JP2005269639A

JP2005269639A - カラー画像−グレースケール画像変換方法及びシステム、グレースケール画像、カラー−グレースケール変換改善方法、及び、エッジ強調方法

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Publication number: JP2005269639A
Application number: JP2005070269A
Authority: JP
Inventors: Raja Bala; バララジャ; Reiner Eschbach; エシュバッハライナー
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: US20050207641A1; US20080181491A1; US7382915B2; JP4902837B2; US7760934B2

Abstract

【課題】本発明は、カラー画像から生成されるグレースケール画像の画質を改善する方法及びシステムを提供する。
【解決手段】本発明は、少なくとも１つのハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分を計算するために、ハイ−パス・フィルタをカラー画像の少なくとも１つのクロミナンス成分に適用し、前記少なくとも１つのハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分に基づいて、前記カラー画像の輝度成分を調整する。
【選択図】図４

Description

本発明の方法及び装置は、デジタル画像技術に係り、詳細には、カラー画像をグレースケール画像に変換するための方法に関する。

モノクロ出力装置に送信されるカラー画像は、カラー−グレースケール変換を受けるべきである。このような変換は、一般に、輝度チャネル又はその派生を保持する。この方法に関連する問題は、輝度が同様な２つの異なる色の区別が失われるということである。これら２つの色が空間的に隣接している場合、この損失は特に好ましくないことがある。

より良いカラー−グレースケール変換を見出だすために、かなりの努力が費やされた。これらの技術の多くは、各々欠点を有する。カラー情報のみに基づくマッピングは、「多対１」のマッピング問題に悩まされる。さらに、ヘルムホルツ−コールラウシュ効果（飽和色がより明るく見えること）を考慮に入れようとすることは、系統的な改善を示さなかった。従来の方法は、異なる色の間の区別を維持するためにカラー・パレットをテクスチャに変換することも含んでいた。テクスチャ・ベースの方法がある種の画像（例えば、一定の色の領域を備えた図形）に対する区別を維持する際には非常に効果的であり得るが、該方法の全体的な特質は、場合によっては望ましくないことがある。例えば、人物像において平滑な肌色トーン領域へのテクスチャの導入は、最も一般的に望ましくない外観を生じる。

他の方法では、１Ｄ輝度軸に沿った相対３Ｄ色差を維持することによって、色の一定のパレットをグレースケールにマッッピングする。該方法は数色を有するビジネス・グラフィックスには有効な技術であるが、滑らかに変化する掃引を含む画像若しくは複雑な図形の一般的な場合まで容易に及ばない。

なお、特許文献１は本発明に関連する技術について記載している。
米国特許第６，６２１，９２３号明細書

本発明が解決しようとする課題は、上記背景技術を鑑み、カラー画像から生成されるグレースケール画像の画質を改善することである。

本明細書中に開示される方法は、高周波クロミナンス情報を輝度チャネルに導入することによって、隣接した色の（即ち、カラー・エッジに沿った）区別を局部的に維持する。高周波クロミナンス情報は、カラー・エッジに対応する。実施の形態において、ハイ−パス・フィルタは有効なエッジ・インジケータとして使用される。実施の形態は、ハイ−パス・フィルタをカラー画像のクロミナンス成分に適用し、画像の輝度チャネルを修正変更するために結果を使用することを含む。実施の形態は、また、輝度に依存する項を備えた出力を重み付けすることを含む。他の実施の形態では、フィルタ出力がエッジ位置及びエッジの大きさを示しているのであれば、論理フィルタを含む異なる線形又は非線形フィルタが使用されることもある。

実施の形態は、また、カラー画像をグレースケール画像に変換するためのシステムを含んでいる。このシステムは、輝度成分及びクロミナンス成分を有するカラー画像を受信する画像入力装置と、該受信されたクロミナンス成分からハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分を計算するためのハイ−パス・フィルタを含むエッジ検出器と、上記ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分に基づいて輝度成分を修正変更するフィードバック装置と、該修正変更された輝度成分を受信し、修正変更された輝度成分に基づいてグレースケール画像を出力する出力装置と、を含んでいる。

実施の形態は、また、カラー画像から生成されたグレースケール画像を含み、同じ色を有するカラー画像の少なくとも一部の画素は、各画素の空間的環境に応じてグレースケール画像の異なるグレイにマッピングされる。

