JP2006311266A - 画像処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多値スクリーン処理と誤差拡散処理を組み合わせて、簡易な構成で最終出力値を多値とするスクリーン処理を可能とする。
【解決手段】スクリーン処理部７において、入力されたｍビットの画像データISは、ディザ処理部８によりｍビットのスクリーン画像データSCに変換された後、ビット分割部９において下位ｎビット、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データに分割される。下位ｎビットの画像データは、ビット変換部１１、誤差拡散処理部１２に順次入力され、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データは、ビットシフト処理部１０に入力された後、ビット合成部１３において上位及び下位の各画像データが合成され、（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データOUTとして出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、中間調を再現するため、画像データにスクリーン処理を施す画像処理装置に関する。

一般に、プリンタ等の画像形成装置において、中間調を再現するスクリーン処理方法として、ディザ法や誤差拡散法が用いられている。
ディザ法は、マトリクス状に配置された閾値と画像データとの比較によって周期的な階調パターンが生成され、これによって擬似的な階調再現が行われる。解像度が有る程度低下する場合があるが、安定した階調の再現を行うことができ、一般的にこの方法が用いられることが多い。

一方、誤差拡散法は、基本的に閾値は一定値であり、閾値と注目画素との比較によって出力値が決定され、その比較の際に生じた誤差（出力値と比較画素値との差）を未処理の周辺画素に加えることによって、解像度を維持しながら階調を再現することができる方法である。誤差拡散法の基本的なアルゴリズムは、FloydとSteinbergが、”An Adaptive Algorism for Spatial Greyscal”(Proceedings of the SID 17/2,75-77,1976)の中で提案している。この誤差拡散法による像構造は、ノイズ状で周期的な成分が無いため、モアレが発生しにくいが、ノイズ状の像構造が好まれない場合がある。

ディザ法によりスクリーン処理を行う場合、まずディザマトリクスを設定する必要がある。ディザマトリクスはｍ×ｎのマトリクス状に閾値が入りされたものである。ここで、１つのドット（網点）を形成するためのディザマトリクスをセルと呼ぶ。セルサイズｍ×ｎは、基本的には入力多値数と出力多値数に依存し、下記式を満たすように設定する。
ｍ×ｎ≧（入力多値数−１）／（出力多値数−１）

例えば、入力多値数が２５６階調、出力時の階調も擬似的に２５６階調を表現したい場合、出力多値数が２値であればｍ×ｎ≧２５５、４値であればｍ×ｎ≧８６、１６値であればｍ×ｎ≧１７というように、出力多値数により最低限必要なセルサイズが変わってくる。出力多値数が少ない場合は大きなセルサイズが必要となるが、セルサイズを単純に大きくしただけでは、解像度が失われてしまうといった問題がある。

そこで、大きなセルサイズが必要な場合、スーパーセルと呼ばれる一つの大きなセルの中に複数のセルを配置することによって、解像度の低下を抑える方法が用いられている。スーパーセル法では、一つのスーパーセルの中に小さな同じ（又は一部異なる）形状のセルが複数配置され、同一のランプ入力に対する各セルのドットの成長をそれぞれ少しづつずらすことによって、階調性を確保しながら見た目の解像度を向上させることができる。ただし、セルの成長のずれが目視できる場合、これがディザ処理によって繰り返し出現することとなる。その繰り返し周期は、スーパーセルのサイズと一致し、視覚的に認識しやすい周期となることが多く、結局これが周期的なパターンノイズとなって画質劣化を引き起こしてしまう。特に、出力多値数が２値等、小さい場合、或いはスーパーセルを構成する個々のセルのサイズが小さい場合は、ドットの不揃いの程度が大きくなって劣化が顕著となる。

この問題に対して、スーパーセルのサイズをさらに大きくして、セルの中のドット数を増やせば、それらのドットの成長のズレを擬似的に不規則に配置させることができるので、結果的にパターンノイズを目立たなくすることは有る程度可能である。しかしながら、
スーパーセルのサイズを大きくするためにはハードウェアの規模をそれだけ大きくする必要があり、コストアップとなってしまう。加えて、サイズの大きなスーパーセルに対する閾値データ（閾値マトリクス）の設定は難しく、熟練を要する。

さらに、出力多値数を選択できるようにしたい場合は、選択できる多値数の種類の数だけこの閾値マトリクスを準備する必要があった。前述のとおり、閾値マトリクスの設定には熟練と長い開発期間を要し、またその閾値データを記憶するための記憶容量が必要となる。

