JP4470806B2 - 画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、スクリーン処理により、入力画素値から多値出力値を出力する画像処理装置に関する。

従来から、画素単位の輝度値又は濃度値等からなる画像データに対して中間調を表現するためのスクリーン処理方法として、閾値マトリクスとの比較演算を用いるディザ法が用いられてきた。また、出力値として３値以上の多値を出力するいわゆる多値ディザ法として、上述の比較演算を複数回実施する方法が用いられている。

この方法によれば、入力画像データをN値に多値化するためには、N−１回の比較演算を実施しなければならない。例えば、６４値に多値化するためには、６３回の比較演算を必要とする。さらにこの場合、６３個の閾値マトリクスと出力値が必要となり、これらの数値を記憶するメモリ領域が必要となる。このような方法をハードウェアにより実現する場合、出力多値数が多くなるほど回路規模が大きくなり、コスト高になる等の問題があった。

一方、入力画像データに対して、閾値との比較演算を用いずに多値化を行う多値ディザ法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これは、予め画像データと閾値マトリクスとの比較演算等の計算結果を求めて、回路内のメモリにＬＵＴ（ルックアップテーブル）として記憶させておき、入力画像データを画素毎にＬＵＴに入力して計算結果を引き出し、出力することによって多値化を行う方法である。この方法によれば、計算結果をすべてメモリに保持するために比較演算回路が不要であるとともに、計算結果を書き換えるだけで回路構成を変更することなく、出力画像の多値数Nやドットパターン等を自由に変更することができるという利点がある。

例えば、閾値の代わりに、１次元ＬＵＴを図７に示すようにマトリクス状に配し、画像データに順次マトリクスを当てはめて、マトリクスを構成する各要素１〜９に対応する１次元ＬＵＴに、その要素の位置に対応する画素値を入力して１次元ＬＵＴからの出力値を得る。このときの各要素１〜９の１次元ＬＵＴ例を図８に示す。図中、横軸は画素値の入力レベル、縦軸はその出力レベルを示す。図８では、１次元ＬＵＴの変換曲線を直線で示しているが、基本的に曲線とすることが可能であり、最適化によって階調補正（γ補正）もこの変換曲線により行うことができる。
特開平６−９０３５０号公報

しかしながら、この構成では、とりうる全ての画素値に対する計算結果をメモリに記憶させておかなければならないため、メモリ容量を大幅に占めることとなる。そのためコスト高となっていた。

そこで、階調表現等の点で充分な変換特性を低コストで実現するため、従来からＬＵＴの代わりにマトリクスの要素毎に２つの閾値を準備し、この２つの閾値により直線補間演算を行うことにより（この直線補間されたものを閾値関数という。）、ＬＵＴと同様の機能を実現する方法が開示されている。この場合、曲線で表すことのできた変換曲線を直線に近似するため、γ補正はスクリーン処理の前段で別途行う構成としなければならないが、上記の方法により回路規模の大幅な縮小化を図ることができる。

しかし、上記の方法を電子写真プロセスに応用した場合、連続した階調を表現する際に部分的に急激に濃度が上昇するトーンジャンプと呼ばれる現象が生じることがある。これは、低濃度から高濃度になるにつれてスクリーン処理により出力されるドットが１画素から複数画素により構成されていき、有る程度の濃度に達すると大きくなったドット同士が連結することによるものである。連結する瞬間ではその部分の現像性が一時的に高まるため、トーンジャンプ現象が現れる。

また、１画素分のドットの階調特性は、装置特有の出力特性（例えば、レーザの発光特性等）を反映して通常、図９（ａ）に示すようなＳ字状となる。多値スクリーン処理では、図９（ｂ）に示すようにこのような階調特性を有する孤立ドットが濃度の増加に伴ってマトリクス内で順番に発生するように制御されるため、全体の階調特性はこれが影響して図９（ｃ）に示すようにＳ字カーブがつながったような形状となり、階段状となってしまう。このような階段状のカーブの棚部分では階調が相対的に下がるため、その前後でトーンジャンプが起こることとなる。