実施の形態は、また、複数の画素から構成される画像のカラー−グレースケール変換を改善するための方法を含む。この方法は、複数の画素の局部的空間近傍から得られる少なくとも１つの所定の基準に基づいて、複数の画素のサブセットを選択し、同じ複数の画素のクロミナンス情報に基づいて、複数の画素のサブセットの各々の輝度成分を調整し、該調整された輝度成分に基づいて出力画像を生成することを含んでいる。実施の形態において、この所定の基準は、エッジに密に近接する画素を選択することだけを含む。

以下の説明は、カラー画像のグレースケール・バージョンにおけるエッジ及び詳細を改善する方法を記載する。

図１を参照する。本明細書中に開示される方法を使用するために、カラー画像からの情報は、Ｌ^*ａ^*ｂ^*、ＹＥＳ、ＹＣｂＣｒなどの輝度−クロミナンス表示であることが必要である。画像がＲＧＢ空間内にある場合、エッジ計算を簡単にするために、画像はまず、このような輝度−クロミナンス表示に変換されるべきである。使用される特定の輝度−クロミナンス表示は、重要ではない。以下の説明ではＬ^*ａ^*ｂ^*表示が使用されるが、上記方法は、任意の輝度−クロミナンス表示のデータで作用する。

カラー画像をグレースケール画像に変換することは、Ｌ^*を装置依存性信号に変換するために必要な処理を要求する出力装置に対し直接、画像の輝度成分（Ｌ^*）をパスすることを一般には含んでいる。プリンタの場合、例えば、後者は通常、ブラック着色剤である。

出力を改善させるために、アルゴリズムの第１のステップは、３つ全てのチャネルのハイ−パス・フィルタ処理バージョンを計算する。これらは、Ｌ_hp、ａ_hp、及びｂ_hpとして示されることになる。ハイ−パス・フィルタ（ＨＰＦ）は、周波数が極大になろうとする場合に、輝度及びクロミナンスの各々のエッジに関する情報を分離するために使用される。特定の遮断周波数及び使用された特定のフィルタは、例えば、入力画像、使用中のプロセッサ、及び、出力装置に基づいて変化することになる。

実施の形態において、画像のクロミナンス信号は、高周波クロミナンス情報を表示する単一の信号ｃ_hpと結合される。１つの候補は、式（１）で示されるユークリッド測定規準である。

計算時間を軽減するために、式（２）で示される、コンピュータによるもっと簡単な１−ノルマ(1-norm)測定規準などの代替的な結合クロミナンス信号が使用できることもある。

実施の形態において、信号c_hpには、ハイ−パス輝度信号L_hpの関数である重み係数wが掛けられる。この重み係数は、w = g(L_hp)として示され、以下に留意される２つの基準（１）及び（２）によって選択される：（１）エッジを弱めるのではなく、強めるためにのみクロミナンス情報を使用する；（２）輝度変化が局部的な画像変化を識別するのに十分でない位置にだけクロミナンス変化を導入する。上述した２つの基準を満たすために、選択された重み係数は、式（３）によって付与される。関数sign及び関数fは、各々第１及び第２の基準に対応する。

実施の形態において、第１の基準は、Ｌ_hp及びｃ_hpに適用される「関数sign」を使用して解決される。実施の形態において、ｘ≧０のとき、ｓｉｇｎ（ｘ）は＋１の値を示し、ｘ＜０のとき、−１の値を示す。関数signは、各画素においてハイ−パス・フィルタ処理された輝度及びクロミナンス成分に適用される。このような関数を使用して、ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス情報は、輝度変化を強めるように輝度情報だけを修正するために使用される。ハイ−パス輝度修正の極性及び符合は、ハイ−パス輝度信号の極性及び符号と一致するように、関数signによって調整される。詳細には、ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス情報が輝度信号を修正するために使用される前に、ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス情報には、ｓｉｇｎ（Ｌ_hp）及びｓｉｇｎ（ｃ_hp）の両方が掛けられる。これは、ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス情報がエッジのハイ−パス・フィルタ処理された輝度情報と同じ符号を有し、故に、エッジを弱めるするのではなく、強めるだけであることを確実にする。