そこで、例えばスーパーセルを特に使用せずに周期的な信号を用い、誤差拡散処理との組み合わせによって最終的に２値のスクリーン処理を行うことができる技術が用いられている。
ディザマトリクスを使用したスクリーン処理と誤差拡散処理を組み合わせる技術としては、例えば２値誤差拡散の閾値にディザの閾値マトリクス状の周期的な信号を使用する方法が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。この方法によれば、スクリーン処理されたときのような周期的なドットパターンを誤差拡散によって生成することができる。ただし、２値誤差拡散を用いているために２値出力固定となる。そのため、最終出力値を多値とすることができなかった。

また、多値スクリーン処理をした画像データに２値誤差拡散をするといった方法も開示されている（例えば、特許文献３、４参照）。
特開昭５４−１４４１３９号 特開２００３−１１０８５２号公報 特開平６−９８１５７号公報 特開平８−１２５８６１号公報

この方法によれば、多値スクリーンによって２ビット又は４ビットに変換された画像データは、最終的に誤差拡散によって１ビット固定出力となる。これによって、多値スクリーンのための閾値マトリクスを用いて１ビットのスクリーン処理を実現できるが、これらもやはり最終出力を多値とすることができなかった。

本発明の課題は、多値スクリーン処理と誤差拡散処理を組み合わせて、簡易な構成で最終出力値を多値とするスクリーン処理を可能とすることである。

請求項１に記載の発明は、画像処理装置において、
ｍビットの画像データにスクリーン処理を施して、ｍビットのスクリーン画像データを出力するスクリーン処理手段と、
前記ｍビットのスクリーン画像データを、下位ｎビットと、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データに分割する分割手段と、
前記下位ｎビットの画像データに、誤差拡散処理を施して１ビットの誤差拡散画像データを出力する誤差拡散処理手段と、
前記分割手段により分割された上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データと、前記誤差拡散処理手段により出力された１ビットの誤差拡散画像データとを合成して、（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データを生成する合成手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像処理装置において、
前記下位ｎビットの画像データを所定のＬビットの画像データに変換するレベル変換手段を備え、
前記誤差拡散処理手段は、前記変換されたＬビットの画像データに誤差拡散処理を施して１ビットの誤差拡散画像データを出力することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の画像処理装置において、
前記出力画像データの出力ビット数（ｍ−ｎ＋１）を設定可能であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の画像処理装置において、
前記合成手段は、前記上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データを左に１ビットシフトさせた後、前記１ビットの誤差拡散画像データを加算して、（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データを生成することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の画像処理装置において、
前記（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データを記憶する記憶手段を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、スクリーンセルを用いた周期的なドットパターンを簡易な構成の誤差拡散処理により実現することができるとともに、その最終出力値を多値とすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、出力ビット数に応じて変動する下位ｎビットの画像データを所定のビット数Ｌに変換した後、誤差拡散処理を行うため、誤差拡散処理に係るハード構成をＬビット対応に統一することができ、簡易な構成とすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、オペレータが出力ビット数を可変することができる。一般に、出力ビット数が異なると、スクリーン処理のパラメータを切り替えなければならず、またその切替用のパラメータを設計しなければならない。しかし、本発明によれば、一のパラメータで異なるビット数の出力画像データを得ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、出力画像データを記憶するので、その記憶容量に応じた出力ビット数を選択することができる。

まず、構成を説明する。
図１に、本実施形態における画像処理装置１の内部構成を示す。
図１に示すように、画像処理装置１は、コントローラ２、γ処理部４、操作部５ａ、表示部５ｂ、レジスタ６、スクリーン処理部７、メモリ１４を備えて構成されている。コントローラ２に入力された画像データIMAGEは、１画素づつγ処理部４に入力されてγ処理が施された後、スクリーン処理部７においてスクリーン処理が施され、出力画像データOUTに変換される。画像処理装置１がプリンタ、複写機等の画像形成装置に組み込まれている場合には、出力画像データOUTが画像形成部の方へ出力されることとなる。

以下、各部２〜７について説明する。
コントローラ２は、外部から処理対象の入力画像データIMAGEを受け取り、ラスタライズ処理により画素毎の画像データISを生成する。なお、画像データIMAGEを印刷出力する際に使用される色材（ここでは、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マジェンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（黒）の４色とする）毎に色変換することとしてもよい。

