JP2005143104A - 帯域通過ノイズシェーピングを有する誤差拡散ハーフトーン化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 量子化器への入力の範囲は増加せず、量子化器の過負荷を防止する。
【解決手段】 量子化を行い（１１０、２１０、３１０）、帯域通過特性でフィルタリングされた誤差信号を使用して、量子化の結果を前記量子化の入力に直接供給することなく（１１０、２１０、３１０）、量子化器の入力を変更する（１１４、２１８、３１６）プロセッサ（４１２）を備える誤差拡散ハーフトーン化を行う装置（４１０）。プロセッサ（４１２）は、前記フィルタリングされた誤差信号を生成するように、伝達関数Ｂ（ｚ）：Ｂ（ｚ）＝｛（１−α）Ｈ（ｚ）＋αＨ（ｚ）Ｋ（ｚ）｝／｛１−αＨ（ｚ）＋αＨ（ｚ）Ｋ（ｚ）｝を使用することができる。ここで、Ｈ（ｚ）およびＫ（ｚ）が伝達関数であり、αがピクセルのクラスタ化を制御するスカラーである。
【選択図】 図１ａ

Description

本発明は、ハーフトーンを生成する装置に関する。特に、本発明は、誤差拡散ハーフトーン化を行う装置に関する。

ハーフトーン化は、連続トーンのデジタルグレースケール画像およびカラー画像を、プリンタ等の２つのレベル（bi-level）デバイスに表示できるピクセルパターンにレンダリングするために行われる。レンダリングされた画像は、一般に、ハーフトーン画像と呼ばれる。ピクセルは、ハーフトーン画像が連続トーンの錯覚（illusion）を生ずるようなパターンで配列される。

ハーフトーン画像は、孤立したピクセルから構成されるハーフトーンのパターンを含むことができる。しかしながら、孤立したピクセルは、レーザプリンタおよび他の電子写真デバイスによって必ずしも確実に再現されない。

ハーフトーン画像は、ピクセルのクラスタを含むことができる。孤立ピクセルのハーフトーンパターンが、強い高周波数成分を示すのと対照的に、クラスタ化されたピクセルのパターンのパワースペクトルは、強い中間周波数成分を示す。クラスタ化されたピクセルは、レーザプリンタによって確実に再現することができる。

誤差拡散ハーフトーン化は、連続トーン画像の高品質のレンダリング法である。この高い品質は、非線形フィードバックによるものである。量子化誤差が誤差フィルタを使用してフィルタリングされ、フィルタリングされた誤差が量子化ノイズを高周波数レンジにシェーピングするために、入力にフィードバックされる。この高周波数レンジは、人間の視覚系でほとんど認識できない。その結果、誤差拡散ハーフトーン化は、視覚的に好ましいドットパターンを生成することができる。

誤差拡散ハーフトーン化を使用して、クラスタ化されたピクセルのハーフトーンパターンを生成することは有利である可能性がある。このようなハーフトーン化は、レーザプリンタおよび他の電子写真デバイスによって質の悪い孤立ピクセルが再現されるために生じるプリンタ歪み(printer distortions)に対してロバストなパターンを生成することができる。

本発明は、量子化器への入力の範囲は増加せず、量子化器の過負荷を防止することを課題とする。

本発明の一態様によれば、誤差拡散ハーフトーン化は、入力および出力を有する量子化器を使用すること、および帯域通過特性を有するシステムを使用することであって、それによって、量子化器の入力に量子化器の出力を直接供給することなく量子化器の入力を変更する、帯域通過特性を有するシステムを使用することを含む。誤差拡散ハーフトーン化は、レーザプリンタおよび他の電子写真デバイスによって確実に再現できるクラスタ化されたピクセルハーフトーンパターンを生成することができる。