一例として、図２Ａ〜２Ｆに示されるシナリオを検討する。図２Ａ〜２Ｆでは、画像におけるエッジは輝度（図２Ａ）及びクロミナンス（図２Ｄ）の両方において変化するが、該エッジの極性は反対である。（これは、例えば、白領域と色鮮やかな領域との間のエッジにおいて非常に一般的に起こることであり、白領域は輝度が高く（クロミナンスが低く）、色鮮やかな領域はクロミナンスが高い（輝度が低い）。）エッジに近接するハイ−パス輝度信号Ｌ_hp（ｘ）が図２Ｂに、該ハイ−パス輝度信号に対応する関数signの出力が図２Ｃに示される。エッジに近接するハイ−パス・クロミナンス信号ｃ_hpが図２Ｅに、該ハイ−パス・クロミナンス信号に対応する関数signの出力が図２Ｆに示される。ハイ−パス・クロミナンス信号（図２Ｅ）を輝度信号（図２Ａ）に直接加えることは、輝度信号を強めるのではなく、実質的に平滑化することなる。これを防止するために、ハイ−パス輝度信号Ｌ_hpの符合（図２Ｃ）に、ハイ−パス・クロミナンス信号（図２Ｆ）の符号が掛けられる。この結果、このエッジに近接した任意の場所における、全体的な関数signの出力は、−１となる。図２Ｅのハイ−パス・クロミナンス信号に全体的な関数signの出力を掛けることによって、その極性が図２Ｂのハイ−パス輝度信号の極性と一致するように、効果的に反転させる。この反転したハイ−パス・クロミナンス信号は、図２Ａのオリジナルの輝度信号に加えられる。

第２の基準を解決するために、即ち、輝度変化が局部的な画像変化を識別するのに十分でない「領域」にクロミナンス変化のみを取り入れるために、多数の関数を使用することができる。これを達成するために、輝度変化が大きいとき、クロミナンス・フィードバックの量は減少される。輝度変化が大きいときにクロミナンス・フィードバックの量を減少させることは、十分な詳細を示す領域において必要以上のエッジ強調を防止する従来のストラテジーである。図３は、使用できる関数ｆの多数の実施態様の１つを示している。パラメータＫ、Ｂ１、及び、Ｂ２は、オリジナルのカラー画像における輝度エッジの強度の関数として、輝度エッジ強調の量を制御する。関数の個々のパラメータは、例えば、出力装置の所望の出力及び特性に依存する。さらに、単調かつ非増加の関数の所望の特性を実現させる多くの機能が選択できる。関数ｆの形状は、例えば、グレースケール画像を生成するプリンタや、ディスプレイ装置などの多数の因子に依存することになる。しかしながら、関数ｆは、｜Ｌ_hp｜として示されるハイ−パス・フィルタ処理された輝度信号の大きさだけに依存すべきであり、該輝度信号の極性に依存すべきではない。

実施の形態において、ｃ_hpの任意の処理はまた、ノイズ及びノイズ感度を低減させるように好適に実行される。クロミナンス・エッジ表示が小さい（即ち、ｃ_hpが非常に小さい）領域において、ｃ_hpを０に設定することはフィードバックを削除する。これは、クロミナンス・ノイズが輝度チャネル内に漏れることを防止することになる。

実験の際、上記に概説された方法を評価するために複数のカラー画像が使用された。カラー・プリントは、カラー特性を有する(color-characterized)ゼロックス・フェイザー７７００（Xerox Phaser 7700）プリンタ上で作成した。何れの場合においても、Ｌ^*画像は、グレースケール装置をシミュレートする前記プリンタ上のブラック・トナーのみを使用して印刷された。選択されたプリント及びプリンタに対して、重み関数ｆ（Ｌ_hp）のパラメータが、Ｋ＝１、Ｂ１＝１５、及び、Ｂ２＝４０として選択された。これらは、経験的に到達した値である。パラメータＫ、Ｂ１、Ｂ２がもっと大きい値になると、高周波のよりアグレッシブな強調が生じる結果となる。クロミナンス・エラーをフィルタ処理するためのハイ−パス・フィルタは、特許文献１で使用されるフィルタに基づいて選択された。３つのピクチャ画像には、単純な１５×１５サイズのハイ−パス・フィルタを使用した。テキスト画像には、より小さい５×５サイズのハイ−パス・フィルタが、より有効であることが認識された。種々のパラメータのカスタム調整（チューニング）は、おそらく更なる改善を付与することになる。該カスタム調整は、出力装置、顧客の好みなどの関数としてなされてもよい。