また、コントローラ２は、操作部５ａから入力される操作信号に応じて、スクリーン処理部７における処理条件（パラメータ値）の変更設定等を行う。

γ処理部４は、γ補正用のＬＵＴ（ルックアップテーブル）を用いて入力された画像データISに対し、γ補正を行う。

操作部５ａは、スクリーン処理の処理条件等をオペレータが設定操作するための操作手段であり、オペレータの操作に応じた操作信号を生成してコントローラ２に出力する。

表示部５ｂは、スクリーン処理条件の設定画面等の操作画面、処理結果等を表示する。

レジスタ６は、各部２〜７の処理に必要なパラメータ等を記憶しており、各部２〜７からの読み出し要求に応じて、指定されたパラメータや処理に必要なデータを出力する。例えば、スクリーン処理部７において必要な閾値（後述するTH1,TH2）を算出するためのＬＵＴ（tb1,tb2）や、画像データの出力ビット数に対するビット分割の条件を定めたテーブル（詳細は後述する）等を記憶している。

スクリーン処理部７は、図１に示すように、ディザ処理部８、ビット分割部９、ビットシフト処理部１０、ビット変換部１１、誤差拡散処理部１２、ビット合成部１３を備えて構成されている。スクリーン処理部７に入力されたｍビットの画像データISは、ディザ処理部８によりｍビットのスクリーン画像データSCに変換された後、ビット分割部９において下位ｎビット、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データに分割される。下位ｎビットの画像データは、ビット変換部１１、誤差拡散処理部１２に順次入力され、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データは、ビットシフト処理部１０に入力された後、ビット合成部１３において上位及び下位の各画像データが合成され、（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データOUTとして出力される。

なお、最終出力の（ｍ−ｎ＋１）ビットを、何ビットにするかはオペレータが設定可能である。設定時には、図２に示すような設定画面が表示部５ｂ上に表示される。図２に示す設定画面では、入力ビット数８ビットの場合の最終出力として、８ビット、４ビット、２ビット、１ビットの各出力ビット数が選択的に表示される。これに対してレジスタ６には、選択された出力ビット数の場合に分割する上位ビット数（ｍ−ｎ）、下位ビット数ｎが予め設定されたテーブル（図３参照）が記憶されている。例えば、出力ビット数として「４ビット」が選択された場合、入力画像データＩＳは、図３に示すテーブルに基づいて上位ビット３、下位ビット５に分割されることとなる。

以下、図４に示すスクリーン処理部７における処理の流れと合わせて、各部８〜１３について説明する。

ディザ処理部８は、γ処理部４から入力されたｍビットの画像データISに対し、多値ディザ処理を施してｍビットのスクリーン画像データSCを出力するスクリーン処理手段である。

以下、多値ディザ処理について説明する。
まず、ディザ処理部８は、図５に示すようなスクリーンセルを設定し、このスクリーンセルを構成する各要素（これをセル要素という。１セル要素は１画素に対応する。）に対応する閾値TH1、TH2（TH1＜TH2）を求める。ここで、セル要素の主走査方向における要素数をM、副走査方向における要素数をN、スクリーンセルの副走査方向におけるシフト量をαとし、スクリーンセル内を注目画素（位置座標を（i,j）とする。）を走査させて、下
記式（１）〜（３）により、スクリーンセルにおける注目画素の位置を示す要素eを特定する（図４に示すステップＳ１）。
e=sai+saj×M・・・（１）
sai{i+（j/N）×α}/M・・・（２）
saj=j/N・・・（３）
なお、sai、sajは、スクリーンセル内における要素eの位置を示す指標値である。

次いで、閾値TH1、TH2を決定するためのＬＵＴであるテーブルtb１、tb２をレジスタ２から読み出す（図４に示すステップＳ２）。テーブルtb１、tb２は、予め入力値eに対応する出力値TH1、TH2がそれぞれ設定されているものである。このテーブルtb１、tb２に、上記の式（１）〜（３）により求められた要素eの値を入力し、対応する出力値TH1[e]、TH2[e]を得る。なお、TH1[e]＜TH2[e]となるように、テーブルtb１、tb２を作成する。

そして、得られたTH1[e]、TH2[e]を用いて、次式（４）によりスクリーン処理後の画像データSCを算出する（図４に示すステップＳ３）。
SC[e]={(IS−TH1)×255/(TH2-TH1)}・・・（４）
ただし、SC＜０のとき、SC=０であり、SC＞２５５のとき、SC=２５５とする。
上記式（４）により示される閾値関数SC[e]は、閾値TH1、TH2により直線補間された、図６に示すような関数となる。

これを各セル要素eについて求める。
図５で示す、M=４、N=１、シフト量α=１のスクリーンセルを使用した例では、各セル要素e=１〜４には異なった閾値関数SC[e]が算出され、各セル要素で算出された閾値関数SC[e]の関係は、図７に示すようなものとなる。

