JP2011090475A - デジタル画像処理装置および背景色置換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ほぼ均一色の背景領域を判定し、絵柄領域を分離する処理が複雑になる。
【解決手段】入力してくる元画像データを画像メモリに記憶し、画像メモリから順次に読み出される画素データについて、注目画素とその隣接画素が背景画素値範囲にあるか否かにより当該注目画素が背景色領域候補の画素であるかを判定する。そして、背景色領域候補の画素の内から絵柄領域の近傍領域を除外して当該注目画素が背景領域に属するかを判定し、背景領域に属すると判定された注目画素の画素値を一定の背景色画素値へ置換するように画素データを処理する。背景画素値範囲は、外部から指定してもよいし、元画像の中で背景と推定される領域の一部の画素の画素値の平均値を用いて変更してもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、デジタル画像処理、特に、デジタル画像におけるほぼ均一な背景色の領域を一定の背景色へ置換する処理に関する。

一般に、デジタル画像の中の異なる画像領域を正確に判定することは、デジタル画像の視覚的品質を改善させるための処理として欠くことができないが、画像における背景領域を認識することは、圧縮効率上、データ圧縮技術にとっても重要である。

撮影、印刷、スキャンなどにより画像を取得した場合、視覚的には均一色の画像領域を構成する画素の各々は同一の画素値を有していない場合がある。このような、ほぼ均一色の画像領域では、画素値は、中央またはピークの値を中心とした狭い分布を形成する傾向にある。

特に、研究・解析の目的で顕微鏡やセンサーなどにより撮影したデジタル画像は、注目するべき対象が画像の中央部にあり、それ以外の背景領域は視覚上均一色であってデータとしての価値を持たないことが多い。しかし、背景領域はセンサーの特性によりランダムなノイズが載るためほぼ均一色の領域となり、完全に同一の画素値（カラー値）とはならない。また、撮影条件などによって背景の画素値分布が微妙に変わることも起こり得る。

ところで、研究・解析の目的で顕微鏡やセンサーなどにより撮影したデジタル画像については、データを保存するのに、一般には非可逆方式での圧縮は好まれず、非圧縮、若しくは可逆圧縮方式が用いられる。可逆圧縮方式とは、圧縮前のデータと圧縮・伸張の処理により復元したデータとが完全に等しくなるデータ圧縮方式である。このようなデジタル画像に対して可逆圧縮を行ってデータを保存する場合、画素値が一様でない背景領域も含めて圧縮する必要があるため、全体の圧縮率が良くならないという問題点がある。

この点に関し、特許文献１には、画像全体の画素値ヒストグラムや画像平面内のエッジ判定結果を用いて全体背景や局所背景を示す領域を分離する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、局所背景領域等も判定するために、画像全体の画素値ヒストグラムや画像平面内のエッジ判定結果を用いて領域を判定するので、画像を数回に亘り解析する必要がある。

また、特許文献２には、対物レンズごと、観察倍率ごと、検顕方式ごとに最適な画像を得るために、撮影時のデジタルノイズの影響を除去する顕微鏡用デジタルカメラおよび顕微鏡システムが開示されている。しかし、この技術では、注目画素のみに対する処理判定を行うため、絵柄領域内で背景領域と似た色の必要な画素を背景と認識してしまう可能性が高く、本来、絵柄領域である画素領域に修整を加えることで研究・解析目的を重視する画像にとって十分に有効な除去手法とは言い難い。

特開２００７−３３６５６３ 特開２００１−２８１５５４

解決しようとする問題点は、ほぼ均一色の背景領域を判定し、絵柄領域を分離する処理が複雑になる点である。

本発明は、デジタル画像の均一色の背景領域を判定するため、注目画素および注目画素と隣接した画素について背景色画素値範囲内にある画素数を閾値判定し、更に注目画素から一定の範囲にあって前記閾値を超えた画素について画素数を閾値判定することで、ほぼ均一色の背景領域の判定を行うことを最も主要な特徴とする。

本発明は、画像メモリに記憶された画素データを順次に読み出して、絵柄領域との距離に配慮しつつ、ほぼ均一色の背景領域の画素値を一定の背景色の画素値に変換するため、単純な処理により絵柄領域を分離することができるという利点がある。