本発明の他の態様および他の利点は、本発明の原理を例として示す添付図面と共に取り入れられた以下の詳細な説明から明らかとなる。

本発明は、連続トーン（コントーン:contone）画像に対して、クラスタ化されたピクセルの誤差拡散ハーフトーン化を実行する方法において具体化される。コントーン画像は、複数のピクセル値によって表される。各ピクセル値は、ｎビットを含む。ここで、ｎ＞１である。例えば、ｎ＝８の場合、ピクセルは、２５６個の可能な値を有する。誤差拡散ハーフトーン化は、コントーン画像をハーフトーン画像に変換する。ハーフトーン画像の各ピクセル値は、単一のビット（例えば、１＝ピクセル有；０＝ピクセル無）を含む。ハーフトーン画像は、これらの１ビットピクセル値のパターンを含み、このパターンが全範囲のトーンの錯覚を生成する。

図１ａを参照して、図１ａは、クラスタ化されたピクセルの誤差拡散ハーフトーン化システム１００を示している。このシステム１００は、ｘ（ｍ）で表される未処理の入力信号を受け取る。ここで、ｍは、ピクセル座標（ｍ１，ｍ２）の２次元ベクトルであり、ｘ（ｍ）は、座標ｍ１、ｍ２におけるコントーン画像のピクセルのグレースケール値を表す。コントーン画像のピクセルは、蛇行順序でコントーン画像をスキャンすることによって、順次供給することができる。コントーン画像の各ピクセルは、以下のように処理することができる。

未処理の入力信号ｘ（ｍ）は、フィルタリングされた誤差信号ｅ’（ｍ）によって変更される。変更された入力信号ｕ（ｍ）は、量子化器１１０に供給される。量子化器１１０は、変更された信号ｕ（ｍ）が、閾値よりも大きいかどうかに応じて、１または０のいずれかを出力する。例えば、以下のようになる。

ここで、ｏ（ｍ）は、量子化器１１０の出力信号を表し、Ｔは、閾値を表す。

フィルタリングされた誤差信号ｅ’（ｍ）は、１つまたは複数のフィルタ１１２によって生成される。この１つまたは複数のフィルタ１１２は、全体として、実効的な帯域通過伝達関数を有する。フィルタリングされた誤差信号ｅ’（ｍ）は、１１４において量子化器の入力を変更する。

図１ｂは、システム１００のモデル１２０を示している（図１ｂは、本発明の一実施の形態を示すものではない）。入力画像が存在せず、かつ、量子化器１１０が、無相関のノイズｎ（ｍ）のノイズ源１２２によって置き換えられるものと仮定する。ノイズ源１２２は、無相関のノイズｎ（ｍ）をモデル１２０に投入する。図１ｂのモデル１２０は線形である。

さらに図１ｃを参照すると、図１ｃは、モデル１２０の応答を示している。量子化器の出力とノイズ投入との間の伝達関数１３０（出力の周波数応答／ノイズ投入の周波数応答）は、帯域通過特性を有する。この帯域通過特性は、ノイズｎ（ｍ）を高周波数レンジから中間周波数レンジにシフトさせ、ピクセルのクラスタ化を促進する。

以下のノイズ伝達関数を使用することができる。
１−Ｂ（ｚ）＝（１−Ｈ（ｚ））／（１−αＨ（ｚ）＋αＨ（ｚ）Ｋ（ｚ））
ここで、Ｈ（ｚ）およびＫ（ｚ）は、「実効的な」帯域通過伝達関数に寄与する伝達関数であり、αは、スカラーである。伝達関数Ｈ（ｚ）およびＫ（ｚ）は、例えば、実効的な帯域通過伝達関数に寄与する低域通過伝達関数とすることができる。

Ｂ（ｚ）は、その応答の大きさにおいて中間周波数のピークを有することを特徴とし、応答の大きさが比較的小さい領域に囲まれた帯域通過伝達関数である。この帯域通過伝達関数は、以下の形を有することができる。
Ｂ（ｚ）＝｛（１−α）Ｈ（ｚ）＋αＨ（ｚ）Ｋ（ｚ）｝／｛１−αＨ（ｚ）＋αＨ（ｚ）Ｋ（ｚ）｝