なお、本実施形態では、ｍビットのスクリーン画像データを出力する多値スクリーン処理方法として、多値ディザ処理を適用した例を説明したが、多値のスクリーン画像データを出力するので有ればその処理方法は特に限定されない。

ビット分割部９は、レジスタ６に記憶されているテーブル（図３参照）に基づき、オペレータにより設定された出力ビット数に応じて、ディザ処理部８から入力されたｍビットのスクリーン画像データSCを、下位ｎビット、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データに分割する分割手段である（図４に示すステップＳ４）。分割された下位ｎビットの画像データはビット変換部１１に出力し、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データはビットシフト処理部１０に出力する。

例えば、入力ビット数が８ビット、最終出力ビット数が４ビットに設定されている場合、図３に示すテーブルに基づいて上位３ビット、下位５ビットに分割する。

ビットシフト処理部１０は、ビット分割部９から入力された上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データを１ビット左へシフトさせる。シフト方法は、（ｍ−ｎ）ビットを２倍する等、何れの方法であってもよい。シフトは、画像データが上位及び下位のビット毎に分割された際に下位ビットが抜き出されるため、上位ビットが右に寄せられた状態でビット合成部１３に入力されるが、後にビット合成部１３において、下位ビットの画像データが１ビットに変換されて上位ビットの画像データに加算され、下位ビットが右側に挿入されることとなるので、この下位１ビット分の挿入領域を確保するためである。
そして、ビットシフト処理部１０は、１ビット左へシフトされた（ｍ−ｎ＋１）ビットの画像データをビット合成部１３に出力する。

ビット変換部１１は、ビット分割部９から入力されたｎビットの画像データをＬビット
にレベル変換するレベル変換手段である（図４に示すステップＳ５）。これにより、常に誤差拡散処理部１２に入力される画像データは所定のビット数Ｌビットとなり、ビット分割部９から異なるビット数の画像データが入力されても、同一構成で誤差拡散処理が可能となる。
レベル変換は、下記式（５）により行うことができる。
Ko＝Kin×(2^ｍ-1)/(2^ｎ-1)・・・（５）
ただし、Kinは入力画素値を示す。

例えば、入力ビット数が８ビット、最終出力ビット数が４ビットに設定されている場合、上記式５は、Ko＝Kin×２５５／３１となり、この式にKinを入力することにより、Ｌビットに変換された画像データKoを得ることができる。その後、Ｌビットに変換された画像データKoを誤差拡散処理部１２に出力する。

なお、上記の演算を行うハード構成を構築することとしても良いが、各Kinの値に対する計算結果を予め求めておき、入力値Kinに対する出力値Koの値をＬＵＴとしてレジスタ６に記憶させておくこととしてもよい。

誤差拡散処理部１２は、ビット変換部１１から入力されたＬビットの画像データKoに誤差拡散処理を施す誤差拡散処理手段であり、１ビットの誤差拡散画像データを出力する。
図８に、誤差拡散処理部１２のハードウェア構成を示す。
図中、ＦＦ１〜ＦＦ５はフリップフロップであり、ＡＤＤ１〜ＡＤＤ５は加算器である。Ｌビットに変換された画像データは、１画素づつ画素クロック毎に順次ＦＦ１〜ＦＦ５、ＡＤＤ１〜ＡＤＤ５に出力され、最終的に閾値処理部１２１に出力される。なお、後段のラインメモリ１２２には、中間処理された１ライン分の画像データが一時記憶されている。

閾値処理部１２１では、予め設定された閾値TH3と入力された画像データの画素値Koに周辺画素の処理で発生した誤差を加算して得られる画素値Ko′とを比較し、その比較結果に応じて１又は０の何れかの出力値EDを出力し、２値化（１ビット変換）する。また、閾値処理部１２１は、出力値EDと画素値Koとの誤差{(２^Ｌ−１)×ED-Ko′}を所定の比率（図中、ｎ／１６で示す比率）で各加算器ＡＤＤ１〜ＡＤＤ５に出力し、誤差を分散させる。分散された誤差値は、加算器ＡＤＤ１〜ＡＤＤ５により、ＦＦ１、ＦＦ３、ＦＦ４、ＦＦ５、ラインメモリ１２２のそれぞれにラッチされている画素値に加算されることとなる。つまり、閾値TH3との比較により生じた誤差が、未処理の周辺画素に所定の割合で拡散されることとなる（図４に示すステップＳ６）。