デジタル画像処理の対象となる元画像のイメージを例示する図である。 元画像１００に対する背景置換済画像のイメージを例示する図である。 本発明のデジタル画像処理装置のブロック図である。 隣接画素判定処理回路の要所の詳細図を示す。 隣接画素判定処理回路を例示する原理的なブロック図である。 隣接画素判定処理における注目画素と隣接画素を例示する図である。 隣接画素判定処理回路を例示する実際的なブロック図である。 一定範囲画素判定処理における注目画素と一定範囲画素を例示する図である。 一定範囲画素判定処理における注目画素と一定範囲画素を例示する他の図である。 図９に示した例に対する一定範囲画素判定処理回路のブロック図である。 背景画素値推定処理を説明するための元画像のイメージを例示する図である。 元画像をタイル分割した場合の分割形状のイメージを例示する図である。 コンピュータプログラムのプラットホームとなる情報処理システムの構成図である。

図１は本発明によるデジタル画像処理の対象となる元画像１００のイメージを例示する。元画像１００は、ほぼ均一色ながら微小な変動を含んでいる背景色の背景領域１０１の中に、背景色ではない意味のある画像である絵柄領域１０２が存在している。

図２は元画像１００に対して本発明による背景画素置換処理を施した背景置換済画像１１０のイメージを例示する。背景置換済画像１１０は、背景色がほぼ均一色ながら微小な変動を含んでいた背景領域１０２の大部分は、一定の背景画素値（以下、「背景色画素値」と記す）をもつ背景領域１１１に置換されている。このような背景置換済画像１１０に対して圧縮処理を行えば、高い圧縮効率を得ることができる。

なお、背景領域１１１の中の絵柄領域１１３の外周に沿う幅狭い領域は、背景色画素値へ置換されずに境界部分１１２として元画像１００における背景画素値のまま残す。これは、上記置換処理によって絵柄領域１０２が侵食されるのを防止するためである。絵柄領域１０２の画素は当然に置換されず、そのまま絵柄領域１１３とされる。

図３は本発明のデジタル画像処理装置のブロック図を示す。このデジタル画像処理装置は、入力してくる元画像データ１００から背景置換済画像１１０を経て圧縮画像データ１２０を出力する。２つの画像メモリ２，３は同じ構成であって、１つのアドレスに１画素の画素値を記憶する。元画像データ１００は画素書込み読出し制御回路１により画像メモリ２に書き込まれ、また読み出される。画像メモリ３には、後述のように、パイプライン処理の結果が書き込まれ、データ圧縮のために読み出される。なお、元画像と元画像データには、便宜上同じ参照番号１００を使用する。参照番号１２０および参照番号４〜８についても同様である。

背景画素値推定処理回路４には、撮影に際して想定される初期背景画素値範囲を外部から予め指定して設定することができる。しかし、後に元画像データ１００の背景領域１０１にある幾つかの画素の画素値平均が中心となるように背景画素値範囲を指定された範囲から変更する手段を持つことが好ましい。撮影条件などによる背景画素値のばらつきに対応して、より適した背景領域の判定を行うためである。その際、背景色である可能性が高い画像縁１画素の画素データから画素値推定の判定対象を抽出することで少ない処理で精度のよい推定が可能となる。ここで、画素データとは画素値を含む画素のデータである。

なお、画素値推定の判定対象として選んだ画素の中で、外部から指定された背景画素値範囲内にある画素数の割合が１/４や１/２をなどで指定した閾値を超えない場合に、背景領域がない画像と判定して背景画素値範囲の変更を適用しない。また、そのような画像の場合は画素値置換処理をしなくてもよい。

隣接画素判定処理回路５は、画素書込み読出し回路１よって画像メモリ２から順次に読み出される画素データについて、注目画素とその隣接画素が背景画素値範囲にあるか否かにより、注目画素が背景色領域候補の画素であるかを判定する。背景画素値範囲内の画素が所定割合以上であれば、注目画素は背景領域候補の画素であるとする。背景領域候補の画素の画素データは、画素書込み読出し回路１よって画像メモリ３に書き込まれる。

一定範囲画素判定処理回路６は、注目画素から指定された一定の距離（判定ブロックサイズ）内にある背景色領域候補の画素の数が所定割合以上であるか否かにより、注目画素が背景領域１１１に属するかを判定する。背景色領域候補の画素の数が所定割合以上なら、注目画素は背景領域１１１に属するとする。これは、境界領域１１２を確保するためである。

一定範囲画素判定処理回路６は、画素書込み読出し回路１よって画像メモリ３から順次に読み出される背景領域候補の画素データについて注目画素が背景領域１１１に属するかを判定する。背景領域１１１に属する画素の画素データは、画素書込み読出し回路１よって画像メモリ３に書き込まれる。