伝達関数Ｈ（ｚ）にフロイド・スタインバーグ（Floyd-Steinberg）の重みが使用され、２つの等しい重み０．５が伝達関数Ｋ（ｚ）の垂直方向および水平方向に使用される例を考える。伝達関数Ｈ（ｚ）およびＫ（ｚ）は、次のようになる。
Ｈ（ｚ_h，ｚ_v）＝（７／１６）ｚ_h ^-1＋（１／１６）ｚ_h ^-1ｚ_v ^-1＋（５／１６）ｚ_v ^-1＋（３／１６）ｚ_h ^-1ｚ_v ^-1
Ｋ（ｚ_h，ｚ_v）＝（１／２）ｚ_h ^-1＋（１／２）ｚ_v ^-1
ここで、下付き添え字ｈおよびｖは、水平方向および垂直方向を示す。

上記例では、伝達関数Ｋ（ｚ）は、両方向に差異なく働く。一般に、伝達関数Ｋ（ｚ）は、両方向に差異なく働くことが好ましい。しかしながら、伝達関数Ｋ（ｚ）は、それほど制限を受けるものではない。人間の視覚系は、指向性を有する。４係数フロイド・スタインバーグフィルタ等の古典的なフィルタも、使用することができる。最適なフィルタは、人間の視覚系のコスト関数を最小にすることによって作成することができる。

システム１００のノイズシェーピングの挙動は、伝達関数Ｈ（ｚ）およびＫ（ｚ）の係数をｄｃ（直流）において合計すると１となるようにすることによって、平均値を維持するようにすることができる。クラスタ化されたピクセルは、平均色を維持するように、互いにより近く移動させることもできるし、より大きな間隔を空けることもでき、それによって、トーンシフトが回避される。

スカラーαは、ピクセルのクラスタ化の粗さを調節するために変化させることができる調整可能パラメータである。帯域通過領域においてノイズの量が増加すると、ピクセルのクラスタ化の量も増加する。スカラーαは、０≦α≦１の値を有することができる。ノイズの中間周波数は、スカラーαが増加するに伴って増加する。α＝０の場合、ピクセルのクラスタ化は行われず、それによって、孤立ピクセルが、出力画像に現れる可能性がある。α＝１の場合、最大量のピクセルのクラスタ化が、出力画像に生じる。α＝０．５の場合、中間周波数ノイズが高められ、低周波数ノイズは減衰する。

例示のノイズ伝達関数を図５ａ〜図５ｃに示す。図５ａは、α＝０の場合の伝達関数を示し、図５ｂは、α＝０．５の場合の伝達関数を示し、図５ｃは、α＝１の場合の伝達関数を示す。中間周波数レンジは、αの値の増加と共に増加する。例示の帯域通過伝達関数を図６に示す。

ピクセルのクラスタ化は、さまざまな用途のニーズに適応するように調整することができる。スカラーαは、ピクセル単位、画像単位、周期的、またはそれ以外の時点で調節することができる。スカラーαをピクセル単位でどのように変化させることができるかの例として、N. Damera-VenkataおよびB. L. Evans著「Adaptive Threshold Modulation for Error Diffusion Halftoning」IEEE Transactions on Image Processing, vol. 10, no. 1, pp 104-116 (January 2001)を参照されたい。このスカラーは、自動的に調整することもできるし、手動入力によって調整することもできる。

誤差拡散ハーフトーン化システム１００は、量子化器の出力信号を量子化器の入力に直接供給しない。例えば、システム１００は、量子化器の入力にバイアスをかけるために量子化器の出力を使用することはない。利点として、量子化器１１０への入力の範囲は増加せず、量子化器の過負荷が回避される。

誤差拡散ハーフトーン化システム１００の実施は簡単であり、画像の適合性により、システム１００は、クラスタ化されたピクセルのスクリーンによって達成できるハーフトーン化よりも高品質のハーフトーン化を提供する。クラスタ化されたピクセルのハーフトーンパターンは、レーザプリンタおよび他の電子写真デバイスによる質の悪い孤立ピクセルの再現によるプリンタ歪みに対してロバストである。ピクセルクラスタは、規則的な順序のパターンを与えず、パターンは非周期的であり、したがって、画像と干渉しない（例えば、モアレ効果は生じない）。より微細な線をより良く再現することができ、量子化器のノイズは、フィルムの粒子として認識される。