その後、誤差が加算された画像データKo′が閾値処理部１２１に入力され、この画像データKo′と閾値TH3とが再び比較されることとなる。そして、その誤差が未処理の周辺画素に分散されるという処理が繰り返される。
このようにして、１ビットに変換された画像データEDは、ビット合成部１３に出力される。

なお、誤差拡散処理部１２は、複数ビットを１ビット変換（２値化）する典型的な機能があればよい。また、上記の閾値TH3は固定値に限らず、ノイズを加えることとしてもよい。また、所定の比率で誤差を分散させる分散マトリックスの例を説明したが、比率は固定であってもよいし、比率を周期的に変化させることとしてもよい。

ビット合成部１３は、ビットシフト処理部１０から入力された上位（ｍ−ｎ＋１）ビットの画像データに、誤差拡散処理部１２から入力された１ビットの誤差拡散画像データを加算して合成し、（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データOUTを出力する合成手段である
（図４に示すステップＳ７）。

メモリ１４は、スクリーン処理部７から出力された出力画像データOUTを記憶する記憶手段である。

以上のように、本実施形態によれば、ディザ処理による周期的なドットパターンを、簡易な構成の誤差拡散処理により実現することができるとともに、その最終出力値を多値（複数ビット）とすることができる。

また、入力されたｍビットの画像データISを分割するビット数ｎを変更することによって、出力ビット数を変更することができる。最終出力ビット数は、オペレータが選択することができるので、必要なビット数のスクリーン処理を選択的に行うことができる。例えば、文字が多い画像データであれば出力ビット数を下げ、写真画が主体の画像データであれば出力ビット数を上げて画質を向上させることができる。さらに、画像データのメモリの容量に応じて出力ビット数を選択することもでき、画像データを効率良く保存させることができる。

また、一般に、同じスクリーン線数、スクリーン角度でも、出力ビット数が異なればスクリーン処理のパラメータ（処理条件）を切り替える、或いはそのために事前にパラメータを設計する必要があったが、本実施形態によれば、同一のパラメータで異なるビット数のスクリーン処理を実現することができる。

また、ビット変換部１１において出力ビット数に応じて変動する下位ｎビットの画像データを所定のビット数Ｌにレベル変換した後、誤差拡散処理を行う構成としたので、誤差拡散処理部１２の構成やパラメータをＬビット対応に統一することができ、簡易な構成とすることができる。

本実施形態における画像処理装置の内部構成を示す図である。 出力ビット数の設定画面例を示す図である。 出力ビット数に対して分割する上位ビット数、下位ビット数が規定されたテーブル例を示す図である。 図１のスクリーン処理部における処理の流れを示すフローチャートである。 スクリーンセル例を示す図である。 セル要素に対して設定される閾値関数を示す図である。 各セル要素に設定される閾値関数の関係を示す図である。 図１の誤差換算処理部の構成を示す図である。

符号の説明

１ 画像処理装置
２ コントローラ
４ γ処理部
５ａ 操作部
５ｂ 表示部
６ レジスタ
７ スクリーン処理部
８ ディザ処理部
９ ビット分割部
１１ ビット変換部
１２ 誤差拡散処理部
１３ ビット合成部

Claims (5)

1. ｍビットの画像データにスクリーン処理を施して、ｍビットのスクリーン画像データを出力するスクリーン処理手段と、
   前記ｍビットのスクリーン画像データを、下位ｎビットと、上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データに分割する分割手段と、
   前記下位ｎビットの画像データに、誤差拡散処理を施して１ビットの誤差拡散画像データを出力する誤差拡散処理手段と、
   前記分割手段により分割された上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データと、前記誤差拡散処理手段により出力された１ビットの誤差拡散画像データとを合成して、（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データを生成する合成手段と、
   を備えることを特徴とする画像処理装置。
2. 前記下位ｎビットの画像データを所定のＬビットの画像データに変換するレベル変換手段を備え、
   前記誤差拡散処理手段は、前記変換されたＬビットの画像データに誤差拡散処理を施して１ビットの誤差拡散画像データを出力することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記出力画像データの出力ビット数（ｍ−ｎ＋１）を設定可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像処理装置。
4. 前記合成手段は、前記上位（ｍ−ｎ）ビットの画像データを左に１ビットシフトさせた後、前記１ビットの誤差拡散画像データを加算して、（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データを生成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の画像処理装置。
5. 前記（ｍ−ｎ＋１）ビットの出力画像データを記憶する記憶手段を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の画像処理装置。

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