画像処理装置の構成を表すブロック図
【図２】分解能の違いによる量子化される階調を説明するための図
【図３】分解能の違いによる階調の変化を説明するための図
【図４】階調の変化と元の画像から得られた信号値との関係を説明するための図
【図５】推定信号を求めるための関数を表す図（その１）
【図６】推定信号と拡張信号を説明するための図（その１）
【図７】推定信号と拡張信号を説明するための図（その２）
【図８】推定信号を求めるための関数を表す図（その２）
【図９】ビット分解能を１ビット上げた拡張信号を求める方法を説明するための図
【図１０】ビット分解能を２ビット上げた拡張信号を求める方法を説明するための図
【図１１】拡張信号を用いて１０２４階調から２５６階調に階調変換するルックアップテーブルの図
【図１２】２５６階調から２５６階調に階調変換するルックアップテーブルの図
【符号の説明】
１画像処理装置
１０推定手段
１１画像形成手段

Claims

デジタル画像の各画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビットを増やすことにより信号ビット数をＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換する画像処理方法において、
該画素の原信号の値と該画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値を該原信号に加えて前記各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求めるステップと、
該推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの前記拡張信号に変換してデジタル画像を形成するステップとを備え、
前記補正値が、前記推定信号の下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るような値に決められていることを特徴とする画像処理方法。
デジタル画像の各画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビットを増やすことにより信号ビット数をＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換する画像処理装置において、
該画素の原信号の値と該画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値を該原信号に加えて前記各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求める推定手段と、
該推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの前記拡張信号に変換してデジタル画像を形成する画像形成手段とを備え、
前記補正値が、前記推定信号の下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るような値に決められていることを特徴とする画像処理装置。
デジタル画像の各画素をＮビットで表した原信号の値の最下位桁にｎビットを増やすことにより信号ビット数をＭ（Ｍ＝Ｎ＋ｎ）ビットに拡張してビット分解能を向上させた拡張信号に変換する画像処理をコンピュータで実行させるためのプログラムにおいて、
該画素の原信号の値と該画素の近傍数画素の画素値の平均値との差によって定まる補正値を該原信号に加えて前記各画素の原信号の値の精度を上げた推定信号を求めるステップと、
該推定信号の値を２^ｎ倍した後、下位桁を丸めて上位桁Ｍビットの前記拡張信号に変換してデジタル画像を形成するステップとを実行させるためのプログラムであって、
前記補正値が、前記推定信号の下位桁を丸めたとき原信号の値に戻るような値に決められていることを特徴とするプログラム。