これを軽減するためには、図１０（ａ）に示すように、閾値関数の２つの閾値を操作して、Ｓ字カーブを図１０（ｂ）に示すように左右に延ばす。これを図１０（ｃ）に示すようにスクリーンセル内の各要素について行うことにより、図１０（ｄ）に示すように全体の階調特性におけるカーブの凹凸を吸収して直線的なカーブに近似させることができ、トーンジャンプの発生を抑制することができる。

しかし、この方法では、閾値の位置を変更すると、その閾値が関係する閾値関数の傾きが変わってしまい、TH1〜TH2の領域における出力レベルに影響することとなる。また、TH2側だけがトーンジャンプを起こした場合にTH2のみを調整する場合でも、図１１に示すように、閾値関数の傾きが下がってTH1側にも影響を及ぼすこととなり、さらにTH1側で新たにトーンジャンプが発生してしまう場合もあった。この場合、新たに発生したトーンジャンプを解消するための演算時間を余計に要してしまうという問題があった。

本発明の課題は、簡単な演算でトーンジャンプの発生を抑制することである。

請求項１に記載の発明は、
複数の閾値により直線補間された閾値関数が割り当てられた複数の要素からなるスクリーンセルを用いて、入力画素値から多値出力値を算出する画像処理装置において、
各セルに割り当てられた閾値関数において、各閾値から所定範囲内の直線部分を曲線化し、当該曲線化された閾値関数により入力画素値に対する多値出力値を算出する画像処理装置であって、
前記曲線化は、閾値関数を所定量づつシフトさせた関数を複数算出し、当該算出された複数の関数に入力画素値を入力し、得られた複数の多値出力値の重み付け平均を算出することにより行うことを特徴とする。

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、
前記閾値関数における複数の閾値の何れか１つが、入力画素値の下限値に該当する場合、かつ、入力画素値が前記閾値関数における複数の閾値の平均値以下である場合、或いは、前記閾値関数における複数の閾値の何れか１つが、入力画素値の上限値に該当する場合、かつ、前記入力画素値が前記閾値関数における複数の閾値の平均値以上である場合、当該閾値関数の曲線化を解除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、
要素毎に曲線化する領域範囲を設定可能とする。

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、
要素毎に重み付け平均の重み付けの程度を設定可能とする。

請求項１に記載の発明によれば、曲線化する簡単な演算で元の閾値関数の傾き等を大きく変更することなく、かつ各要素における閾値関数との間に重複する領域を設けることができる。これにより、出力値に大きな影響を与えることなく、各要素の閾値関数を円滑に切り替えることが、スクリーンセル全体の階調特性を直線に近似させることができる。よって、トーンジャンプを効果的に抑制することができる。
また、元の閾値関数に重み付けをして平均することにより、元の閾値関数の同一性を有る程度保持することができ、曲線化により出力値が大きく変化することを防ぐことができる。

請求項２に記載の発明によれば、曲線化の解除により、出力値を適正な範囲に保持することができる。すなわち、曲線化による画像劣化を防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、要素の位置関係や閾値関数の傾き等に応じて曲線化の程度を調整することができ、最適化を図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、要素の位置関係や閾値関数の傾き等に応じて曲線化の程度を調整することができ、最適化を図ることができる。

トーンジャンプは、濃度増加とともにセル要素が切り替わるタイミングで発生することが判明している。よって、各セル要素に割り当てられた閾値関数の切替を円滑に行うことが有効である。
本実施形態では、各セル要素に設定された閾値関数において、各閾値から所定範囲内の直線部分を曲線化し、他のセル要素の閾値関数との間に重複する領域を設けることにより、セル要素毎の閾値関数の切替を円滑に行う例を説明する。

