JP4281583B2 - 画像信号処理方法、画像信号処理装置及び印刷装置 - Google Patents

Description

１つの発明は、誤差拡散レベルの境界値設定方法に関する。また１つの発明は、同方法で設定した境界値を使用する画像信号処理方法及び装置に関する。また１つの発明は、同画像処理技術を適用する印刷装置に関する。

多階調画像データを、２値（画素の出力又は不出力）表現に適したデータに変換する技術に誤差拡散法がある。誤差拡散法は、２値化処理の際に生じる濃度誤差を保存し、周辺画素の処理に用いることを特徴とする。誤差拡散法により、２値化後も濃度情報を保存することができる。例えば、１画素に３値から８値程度の階調を保存することができる。

一般に、多階調画像データの誤差拡散時には、元の画像データの階調数を多値数で等分し、誤差拡散の境界値を決定する手法が採られる。しかし、この手法は、何も印画しない状態（レベル０）から１番目のレベル（レベル１）までの視覚的変化が、レベル１から２番目のレベル（レベル２）までの視覚的変化よりも大きくなる。

このため、レベル０とレベル１の間にある階調の視覚的変化と、レベル１とレベル２の間にある階調の視覚的変化とを同等に扱うと、前者が後者に比べて視覚的に大きくなりすぎる問題がある。

同様に、レベル１からレベル２の間にある階調の視覚的変化が、レベル２からレベル３の間にある階調の視覚的変化に比べて大きくなり、レベル２からレベル３の間にある階調の視覚的変化が、レベル３からレベル４の間にある階調の視覚的変化に比べて大きくなりすぎる問題がある。

例えば、 256階調（８ビット）で階調を表す場合、ハイライト部における階調の段差が見え易い問題がある。この問題を解決する１つの方法に、画像処理で用いる階調数を８ビット（
256階調）から10ビット（1024階調）や12ビット（4096階調）に増やし、階調変化に対する視覚的変化を少しにする方法がある。
"An Adaptive Algorithm for Spatial Gray Scale"SID DIGEST(1975年 Floid&Steinberg)

しかし、この方法は、本来的に階調の差がほとんどない高濃度部を必要以上に細かく分解する。このため、非常に多くのメモリ容量が必要であった。

本発明は、以上の技術的課題を考慮してなされたものであり、画像処理に要するメモリ容量を増やさずとも、誤差拡散の境界値のレベル間の視覚的差異を一定に保つことができるようにする。

このため、１つの発明では、次の境界値設定方法を提案する。すなわち、視覚的に均等な尺度を第１の軸とし、元データの階調値を第２の軸とする座標平面上に特性曲線を定義し、当該特性曲線を通じて誤差拡散のレベルの境界値を定める方法を提案する。

また１つの発明では、次の画像信号処理方法を提案する。すなわち、視覚的に均等な尺度を第１の軸とし、元データの階調値を第２の軸とする座標平面上に定義した特性曲線から定めた誤差拡散レベルの境界値を記憶手段から読み出すステップと、読み出した境界値を用い、入力画像データを誤差拡散処理するステップとを有する画像信号処理方法を提案する。

さらに１つの発明では、次の画像信号処理装置を提案する。すなわち、視覚的に均等な尺度を第１の軸とし、元データの階調値を第２の軸とする座標平面上に定義した特性曲線から定めた誤差拡散レベルの境界値を記憶する記憶部と、境界値を用い、入力画像データを誤差拡散処理する誤差拡散部とを有する画像信号処理装置を提案する。

また１つの発明では、次の印刷装置を提案する。すなわち、視覚的に均等な尺度を第１の軸とし、元データの階調値を第２の軸とする座標平面上に定義した特性曲線から定めた誤差拡散レベルの境界値を記憶する記憶部と、境界値を用い、入力画像データを誤差拡散処理する誤差拡散部と、誤差拡散後の画像データに対応する画像を被印刷媒体上に印刷する印刷デバイスとを有するものを提案する。

本発明の１つによれば、誤差拡散の境界値レベル間の階調における視覚的差異を一定に保つことができる。これにより、任意の階調について、滑らかな階調表現を実現できる。

以下、発明の実施形態例を説明する。なお、本明細書で特に図示又は記載していない部分は、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。また以下に説明する実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これらに限定されるものではない。