背景色置換処理回路７は、背景領域１１１に属すると判定された注目画素の画素値を背景色画素値へ置換するように画素データを処理する。この画素データは、画素書込み読出し回路１よって画像メモリ３から読み出される。注目画素が背景色領域候補の画素でないか、境界部分の画素の場合は、背景色画素値への置換を行わない。一方、絵柄領域１１３の中央部に空洞型の背景領域がある場合でも、その背景領域が判定ブロックサイズよりも十分に広ければ境界領域１１２を除いて背景領域１１１と認識することができる。

背景色置換処理回路７を経た画素データは、画素書込み読出し回路１よって画像メモリ３へ書き戻され、その後に画像圧縮処理回路８によって圧縮され、圧縮画像データ１２０とし外部へ出力されていく。背景領域１１１は、背景領域１０１と異なって一定の背景色画素値をもつため、圧縮効率を高くすることができる。画像圧縮処理は、背景領域１１１を分離圧縮できる可逆圧縮方式であることが好ましい実施形態であるが、それ以外の可逆圧縮方式や非可逆圧縮方式であっても差し支えない。

図４は、隣接画素判定処理回路５において、注目画素の画素値Vが背景画素値範囲VL〜VH にあるか否かを判定する回路を示す。画素値Vがこの範囲内なら“１”、範囲外なら“０”とする。このような判定を注目画素の隣接画素に対しても行なう。図５は、注目画素と隣接画素V1〜Vn に対して、図４に示した処理Bを行うことを示している。背景画素値範囲VL〜VH は共通の入力であるため省略している。注目画素と隣接画素V1〜Vn それぞれに対しての判定結果C1〜Cn の累計が取られる。その結果、累計値の（ｎ＋１）に対する割合と閾値v_th0との比較により、注目画素が背景色領域候補の画素であるか否かを判定する。

例えば、図６に示すような注目画素１３０に対する隣接画素判定処理５は、注目画素１３０および、その隣接画素１３１の合計９つの画素を判定対象とする。判定対象となる各画素の画素値が指定された背景画素値範囲VL〜VH にあるかどうかを判定し、条件を満たしている画素数の９に対する割合が閾値v_th0以上であれば、注目画素１３０は背景色領域候補の画素であるとする。

図５は隣接画素判定処理の原理的なブロック図であったが、より実際的なブロック図を図７に示す。本処理は元画像データ１００の画面内の画素全てを注目画素として順次適用するものであるが、各画素に対する判定結果のうち、図６に下向きの矢印１３２で示すように、処理の進行方向に対して、次に処理する注目画素での判定処理でも共用される位置の判定結果（図５では６つ）は保存しておいて用いることができるため、差分となる画素の判定結果だけを更新していくことで処理を簡易化するのが好ましい実施形態である。

図７において、注目画素２２に対して、画素１１，１２，１３の背景画素値範囲かの判定結果をそれぞれC₁₁ 、C₁₂ 、C₁₃ 、これらの合算をC₁ とし、画素２１，２２，２３の背景色画素値範囲かの判定結果の合算をC₂ 、画素３１，３２，３３の背景色画素値範囲かの判定結果の合算をC₃ とする。C₁ と、C₂ と、C₃ の累計の割合が閾値v_th0 と比較される。

次に、図６に示したように、処理の進行方向に進んで、注目画素が１２となった場合、注目画素２２に対するC₁ とC₂ は注目画素１２に対する判定に使用できる。即ち、注目画素２２でのC₁ は注目画素１２でのC₂ 、注目画素２２でのC₂ は注目画素１２にはC₃ に当たる。そこで、C₁ をC₂ へ、C₂ をC₃ へそれぞれコピーした後で注目画素２２に対する隣接画素判定処理５を終了する。

以上の説明では、背景色領域候補であることを判定するのに、注目画素とその隣接画素８つを用いるとしたが、注目画素の他、隣接画素は０〜８個であってよい。これらの画素のうちで、背景画素値範囲内にある画素の割合が一定の閾値を超えている場合に、注目画素は背景色領域候補の画素であるとする。この際の閾値の設定には、判定対象とした画素数、或いは判定対象とした画素数から１を減算した画素数を用いることが好ましい。背景画素値範囲の広さと背景に含まれるノイズレベルとの兼ね合いにより好適な閾値を選んでもよい。また、背景画素値範囲はほぼ均一な背景色である領域全てを包括する範囲を指定することが好ましい。

