JP4527633B2 - 階調処理装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリンタ，コピア，ファックスなどに係わり、複数の画素の組合せで８ビット階調以上の階調表現を可能にする階調処理装置あるいは階調処理方法に関する。なお、本発明では、プリンタ，コピア，ファックスなど、画素の矩形配列として画像を印画するラスタデバイスを代表してプリンタと呼ぶことにする。

プリンタで、連続階調と言われる８ビット（＝256）階調を表現するためには、複数の画素のＯＮ面積の変化として中間階調表現を行う、階調処理と呼ばれる画像変換が必要とされる。

階調処理方式としては、予め用意された閾値配列の値と入力画素値の比較で画素のON／OFFを決定する組織的ディザ法と、画素のON／OFFで生じる入力階調値との誤差を周辺画素値に再配分する誤差拡散法が一般的である。

さらに組織的ディザ法に関しては、隣接する複数画素で周期的な網点を構成し、網点としての面積変化で階調表現をおこなう網点階調処理と、一定領域単位で分散的に、均質にONドットを配分する分散階調処理(ベイヤー)方式が知られている。

再現画素が不安定になりやすいレーザ方式のプリンタでは、これらの階調処理方式のうち、網点階調処理方式が、１画素の変動の階調性への影響を小さくでき、階調再現の安定性に優れるため好んで使用される。

一方で、網点階調処理では、網点密度と階調性がトレードオフの関係にあり、600dpi白黒２値のプリンタでは、階調性と解像度の両立が困難となる問題がある。例えば、600dpiのプリンタで、３×３画素を単位に網点を組んだ場合には、600／３＝200dpiの解像度相当になるが、階調数は白地を含めても３×３＋１＝１０の階調しか得られない。また、１画素２階調のプリンタで256階調を表現するためには、１６×１６で１つの網点を構成するので、網点密度が600／16＝37．5dpiとなり、非常に粗い網点となる。

これらの問題に対して、レーザビームあるいはＬＥＤアレイ方式のプリンタの場合であれば、プリンタの１画素をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により細分する方法がある。また、１ドットの露光強度を変調するＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）方式により１ドットを多階調化する方法が用いられる。

しかし、これらの方式においても、近年のプリンタの高速化により、１画素のパルス間隔そのものが短くなっている。このため、パルス生成の応答速度や現像追従性の限界によりパルス細分に、レーザの多ビーム化が必要になったり、ＬＥＤの複雑化による開発コストの増大など、強度変調の多段階化と低コスト化の両立が困難になる問題を生じている。

このような問題を解決するために、特許文献１や特許文献２では、巡回的に分散して成長する多重のセンタドットをもつ網点ディザとＰＷＭとを両立させて分散させる方式を開示している。また、特許文献３では、閾値配列を節約する方法として、基本的な閾値パターンから出力階調数に略均等に割り付けられる閾値間隔を計算し、閾値配列を生成する方法が開示されている。

特開２０００−４３５９号公報 特開２００１−９４７８２号公報 特開２００２−１８５７８７号公報

従来技術のように、１画素の多階調化、網点化、網点の分散処理の３つの方式によるハイブリッド化を行う場合にも、多階調化した１画素の階調数が十分に大きく無い場合には、それぞれの方式に割り付けるビット配分の整合性に問題を生じる。

例えば、特許文献１の方式において、１ドットが４段階（白地を除く）の多階調化しかできない場合に、特許文献１の図10(e)に開示されている２０階調の基本閾値パターンを使用した場合、視覚上問題になりにくい分散数が、２の冪乗型に限られる。また、ＰＷＭが４段程度の場合には、これを間引いて中間的なＰＷＭ段数を得ることができない。

これらを考慮すると、
(総階調数)＝(基本閾値パターン:20階調)×(分散数:2)×(1dot段数:4)＋(白地:1)＝161階調、あるいは、
(総階調数)＝(基本閾値パターン:20階調)×(分散数:4)×(1dot段数:4)＋(白地:1)＝321階調、の二通りの配分しか実現されない。

前者は、高品位な印刷には階調数がやや不足であり、後者を実現するためには、特許文献１の方式では８ビットのレンジを越える９ビット値を保持する閾値配列が必要となる。

しかし、通常メモリに対するデータの読み書きは、８ビットの倍数を単位として行なわれるため、８ビットを越える閾値の保持は、プリンタ組み込みの階調処理装置など、省メモリが前提となる階調処理装置にとっては、貴重な資源の浪費につながる。