（１）境界値の設定例
以下、 256階調の入力データＤ１（ 0〜 255）を誤差拡散処理して、６値の画素データＤ２（
0〜 5）を生成する場合について説明する。

従来手法の場合、 256階調を５等分し、その境界値を誤差拡散の境界値に使用する。すなわち、 256階調を、“ 0〜51”、“51〜 102”、 “102〜 153”、 “153〜 204”、
“204〜 255”の５つの階調範囲に均等に分割し、入力データＤ１がそのいずれに属するかに応じて画素データＤ２の値とする。

例えば、階調値が“ 0〜51”で与えられる入力データＤ１は、誤差拡散処理により、“
0”又は“ 1”に２値化される。同様に、階調値が“51〜 102”の入力データＤ１は、誤差拡散処理により、“ 1”又は“ 2”に２値化される。同様に、階調値が“
102〜 153”の入力データＤ１は、誤差拡散処理により、“ 2”又は“ 3”に２値化される。また、階調値が“ 153から 204”の入力データＤ１は、誤差拡散処理により、“
3”又は“ 4”に２値化される。また、階調値が“ 204〜 255”の入力データＤ１は、誤差拡散処理により、“ 4”又は“ 5”に２値化される。

ここで、各レベルの境界値を与える階調値（51、 102、
153、 204、 255）で構成されたある面積の格子パターンを考える。各格子パターンを与える入力データＤ１に、前述した誤差拡散処理を施すと、それぞれ画素データＤ２の値が“
1”の格子パターン、画素データＤ２の値が“ 2”の格子パターン、画素データＤ２の値が“ 3”の格子パターン、画素データＤ２の値が“ 4”の格子パターン、画素データＤ２の値が“
5”の格子パターンが得られる。

図１に、これら格子パターンを色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）毎に印画し、測色した結果を示す。図中のＸ、Ｙ、Ｚは、物体色の三刺激値である。これらの値に基づいて、視覚的に均等な尺度を次のように求める。この算出手順を図２に示す。

まず、イエローについては、Ｚを 1/3乗した値を計算する。また、マゼンタ及びブラックについては、Ｙを
1/3乗した値を計算する。また、シアンは、Ｘを 1/3乗した値を計算する。これらの処理は、図中、左から２番目の欄に対応する。

次に、各色について、それぞれレベル０のときの値（X0^(1/3)、Y0^(1/3)、Z0^(1/3)）を各レベルの値から引き算する。これらの処理は、図中、左から３番目の欄に対応する。かかる値を、各色のレベル５の値を“１”として正規化する。これらの処理は、図中、右から１番目の欄に対応する。

かかる処理により、元データの各レベルが、視覚的に均等な尺度上の値に変換される。この実施例では、視覚的に均等な尺度を、Ｘ、Ｙ、Ｚのいずれかの 1/3乗を正規化したものとして定義する。

図３に、マゼンタの例について、以上の関係をグラフ化したものを示す。なお図３の縦軸は、視覚的に均等な尺度（この例では、Ｙの 1/3乗を正規化した値）である。一方、図３の横軸は、階調レベルである。視覚的に均等な尺度で考えると、マゼンタのレベル１は、レベル５の約半分に達していることが分かる。

ところで、通常、プリンタ（印刷方式は問わない）に入力される元データは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色で構成される。これに対し、プリンタは、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｋ（ブラック）で印画する。このため、ＲＧＢデータをＣＭＹＫデータに変換する処理が必要になる。

この際、３Ｄ（３次元）ルックアップテーブルを用い、ＲＧＢデータをＣＭＹＫデータに変換する。なお、変換処理自体は、視覚的に均等な尺度でグラフ化すると、プリンタの出力特性曲線が直線になるものと仮定して実行し、変換処理後に実際の出力特性曲線に応じて再変換するのが一般的な処理手順である。

例えば、マゼンタに関するプリンタの入出力特性は、図４に示すようになる。従って、先の仮定に基づく変換後に、図５に示す特性曲線に基づく再変換（ガンマ補正）が必要になる。ところが、かかる再変換を行うと、例えば“ 0〜 131”の画素データは“ 0”〜“51”に階調圧縮され、“ 242〜 255”の画素データは“ 204〜 255”に伸張される。

この結果、例えば階調レベルが“59、60、61、62、63、64”と順に大きくなるべき階調変化が、“23、23、24、24、25、25”というような階段状の階調変化に変換されてしまう。このように従来の手法では、階調の段差が大きくなり、滑らかな階調表現が損なわれていた。

これに対し、この実施例では、誤差拡散のレベルの境界値を、次のように設定する。すなわち、視覚的に均等な尺度（Ｘ、Ｙ、Ｚのいずれかの 1/3乗を正規化したもの）を縦軸とし、元データの階調値を横軸とする座標平面上において、誤差拡散のレベルの境界値がほぼ一直線上に並ぶように誤差拡散のレベルの境界値を定める。