一定範囲画素判定処理６は、前述のとおり、注目画素から指定された一定の距離内にある複数の画素を用いて、背景色領域候補の画素が背景領域１１１に属するかを判定する。例えば、図８に示すような注目画素１４０および、注目画素１４０から一定距離内の１５×１５正方形ブロック内の画素１４１の画素値が指定された背景色画素値範囲内にあるかどうかを判定し、条件を満たしている画素の割合が閾値以上か否かを判定する。

この枠の広さは、絵柄領域１１３との境界領域１１２をどれだけ残すかに依存し、広くとるほど絵柄境界１１３から離れた画素までの保存性が保たれる。v_th0=224/225 とした場合、対象となる各画素値が指定された背景色画素値範囲内にある画素数が 224 以上であるかどうかを判定する。この処理のブロック図は図５および図７と同じである。

一定範囲画素判定処理６に用いるためのブロックは、注目画素を中心とする正方形であることが好ましいが、その大きさは、画素値置換処理の適用範囲を絵柄領域との境界からどれだけ遠ざけるかによって好適な値を選べばよい。また、閾値の設定は（判定対象とした画素数−Ｌ：Ｌは０〜５程度の値）であることが好ましい。背景画素値範囲として指定した画素値範囲の広さと背景に含まれるノイズレベルとの兼ね合いにより好適な閾値を選んでもよい。

隣接画素判定処理５に対する図７と同様に、図８に下向きの矢印１４２で示すように、処理の進行方向に対して、次に処理する注目画素での判定処理では差分となる画素の判定結果だけを更新してくことで処理を簡略化するのが好ましい実施形態である。

この判定は注目画素の周辺に絵柄領域１１３とその境界部分１１２があるか否かを判定するものである。サンプリングする周辺の画素は、図８のようにブロック内の画素全部であってもよいし、図９のようにブロック内から注目画素１５０と一定の間隔で抽出した画素１５１だけであってもよい。一定間隔で抽出した場合についても処理のブロック図は図５と同じである。

ブロック内の判定対象画素が、図９に示したように、一定の間隔で抽出される場合についての処理ブロック図を図１０に示す。間引いた画素の分については判定処理および累計処理から外しつつ差分となる画素の判定結果だけを更新していくことで処理を簡略化するのが好ましい実施形態である。判定対象とする画素数や画素位置に関しては図９以外の選択方法も考えられるが、この実施形態の範囲内である。

以上に説明した隣接画素判定処理５および一定範囲画素判定処理６の両方の判定結果を満たさない場合は、注目画素は背景領域１１１に属しないか、境界部分１１２であると判定して、背景色画素値への置換を行わない。一方、絵柄領域１１３の中央部に空洞型の背景領域がある場合でも、中央部の背景領域が判定ブロックサイズよりも十分に広ければ境界領域を除いて背景領域１１１と認識することができる。

隣接画素判定処理５と一定範囲画素判定処理６は、画像メモリ２と画像メモリ３を使用することにより、パイプライン的に進めることができる。即ち、画像メモリ２の中の注目画素に対する隣接画素判定処理５が終了すると、その結果を画像メモリ３に書き込んで一定範囲画素判定処理６を施す。と同時に、画像メモリ２の中の次の注目画素に対する隣接画素判定処理５に着手する。その結果は画像メモリ３に書き込んで一定範囲画素判定処理６を施す。このような処理を全ての画素に対して続行することにより、処理速度を約２倍にすることができる。

先に述べたように、背景画素値推定処理回路４は、元画像データ１００の縁画素データから背景色画素値を推定することにより、背景画素値範囲を変更することもできる。例えば、図１１に示すような、元画像データ１００の４辺の画像縁１６０の幅１画素１６１毎のデータを対象として、指定された背景画素値範囲内にあるかどうかを判定する。この判定を満たした画素数が画像縁１６０の画素総数の１／４、即ち（W+L-2）/2を超えた場合は、超えた画素の平均画素値を中心として背景画素値範囲を変更する。一方。超えなかった場合は、元の背景画素値範囲をそのまま用いる。この背景画素値推定によって、画像毎に異なる背景色の変動を排除して背景画素の判定精度高めることができる。

元画像が非常に大きな画像サイズである場合、画像圧縮などの処理単位は元画像をいくつかのタイル画像に分割して扱うことがある。図１２は、元画像を３×３で９つのタイル画像ｔ１〜ｔ９にタイル分割した場合のタイル分割後のイメージを示した図である。