本明細書中に論じられる実施の形態は、画像がカラーからグレースケールに変換されるときに画像のエッジを強調するための方法を述べている。この方法は、同じ複数の画素のクロミナンス情報に基づいて、画像を構成する複数の画素のサブセットの輝度成分を調整し、調整された輝度成分に基づく出力画像を生成することから成る。複数の画素のサブセットは、あるオブジェクトと別のオブジェクトとの間のエッジに隣接し、そのエッジに隣接しない画素は調整されない。

図４は、本明細書中に開示される方法の実施の形態のフローチャートを示す。このフローチャートにおいて概説される通りのステップの順序は、要求されない。さらに、一部のステップは、以前のステップの結果に基づいて条件付きで省略されてもよい。まず、画像入力装置はカラー画像を受信する（１０）。画像は、次に、輝度−クロミナンス空間に変換される（２０）。この変換は、入力装置によって行なわれてもよいし、入力信号が送信される別の装置によって行なわれてもよい。ハイ−パス・フィルタが、次に、輝度及びクロミナンス信号に適用される（３０）。実施の形態において、ハイ−パス・フィルタ処理された複数のクロミナンス成分は、単一のコンポーネントに結合される（４０）。ハイ−パス・フィルタ処理され結合されたクロミナンス成分は、重み付けされる。まず、ハイ−パス・フィルタ処理され結合されたクロミナンス成分の極性が、ハイ−パス・フィルタ処理された輝度成分と一致しない場合（５０）、ハイ−パス・フィルタ処理され結合されたクロミナンス成分が反転される（６０）。ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分が反転されるかどうかにかかわらず、ハイ−パス・フィルタ処理され結合されたクロミナンス成分には、ハイ−パス・フィルタ処理された輝度成分の大きさに基づく重み係数が掛けられる（７０）。実施の形態によっては、重み係数はハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分の大きさにも基づいてよい。ハイ−パス・フィルタ処理された輝度成分が大きい場合、重み係数は小さくなり、ハイ−パス・フィルタ処理された輝度成分が小さい場合、重み係数は大きくなる。ハイ−パス・フィルタ処理され、結合され、重み付けされたクロミナンス成分が、輝度成分を修正するために使用される（８０）。修正された輝度信号は、その後、グレースケール画像を出力する（９０）出力装置に送信される。

図５は、本明細書中に開示される方法を達成するための装置を示している。画像入力装置１１０は、カラー画像に対応するデータのソースである。画像入力装置は、例えば、カラー・スキャナ、適切な文書や画像作成ソフトウェアを備えたパーソナル・コンピュータ若しくはワークステーション、カメラやデータ記憶装置などであってよい。必要に応じて、カラー画像データは、次に、該カラー画像データを輝度−クロミナンス表示に変換する色変換装置１２０に送信される。色変換装置１２０は、種々の形式及び動作上の詳細を採ることができ、該色変換装置は、例えば、プロセッサ上で作動するソフトウェアや、ＡＳＩＣなどであってよい。該色変換装置は画像入力装置１１０の構成要素であってもよく、画像入力装置１１０の一部であってもよい。次に、輝度信号及びクロミナンス信号は、エッジ検出器１３０を通過する。エッジ検出器１３０は、オリジナルのカラー画像における輝度及びクロミナンスの各々のエッジを決定するためにハイ−パス・フィルタを使用する。実施の形態において、初期の輝度信号及びハイ−パス・フィルタ処理された輝度及びクロミナンスの各々の信号は処理装置１４０に送信される。処理装置１４０は、プロセッサ上で作動する配線回路又はソフトウェアであってよい。処理装置１４０は、ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス信号に対する全体的な極性の修正を決定するために、ハイ−パス・フィルタ処理された輝度信号の極性及びハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス信号を比較する。処理装置は、ハイ−パス・フィルタ処理された輝度信号の大きさに基づいて、ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス信号を重み付けすることもできる。輝度信号及びハイ−パス・フィルタ処理され重み付けされたクロミナンス信号は、次に、フィードバック装置１５０に送信される。フィードバック装置１５０は、ハイ−パス・フィルタ処理され重み付けされたクロミナンス信号に基づいて輝度信号を変更する。変更された輝度信号は、グレースケール出力装置１６０に送信される。グレースケール出力装置１６０は、例えば、プリンタ、（例えば、電話や、ＰＤＡなどの）ディスプレイ・スクリーン、ファクシミリ装置、又は、電子ペーパーなどであってよい。