従来例との比較のため、同じ格子パターンについて説明する。すなわち、画素データＤ２の値が“１”の格子パターン、画素データＤ２の値が“２”の格子パターン、画素データＤ２の値が“３”の格子パターン、画素データＤ２の値が“４”の格子パターン、画素データＤ２の値が“５”の格子パターンを考える。

そして、図６に示すように、これら格子パターンを色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）毎に印画し、物体色の三刺激値について測色する。

次に、各色について、いずれかの刺激値を 1/3乗した値を計算する。例えば、イエローについては、Ｚを
1/3乗した値を計算する。また、マゼンタ及びブラックについては、Ｙを 1/3乗した値を計算する。また、シアンは、Ｘを 1/3乗した値を計算する。これらの処理は、図中、左から２番目の欄に対応する。

さらに、各色について、それぞれレベル０のときの値（X0^(1/3)、Y0^(1/3)、Z0^(1/3)）を各レベルの値から引き算する。これらの処理は、図中、左から３番目の欄に対応する。かかる値を、各色のレベル５の値を“１”として正規化する。これらの処理は、図中、左から４番目の欄に対応する。

図７に、マゼンタに関するプリンタの入出力特性例を示す。図中、黒丸は、レベル５の値を“１”として正規化した場合の、各レベルに対応する境界値を表している。図７に示すように、５つの境界値はほぼ一直線上に位置する（ズレは、丸め処理の分である。）。

かかる後、レベル５の値を“２５５”として正規化する。これらの処理は、図６の右から２番目の欄に対応する。正規化後の値の小数点以下を丸め処理すれば（例えば、四捨五入すると）、誤差拡散の各レベルに対応する境界値が求められる。これらの処理は、図６の右から１番目の欄に対応する。

図８に、かかる再正規化後のプリンタの入出力特性例を示す。図８は、再正規化後の入出力特性は、実際のプリンタの入出力特性に応じて特に再変換しなくても、大部分はそのままの値を使用できることを表している。すなわち、“ 0〜 131”の画素データは“ 0〜 131”に振り分けられ、“ 242〜 255”の画素データは“ 242〜 255”に振り分けられる。

この結果、例えば階調レベルが“59、60、61、62、63、64”と順に大きくなるべき階調変化は、同じ階調変化、すなわち“59、60、61、62、63、64”と変換される。従って、実施例に示すように誤差拡散のレベルの境界値を定めれば、誤差拡散の前後で、境界値のレベル間における階調の視覚的差異を保存できる。すなわち、誤差拡散によって、階調の段差が大きくならず、滑らかな階調表現を可能とできる。

（２）プリンタの実施例
続いて、前述した手法を用いて設定した境界値を誤差拡散処理で使用するプリンタの実施例を説明する。なお、プリンタは、インクジェットプリンタであるものとする。もっとも、発明に係る印刷装置は、ワイヤドットプリンタ、熱転写プリンタその他のドット単位で印刷を行う方式の印刷装置に広く適用することができる。

図９に、装置本体に搭載する吐出制御部１０の構成例を示す。吐出制御部１０は、装置の内外から取り込んだ印刷データをインク滴の吐出に適した階調データに変換する信号処理部である。この吐出制御部１０は、色変換部１２、階調変換部１４、ヘッド駆動データ生成部１６、システム制御部１８を有する。

色変換部１２は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色からなる印刷データを、プリンタのインク色であるシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）の濃度信号に変換する処理を実行する。

変換後の濃度信号は、色変換部１２から階調変換部１４に与えられる。階調変換部１４は、濃度信号の階調数を低減する信号処理を実行する。すなわち、階調変換部１４は、原画像が持つ中間階調の再現性を極力保ちつつ、階調数を低減した階調データに変換する。
この変換処理には、前述した誤差拡散処理が用いられる。

階調変換部１４は、記憶デバイス１４Ａから誤差拡散のレベルの境界値を読み出して、既知の手順により誤差拡散処理を実行する。勿論、境界値は、前述の手法で設定されたものが用いられる。記憶デバイス１４Ａには、例えば半導体メモリ、磁気記憶媒体、光記憶媒体その他を使用する。

なお、記憶デバイス１４Ａは、プリンタ本体に対して固着されたものでも、着脱自在なものでも良い。また、記憶デバイス１４Ａには、境界値以外の情報が記憶されていても良い。例えば、プリンタのファームウェアその他のプログラムや設定情報が記憶されていても良い。