この場合、隣接画素判定処理５，一定範囲画素判定処理６および背景色置換処理７は、タイル画像ｔ１〜ｔ９それぞれについて前述と同様に行なう。このとき背景画素値推定処理４をタイル画像ｔ１〜ｔ９に対してそれぞれ適用すると、タイルの分割位置によって、図１２に示したように画像縁の一部または全てが背景ではないタイルが発生する。タイルｔ５では、背景画素値推定処理４を適用しても背景色が正しく推定できない場合が起こり得る。

そこで、背景画素値推定処理４は分割前の元画像データ１００の４隅のいずれかを含むタイル、例えばタイル画像ｔ１に対してのみ適用する。このようなタイル画像は少なくとも２辺が画像縁であるので、分割後のタイルであっても背景色の正しい推定が可能である。背景画素値推定処理４の結果は全タイル画像ｔ１〜ｔ９に適用することが好ましい形態である。

本発明のデジタル画像処理装置は、図３に示したように、ハードウェアで構成することの他、コンピュータプログラムにより実現することも可能である。プラットホームとなる情報処理システムは、図１３に示すとおり、プロセッサ２００，プログラムメモリ２０１，記憶媒体２０２および２０３から成る。記憶媒体２０２および２０３は、別個の記憶媒体であってもよいし、同一の記憶媒体からなる記憶領域であってもよい。記憶媒体としては、ハードディスク等の磁気記憶媒体を用いることができる。

１ 画素書込み読出し制御回路
２ 画像メモリ
３ 画像メモリ
４ 背景画素値推定処理（回路）
５ 隣接画素判定処理（回路）
６ 一定範囲画素判定処理（回路）
７ 背景色置換処理（回路）
８ 画像圧縮処理（回路）
１００ 元画像（データ）
１０１ 背景領域
１０２ 絵柄領域
１１０ 背景色置換済画像
１１１ 背景領域
１１２ 境界領域
１１３ 絵柄領域
１２０ 圧縮画像（データ）
１３０ 注目画素
１３１ 隣接画素
１４０ 注目画素
１４１ 一定距離内の画素
１５０ 注目画素
１５１ 一定距離内の画素
１６０ 画像縁
１６１ 幅１画素
ｔ１〜ｔ９ タイル画像

Claims (7)

1. 画素データを記憶する画像メモリと、
   前記画像メモリから順次に読み出される画素データについて、注目画素とその隣接画素が背景画素値範囲にあるか否かにより当該注目画素が背景色領域候補の画素であるかを判定する隣接画素判定処理回路と、
   前記背景色領域候補の画素の内から絵柄領域の近傍領域を除外して当該注目画素が背景領域に属するかを判定する一定範囲画素判定処理回路と、
   前記背景領域に属すると判定された注目画素の画素値を一定の背景色画素値へ置換するように画素データを処理する背景色置換処理回路を有することを特徴とするデジタル画像処理装置。
2. 前記背景画素値範囲は、外部から指定されることを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像処理装置。
3. 前記背景画素値範囲は、当該デジタル画像処理装置へ入力される元画像の中で背景と推定される領域の一部の画素の画素値の平均値を用いて変更することを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像処理装置。
4. 前記背景の推定に用いる画素は、前記元画像の縁に相当する画素であり、その中で画素値が外部から指定された値の範囲を満たす画素の数が一定の閾値を超えた場合に、その条件を満たした画素値の平均値が中心となるように前記背景画素値判定範囲を変更することを特徴とする請求項３に記載のデジタル画像処理装置。
5. 前記元画像を複数のタイル画像に分割した場合には、元画像の４隅を含むタイル画像のいずれかにおける前記背景画素値判定範囲を画像全体に対して用いることを特徴とする請求項４に記載のデジタル画像処理装置。
6. 前記絵柄領域の近傍領域の除外は、前記背景色領域候補の画素の数が指定された閾値を超えるように行なうことを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像処理装置。
7. デジタル画像においてほぼ均一な色で構成される背景領域を一定の背景色へ置換する背景色置換方法であって、
   入力してくる元画像データを画像メモリに記憶する手順と、
   前記画像メモリから順次に読み出される画素データについて、注目画素とその隣接画素が背景画素値範囲にあるか否かにより当該注目画素が背景色領域候補の画素であるかを判定する手順と、
   前記背景色領域候補の画素の内から絵柄領域の近傍領域を除外して当該注目画素が背景領域に属するかを判定する手順と、
   前記背景領域に属すると判定された注目画素の画素値を一定の背景色画素値へ置換するように画素データを処理する手順を有することを特徴とする背景色置換方法。

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