本発明は特定の実施の形態を参照して説明されているが、本発明をこれらの実施の形態に制限しないことが意図されることが理解されるだろう。本発明の精神及び範囲に含まれ得るように、実質的な同等物や、類似した同等物などを含む、代替物、変更、及び同等物を包含することが意図される。全ての特許出願、特許、及び、引用された他の文献は、本明細書中に参照によって全体的に組み込まれる。

カラー−グレースケール変換の方法を示すブロック図である。輝度エッジ及びクロミナンス・エッジの間の相互関係を示す図である。輝度エッジ及びクロミナンス・エッジの間の相互関係を示す図である。輝度エッジ及びクロミナンス・エッジの間の相互関係を示す図である。輝度エッジ及びクロミナンス・エッジの間の相互関係を示す図である。輝度エッジ及びクロミナンス・エッジの間の相互関係を示す図である。輝度エッジ及びクロミナンス・エッジの間の相互関係を示す図である。クロミナンス重み係数を計算するために使用される関数ｆ（Ｌ_hp）の例を示すグラフである。カラー画像をグレースケール画像に変換する方法を示すフローチャートである。カラー−グレースケール変換システムを概略的に示す図である。

符号の説明

１１０画像入力装置
１２０色変換装置
１３０エッジ検出器
１４０処理装置
１５０フィードバック装置
１６０出力装置

Claims

少なくとも１つのハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分を計算するために、ハイ−パス・フィルタをカラー画像の少なくとも１つのクロミナンス成分に適用し、
前記少なくとも１つのハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分に基づいて、前記カラー画像の輝度成分を調整する、
方法。
さらに、調整された前記輝度成分に基づいて、出力画像を生成する、請求項１に記載の方法。
さらに、
ハイ−パス・フィルタ処理された輝度成分を計算するために、ハイ−パス・フィルタを前記カラー画像の輝度成分に適用し、
ハイ−パス・フィルタ処理された前記輝度成分に基づく重み係数によって、少なくとも１つのハイ−パス・フィルタ処理された前記クロミナンス成分を重み付けする、
請求項１に記載の方法。
前記重み係数が、符号因子を含み、
ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分の極性と、ハイ−パス・フィルタ処理された輝度成分の極性と、が反対であるとき、前記符号因子は−１であり、
ハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分の極性と、ハイ−パス・フィルタ処理された輝度成分の極性と、が同じであるとき、前記符合因子が１である、
請求項３に記載の方法。
さらに、ハイ−パス・フィルタ処理された前記クロミナンス成分の大きさに基づく重み係数によって、少なくとも１つのハイ−パス・フィルタ処理された前記クロミナンス成分を重み付けする、請求項１に記載の方法。
輝度成分及びクロミナンス成分を有するカラー画像を受信する画像入力装置と、
前記画像入力装置と動作可能に接続され、受信した前記クロミナンス成分からハイ−パス・フィルタ処理されたクロミナンス成分を計算するためのハイ−パス・フィルタを含む、エッジ検出器と、
前記エッジ検出器と動作可能に接続され、ハイ−パス・フィルタ処理された前記クロミナンス成分に基づいて、前記輝度成分を修正変更する、フィードバック装置と、
前記フィードバック装置に動作可能に接続され、修正変更された前記輝度成分を受信し、修正変更された該輝度成分に基づいてグレースケール画像を出力する、出力装置と、
を含む、カラー画像をグレースケール画像に変換するシステム。
カラー画像から生成されるグレースケール画像であって、
同じ色を有するカラー画像の少なくとも一部の画素が、各画素の空間的環境に応じて、グレースケール画像の異なるグレイにマッピングされる、
グレースケール画像。
複数の画素の中のどの画素がエッジに密に近接しているかを決定し、
複数の画素のクロミナンス成分に基づいて、同じ複数の前記画素のサブセットの各々の輝度成分を調整し、
調整された前記輝度成分に基づいて出力画像を生成する、
複数の画素から構成される画像のカラー−グレースケール変換を改善する方法。
カラー画像から生成されるグレースケール画像における第１のオブジェクトと第２のオブジェクトとの間のエッジを強調する方法であって、
オリジナルのカラー・エッジの強度の関数として、前記第１のオブジェクトと第２のオブジェクトとの間のエッジに近い第１のオブジェクトを暗くし、該第１のオブジェクトと第２のオブジェクトとの間のエッジに近い第２のオブジェクトを明るくする、
方法。