ヘッド駆動データ生成部１６は、実際に印刷ヘッド２０を駆動するためのヘッド駆動データを生成する。当該ヘッド駆動データによりヘッドが駆動され、各吐出部からインク滴が吐出される。

システム制御部１８は、装置全体の制御を実行する。例えば、印刷モードの検知処理と、検知した印刷モードに応じた各部の制御処理を実行する。また例えば、搬送機構の駆動制御も実行する。システム制御部１８はコンピュータ構成でなり、所定のファームウェアに従って各部の制御動作を実行する。

以上のように、この吐出制御部１０の場合には、従来必須とされたガンマ補正を必要としない。すなわち、従来装置の場合には、階調変換部１４の前処理及び／又は後処理としてガンマ補正が必要であった。しかし、この吐出制御部１０で適用する誤差拡散処理は、プリンタの出力特性と同じであるため（図７、図８を参照）、従来装置の意味でのガンマ補正は必要としない。

このため、吐出制御部１０の回路構成を従来装置に比して簡易化できる。また、入出力特性に大きな変更を加えるガンマ補正を使用しないため、元データにより忠実な階調変換処理を実現できる。すなわち、印刷画像の再現性を高めることができる。

（３）画像信号処理装置
前述したプリンタの構成は、装置内外から与えられた印刷データを、プリンタ内で誤差拡散処理する場合に関するものである。しかし、誤差拡散処理は、プリンタとは別の装置（画像信号処理装置）内でも行われる。例えば、画像に対する各種の効果処理や画像フォーマットの変換処理の差異にも使用される。

図１０に、画像信号処理装置３０の構成例を示す。ハードウェア自体は、周知の構成である。画像信号処理装置３０は、中央処理装置３２、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４、ＲＡＭ（Random Access Memory）３６、ハードディスク駆動装置３８、キーボード４０、表示器４２、通信ポート４４を有する。

中央処理装置３２は、ＲＡＭ３４を作業領域に用いてプログラムを実行する。プログラムの実行により、各種の機能が実現される。例えば、画像に対する効果処理の１つとして、階調の変換機能が実現される。ＲＡＭ３６は、オペレーションシステムとアプリケーションプログラムの実行領域として使用される。

ハードディスク駆動装置３８は、オペレーションシステムとアプリケーションプログラムが記憶される。ＲＯＭ３４は、周辺機器との入出力を制御する基本プログラムが記憶される。

なお、ＲＯＭ３４やハードディスク駆動装置３８は、誤差拡散のレベルの境界値を記憶するのにも使用できる。勿論、境界値は、前述した手法により定められたものである。境界値は、デバイスドライバの一部又はアプリケーションプログラムの一部として記憶される。

この他、境界値は、半導体メモリ（メモリカードを含む。）、光ディスク、その他の記憶媒体に格納されていても良い。また、外付けの記憶装置（記録媒体）に記憶されていても良い。

キーボード４０は、作業者がコンピュータに対する指示や情報を入力するために用いる入力装置の一つである。入力装置には他に、例えばマウスがある。表示器４２は、ボタンやメニューなどのグラフィックスの部品を使って設計されたユーザインタフェースを表示する出力装置の一つである。

作業者は、ユーザインタフェース画面を通じて画像処理装置が実行すべき処理を指示することができる。通信ポート４４は、内部バスに接続された中央処理装置３２とインクジェットプリンタとの通信を実現する。

なお、画像信号処理装置３０とインクジェットプリンタをネットワーク経由で接続する場合には、通信ポート４４としてネットワークプロトコルに対応したものを使用する。勿論、通信形態は有線方式に限らず、無線方式でも良い。

かかる画像信号処理装置３０は、いわゆるコンピュータの他、コンピュータを内蔵する携帯情報端末、携帯電話機、ゲーム装置、撮像装置、その他の電子機器に適用できる。

勿論、この画像信号処理装置３０の場合も、入出力特性に大きな変更を加えるガンマ補正を使用しないで済むため、元データにより忠実な階調変換処理を実現できる。すなわち、画像の変換特性を向上できる。

（４）他の実施形態
前述の説明では、誤差拡散のレベルの境界値を定める際の特性曲線が直線である場合について述べた（図８）。しかし、この特性曲線は、必ずしも直線である必要はない。例えば、図１１に示すように、ガンマ特性をもたせることもできる。

なお図中、基本となる特性曲線（直線の場合）の例を、正方形のマークをプロットした直線で示す。なお、ハイライト部（階調値が小さい部分）を伸張し、高濃度部（階調値が大きい部分）を圧縮する特性曲線の例を、三角形のマークをプロットした曲線で示す。