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、スクリーン処理部５、レジスタ６、操作部７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は、１画素づつγ処理部４に入力されてγ処理施された後、スクリーン処理部５においてスクリーン処理が施され、出力画像データSC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SCが画像形成部の方へ出力されることとなる。

以下、各部２〜６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。

γ処理部４は、入力された画像データISに対し、γ補正用のＬＵＴを用いてγ補正を行う。

スクリーン処理部５は、γ処理部４によりγ補正が施された画像データISに対して、多値スクリーン処理を施し、処理画像データSCを生成する。

以下、本発明に係る多値スクリーン処理について説明する。
まず、入力された画像データISに対し、図２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）に対応する閾値TH1、TH2（ただし、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。

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。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を得る。
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３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２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４に示すようなものとなる。

次に、各セル要素ｅについて算出された閾値関数SC[e]の曲線化について説明する。
曲線化は、閾値TH1,TH2から所定範囲についてのみ行う。この曲線化を行う領域範囲をsmoとすると、各閾値TH1及びTH2をともに、+smo、+1/2smo、０、-1/2smo、-smoだけ同時にシフトさせて、図５に示すように、５つの閾値関数OUT1[e]〜OUT5[e]を得る。なお、smo＞(TH2-TH1)を満たすとき、smo=(TH2-TH1)とする。

閾値関数OUT1[e]〜OUT5[e]は、下記式（５）〜（９）により示される。
OUT1[e]=[((IS-smo)-TH1)]×De/256・・・（５）
OUT2[e]=[((IS-1/2smo)-TH1)]×De/256・・・（６）
OUT3[e]=(IS−TH1)×De/256・・・（７）
OUT4[e]=[((IS+1/2smo)-TH1)]×De/256・・・（８）
OUT5[e]=[((IS+smo)-TH1)]×De/256・・・（９）
なお、Deは演算を簡易化するための中間演算子であり、下記式（１０）によりに予め求められている。
De=511×256/(TH2-TH1)/2・・・（１０）
また、ISは入力画素値を示す。

次に、得られた各OUT1[e]〜OUT5[e]の重み付け平均を行うことにより、±smoの領域範囲を曲線化した閾値関数AV[e]を下記式（１１）により求める。
AV[e]=(OUT1[e]+OUT2[e]+OUT3[e]+OUT3[e]+OUT3[e]+OUT3[e]+OUT4[e]+OUT5[e])/8・・・（１１）
すなわち、曲線化後の閾値関数AV[e]は、図５に示すように、閾値TH1から−smoの範囲及び閾値TH2から＋smo内で曲線化されることとなる。
なお、0≧−smo+TH1、かつIS≦（TH1+TH2）/2のとき、或いは255≦+smo+TH2、かつIS≧（TH1+TH2）/2のとき、AV[e]=OUT3[e]とする。これにより、入力画素値ISが入力レベルの下限値０を下回るとき、或いは上限値２５５を上回るときは、曲線化を解除する。

以上の処理を各セル要素eの閾値関数OUT[e]について順次行う。
図２に示したスクリーンセルの場合、図４に示すように閾値TH1、TH2により直線補間されていた、各セル要素の閾値関数OUT[1]〜OUT[4]は、図６に示すように閾値TH1、TH2から±smoの領域で曲線化されることとなる。

スクリーン処理部５は、上記式（５）〜（９）に画像データISを入力して各OUT1[e]〜OUT5[e]を求め、式（１１）から出力値AV[e]を求める。そして、これをスクリーン処理後の出力値SCとして外部へ出力する。

レジスタ６は、各部２〜５の処理に必要なパラメータ等を記憶しており、各部２〜５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、上記閾値TH1,TH2を算出するためのＬＵＴtb1,tb2や、処理中に算出された中間演算子De等を記憶している。