誤差拡散ハーフトーン化システム１００は、システム１００に或る帯域通過特性を与えるあらゆるフィルタまたはフィルタの組み合わせで実施することができる。例えば、システム１００は、１対の２次元非分離型有限インパルス応答（ＦＩＲ：finite impulse response）フィルタで実施することもできるし、単一の無限インパルス応答（ＩＩＲ:infinite impulse response）フィルタで実施することもできるし、単一のＩＩＲフィルタの代わりに単一の帯域通過ＦＩＲフィルタで実施することもできる。これらの実施態様の２つについては次に説明する。

次に図２を参照して、図２は、１対の２Ｄ非分離型低域通過ＦＩＲフィルタ２１２および２１６で誤差拡散ハーフトーン化を行う例を示している。量子化器２１０の出力信号ｏ（ｍ）は、第１のＦＩＲフィルタ２１２に供給される。第１のＦＩＲフィルタ２１２は、伝達関数αＫ（ｚ）を適用する。適用する際に、第１のＦＩＲフィルタ２１２は、現時点の量子化器の出力およびその前の時点の量子化器の出力に重みを乗算する。第１のＦＩＲフィルタ２１２の出力は、２１４において積（１−α）ｏ（ｍ）および量子化器の入力信号ｕ（ｍ）と合計されて、誤差信号ｅ（ｍ）を生成する。したがって、次のようになる。

第２のＦＩＲフィルタ２１６は、伝達関数Ｈ（ｚ）を誤差信号ｅ（ｍ）に適用する。適用する際に、第２のＦＩＲフィルタ２１６は、現時点の量子化器の出力およびその前の時点の量子化器の出力に重みを乗算する。第２のＦＩＲフィルタ２１６の出力は、変更された誤差信号ｅ’（ｍ）を供給し、この変更された誤差信号ｅ’（ｍ）は、２１８において量子化器の入力に加算される。したがって、次のようになる。

次に図３を参照すると、図３は、量子化器３１０および単一の２次元非分離型ＩＩＲフィルタ３１４で誤差拡散ハーフトーン化を行う例を示している。誤差信号ｅ（ｍ）は、３１２において、量子化器の入力信号ｕ（ｍ）および量子化器の出力信号ｏ（ｍ）から生成される。したがって、ｅ（ｍ）＝ｏ（ｍ）−ｕ（ｍ）となる。ＩＩＲフィルタ３１４は、帯域通過伝達関数を誤差信号ｅ（ｍ）に適用する。適用する際に、ＩＩＲフィルタ３１４は、現時点の誤差ｅ（ｍ）およびその前の時点の誤差ｅ（ｍ）の加重和を取り、ｅ’（ｍ）を出力する。この例では、量子化器の出力信号ｏ（ｍ）の直接フィルタリングは行われない。

クラスタ化されたピクセルの誤差拡散ハーフトーン化は、グレースケールのコントーン画像に限定されるものではない。このハーフトーン化は、フルカラー画像に対しても行うことができる。例えば、２４ビットピクセル値は、赤色成分に８ビット、緑色成分に８ビット、および青色成分に８ビットを当てる。したがって、各色成分は、２５６個の値の範囲を有する。ハーフトーンは、２００３年２月２７日に公開された米国特許公報第２００３／００３８９５３号に記載された色平滑量子化器（color smooth quantizer）を使用することによって拡張することができる。

クラスタ化されたピクセルの誤差拡散ハーフトーン化は、どの特定のハードウェアの実施態様にも限定されるものではない。例示の実施態様を図４に示す。

図４を参照して、マシン４１０は、プロセッサ４１２およびメモリ４１４を含む。プロセッサ４１２は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）とすることができる。このＤＳＰは、単一のＩＩＲフィルタまたは１対のＦＩＲフィルタを実施する。メモリ４１４は、そのフィルタ（複数可）のタップ用の重みと、上述した誤差拡散ハーフトーン化を行うようにプロセッサ４１２に指令するプログラム４１６とを記憶する。入力信号は、外部信号源によって供給することができる。別法では、プロセッサ４１２は、上述した誤差拡散ハーフトーン化を行うようにプログラムされた汎用プロセッサとすることもできる。実行中、プログラム４１６は、メモリ４１４等の「物品」に記憶しておくことができる。配信中、プログラム４１６は、外部記憶デバイス、着脱可能媒体（例えば、光ディスク）等の物品に記憶しておくことができる。