また、中階調の階調変化を保存する一方、ハイライト部と高濃度部を伸張する特性曲線の例を、バツ印をプロットした曲線で示す。また、ハイライト部を圧縮し、高濃度部を伸張する特性曲線の例を、丸印をプロットした曲線で示す。

また前述のプリンタ及び画像処理装置の各実施例においては、誤差拡散のレベルの境界値として１種類の特性曲線に基づくものが記憶されているものとして説明した。しかし、図１１に示すような複数種類の特性曲線に対応する境界値が複数組記憶されていても良い。この場合、画像処理の内容やユーザーの選択により特定された特性曲線に対応する境界値が誤差拡散の際に選択的に使用される。

均等に定めた境界値をそれぞれ階調値に有するパターン例の印刷結果に関する三刺激値の測定結果を示す図表である。 視覚的に均等な尺度の算出手順の一例を示す図表である。 階調レベルと対応する正規化値との関係を示す図である。 マゼンタに関するプリンタの入出力特性の一例を示す図である。 再変換で使用する入出力特性の一例を示す図である。 境界値の設定例を示す図表である。 マゼンタに関するプリンタの入出力特性の実施例を示す図である。 再正規化後のプリンタの入出力特性の実施例を示す図である。 プリンタの実施例を示す図である。 画像信号処理装置の実施例を示す図である。 特性曲線の他の実施例を示す図である。

符号の説明

１０ 吐出制御部
１２ 色変換部
１４ 階調変換部
１６ ヘッド駆動データ生成部
１８ システム制御部
２０ 印刷ヘッド

Claims (3)

1. 入力データの階調数を分割した際の境界となる階調値を境界値とし、その分割によって構成される各階調範囲内で各々誤差拡散処理による２値化を施し、複数の出力レベルに変換する画像信号処理方法において、
   個々の出力レベルに対応する前記境界値の階調値での印刷結果を、視覚的に均等な尺度について測色する処理と、前記出力レベルのうち最小レベルに対応する測色結果を各出力レベルについての測色結果から減算する処理と、前記出力レベルの最大レベルが１になるように、各出力レベルに対応する減算結果を正規化する処理と、正規化した値と前記入力データの階調値とが対応するよう再度正規化する処理とを経て、前記境界値の階調値での再度の正規化後の階調値を新たな境界値として設定し、予め記憶手段に記憶しておき、
   入力データについて階調レベル数の変換を行うにあたり、前記記憶手段から読み出した前記境界値を用いた誤差拡散処理により、前記入力データの階調レベル数を変換して出力する
   画像信号処理方法。
2. 入力データの階調数を分割した際の境界となる階調値を境界値とし、その分割によって構成される各階調範囲内で各々誤差拡散処理による２値化を施し、複数の出力レベルに変換する画像信号処理装置において、
   個々の出力レベルに対応する前記境界値の階調値での印刷結果を、視覚的に均等な尺度について測色する処理と、前記出力レベルのうち最小レベルに対応する測色結果を各出力レベルについての測色結果から減算する処理と、前記出力レベルの最大レベルが１になるように、各出力レベルに対応する減算結果を正規化する処理と、正規化した値と前記入力データの階調値とが対応するよう再度正規化する処理と、前記境界値の階調値での再度の正規化後の階調値を新たな境界値として設定する処理とを経て与えられた前記新たな境界値を予め記憶する記憶手段と、
   読み出された前記新たな境界値を用いた誤差拡散処理により、入力データの階調レベル数を変換して出力する誤差拡散部と
   を有する画像信号処理装置。
3. 入力データの階調数を分割した際の境界となる階調値を境界値とし、その分割によって構成される各階調範囲内で各々誤差拡散処理による２値化を施し、複数の出力レベルに変換する印刷装置において、
   個々の出力レベルに対応する前記境界値の階調値での印刷結果を、視覚的に均等な尺度について測色する処理と、前記出力レベルのうち最小レベルに対応する測色結果を各出力レベルについての測色結果から減算する処理と、前記出力レベルの最大レベルが１になるように、各出力レベルに対応する減算結果を正規化する処理と、正規化した値と前記入力データの階調値とが対応するよう再度正規化する処理と、前記境界値の階調値での再度の正規化後の階調値を新たな境界値として設定する処理とを経て与えられた前記新たな境界値を予め記憶する記憶手段と、
   読み出された前記新たな境界値を用いた誤差拡散処理により、入力データの階調レベル数を変換して出力する誤差拡散部と
   を有する印刷装置。

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