操作部７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。

以上のように、本実施形態によれば、閾値TH1、TH2により直線補間した閾値関数において、閾値TH1、TH2から所定範囲内（±smo）の直線部分を曲線化することにより、閾値関数の傾き等を大きく変更することなく、かつ各セル要素における閾値関数との間に重複する領域を設けることができる。よって、出力値に大きな影響を与えることなく、かつ各セル要素の閾値関数を円滑に切り替えることができる。閾値関数を円滑に切り替えることにより、セル全体の階調特性を直線に近似させることができるので、トーンジャンプの発生を抑制することができる。

また、閾値TH1、TH2の位置が、入力画素値のレベル範囲の下限０又は上限２５５の位置となる場合には、曲線化を行うと、出力値のレベル範囲が０〜２５５の範囲とならないため、曲線化を解除する。これにより、閾値関数の曲線化による画像劣化を防止することができる。

さらに、元々の閾値関数OUT3[e]に重み付けして平均するので、元の閾値関数SCの傾きや形状をある程度保持することができ、曲線化により全く異なる閾値関数となることを防止することができる。

なお、上記の説明では、各セル要素eの閾値関数OUT[e]について曲線化する領域範囲smoを同一範囲としたが、これに限らず、セル要素e毎にsmoの値を異なるものとしてもよいし、閾値TH1とTH2とで異なるものとしてもよい。これにより、オペレータが操作部７を介して設定操作を行うことにより、各セル要素の位置関係や元の閾値関数SCの傾き等に応じて、曲線化の程度を調整することができ、スクリーン処理の最適化を図ることができる。

また、上記の説明では、元の閾値関数OUT3[e]（SC）に重み付けすることにより、曲線化の前後における閾値関数の同一性を保つこととしたが、重み付け平均の重み付けの程度についても、セル要素e毎に異なるものとしてもよいし、閾値TH1とTH2とで異なるものとし、スクリーン処理の最適化を図ることとしてもよい。

本実施形態における画像処理装置の構成を示す図である。 スクリーンセル例を示す図である。 一のセル要素に設定される閾値関数例を示す図である。 スクリーンセルの各セル要素に設定される閾値関数例を示す図である。 閾値関数の曲線化について説明する図である。 各セル要素の閾値関数について曲線化を行った例を示す図である。 従来のスクリーン処理方法における閾値マトリクスを示す図である。 図７の閾値マトリクスの各要素について設定されるＬＵＴの変換曲線を示す図である。 従来のスクリーン処理方法による画像全体の階調特性を示す図である。 従来のスクリーン処理におけるトーンジャンプの解消方法を説明する図である。 従来のスクリーン処理におけるトーンジャンプの解消方法を説明する図である。

符号の説明

１ 画像処理装置
２ コントローラ
４ γ処理部
５ スクリーン処理部
６ レジスタ

Claims (4)

1. 複数の閾値により直線補間された閾値関数が割り当てられた複数の要素からなるスクリーンセルを用いて、入力画素値から多値出力値を算出する画像処理装置において、
   各セルに割り当てられた閾値関数において、各閾値から所定範囲内の直線部分を曲線化し、当該曲線化された閾値関数により入力画素値に対する多値出力値を算出する画像処理装置であって、
   前記曲線化は、閾値関数を所定量づつシフトさせた関数を複数算出し、当該算出された複数の関数に入力画素値を入力し、得られた複数の多値出力値の重み付け平均を算出することにより行うことを特徴とする画像処理装置。
2. 前記閾値関数における複数の閾値の何れか１つが、入力画素値の下限値に該当する場合、かつ、入力画素値が前記閾値関数における複数の閾値の平均値以下である場合、或いは、前記閾値関数における複数の閾値の何れか１つが、入力画素値の上限値に該当する場合、かつ、前記入力画素値が前記閾値関数における複数の閾値の平均値以上である場合、当該閾値関数の曲線化を解除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. 要素毎に曲線化する領域範囲を設定可能とする請求項１又は２に記載の画像処理装置。
4. 要素毎に重み付け平均の重み付けの程度を設定可能とする請求項１〜３の何れか一項に記載の画像処理装置。

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