マシン４１０は、レーザジェットプリンタやオールインワンマシン等の電子写真デバイスとすることができる。プロセッサ４１２は、マシンのコントローラの一部とすることができる。別法では、マシン４１０は、パーソナルコンピュータとすることもでき、このパーソナルコンピュータが、ハーフトーン画像を生成し、次いで、そのハーフトーン画像を記憶したり、プリンタに送信して表示したりする。

例えば、カラーレーザジェットプリンタでは、使用される個々の色材、例えばシアン、マゼンタ、黄、および黒（ＣＹＭＫ）のハーフトーンを重ね合わせることによって、連続的な色の濃淡の錯覚が生じる。ピクセルは、クラスタ化されるので、レーザプリンタによって確実に再現される。

本発明のいくつかの特定の実施の形態を説明および図示してきたが、本発明は、そのように説明および図示した部分の特定の形態にも限定されず、それらの部分の特定の配置にも限定されない。その代わりに、本発明は、特許請求項に従って解釈される。

本発明の一実施の形態による誤差拡散ハーフトーン化システムの図である。 図１ａのシステムのモデルである。 図１ａのシステムのモデルである。 本発明の一実施の形態による誤差拡散ハーフトーン化システムの図である。 本発明の一実施の形態による誤差拡散ハーフトーン化システムの図である。 本発明の一実施の形態による誤差拡散ハーフトーン化を実行する装置の図である。 本発明の一実施の形態によるノイズ伝達関数の図である。 本発明の一実施の形態によるノイズ伝達関数の図である。 本発明の一実施の形態によるノイズ伝達関数の図である。 本発明の一実施の形態による帯域通過伝達関数の図である。

符号の説明

１１０，２１０，３１０ 量子化器
１１４、２１８、３１６ 量子化器の入力
４１２ プロセッサ
２１２ フィルタ
２１６ 低域通過フィルタ

Claims (6)

1. 量子化を行い、ある帯域通過特性でフィルタリングされた誤差信号を使用して、前記量子化の結果を前記量子化の入力に直接供給することなく、量子化器への入力を変更するプロセッサを備える誤差拡散ハーフトーン化を行う装置。
2. 前記プロセッサは、前記フィルタリングされた誤差信号を生成するように、伝達関数Ｂ（ｚ）：
   Ｂ（ｚ）＝｛（１−α）Ｈ（ｚ）＋αＨ（ｚ）Ｋ（ｚ）｝／｛１−αＨ（ｚ）＋αＨ（ｚ）Ｋ（ｚ）｝
   を使用するものであり、ここで、Ｈ（ｚ）およびＫ（ｚ）は伝達関数であり、αがピクセルのクラスタ化を制御するスカラー値である、請求項１に記載の装置。
3. 前記伝達関数Ｈ（ｚ）およびＫ（ｚ）の係数は、直流において合計すると１になり、それによって、前記帯域通過伝達関数は、平均値を維持する挙動を有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記フィルタリングされた誤差信号は、前記量子化の出力結果を第１の線形重み付けフィルタによって低域通過フィルタリングし、該フィルタリングされた出力信号および前記量子化の入力から誤差信号を生成し、該誤差信号を第２の線形重み付けフィルタによって低域通過フィルタリングすることによって生成される、請求項１に記載の装置。
5. 前記フィルタリングされた誤差信号は、前記量子化の入力および前記量子化の結果に応じて誤差を生成し、該誤差信号に無限インパルス応答フィルタを適用することによって生成され、前記無限インパルス応答フィルタの出力は、前記量子化の入力を変更するのに使用される、請求項１に記載の装置。
6. 前記プロセッサがあるシステムをもって前記フィルタリングされた誤差信号を生成するものであり、
   前記システムは、前記量子化器を無相関ノイズの投入源によって置き換え、前記システムに入力が存在しなかった場合には、高周波数レンジから中間周波数レンジに前記ノイズの投入をシフトするようなシステムである、請求項１に記載の装置。
   

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