また、特許文献２では入力階調値あるいは閾値のレベルに関連付けて出力階調値にＰＷＭ信号を対応付けるテーブルを切替える方式が提案されている。この場合、閾値の複雑な配置関係に関連付けてＰＷＭのテーブルを切替えることができないために、ＰＷＭの成長方向を網点形状に合わせるような処理は困難であった。また、このような閾値の配置に関連づける付加情報を閾値テーブルと別に設け、あるいは閾値のビット幅を８ビットよりも大きくすることは、先程と同様、メモリの浪費につながる。

また、特許文献３による方法の場合、最終的に使用される閾値配列を保持するレンジは依然８ビットを必要とする。このために、８ビットを越える階調数に適用することを考えた場合には、先述と同様、配列サイズが大きくなってしまう問題があった。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑み、１画素の高階調化、網点化、網点の分散化の３方式のハイブリッドによる階調処理を、各方式の組み合わせによる総階調数が８ビットレンジを超える場合にも対応可能にすることにある。これにより、ビット配分の整合性の問題を回避し、１画素の階調数が十分に大きくない場合にも、高品位な印刷を実現できる階調数を提供する。さらに、閾値を従来同様に８ビット以下で保持することで、階調処理装置のメモリ資源の節約にも寄与できる。

上記課題を達成する本発明は、１画素が８ビットの入力画素信号niを、１画素がｒビット（ｒ＜８）の出力画素信号noに変換する階調処理装置であって、入力画素信号niを、１画素がｎビット（ｎ＞８）の拡張画素信号ni'に拡張する階調補正手段と、閾値ncを８ビットで保持する閾値配列と、該８ビットの閾値ncを、１画素がｎビットの拡張閾値nc'に拡張する閾値拡張手段と、を備へ、前記階調補正手段の出力値のレンジを、前記閾値拡張手段による拡張閾値nc'の値のレンジと揃えるとともに、入力画素信号ni毎に逐次選択される閾値ncに対して、前記拡張画素信号ni'と拡張閾値nc'の比較に基づき、出力画素信号noを決定することを特徴とする。

また、前記閾値拡張手段は、閾値倍率Npを保持するレジスタと、８ビットの閾値ncから付加情報である最上位ビットを除いた（０にした）閾値nc”に対して、下位ｓビットを維持したまま上位（ｎ−ｓ）ビットをNp倍することで拡張閾値nc'を生成するとともに、出力変換テーブルに入力される出力階調値は、入力画素信号ni毎に逐次選択される閾値niに対して、拡張画素信号ni'と拡張閾値nc'との差分値Δｎ（＝ni'−nc'）と定数Δh'（＝Np×(2^s)−１）との比較により、Δn＜0の場合はno＝全bitが０、Δn＞Δh'の場合はno＝全bitが１、それ以外の場合はno＝Δn／(2^s)として生成する。ただし，noの小数点以下は切り上げまたは切り捨てる。

本発明によれば、閾値配列としては８ビットを超えない閾値を保持し、メモリ上に８ビットを超える閾値の配列を展開することなく、８ビットレンジを越える階調数に対応可能な分散網点方式と両立する階調処理方式を提供することができる。

さらに、７ビット以下に構成した閾値に、１ビットの出力パターンの切替え情報をもたせることが可能となるため、閾値配列を増大させることなく、閾値配置に関連付けた出力パターン切替えが可能となる。

本発明の最良の実施形態は、１ドットを４分割するＰＷＭ処理が可能なレーザプリンタであって、１６から２０個の閾値パターンを、後述する図３の方法に従って、４倍化して得られる６４から８０個の閾値からなる閾値配列を用いる。この閾値配列に対し、ｓ＝２、Ｎｐ＝４、Δh'＝３１として、拡張閾値nc'を生成し、拡張閾値nc'のレンジに合わせた拡張画素信号ni'との差分値Δnと定数Δh'との比較により、出力画素信号noが場合分けされる。

Δｎ＜０の場合は、出力画素信号noは全ビット０である。Δｎ＞Δh'の場合は出力画素信号noは全ビット１である。それ以外の場合は、出力画素信号noはΔｎ／(2^s)として生成される。この出力階調値に、図４の出力パターンを対応付けるのが最も効果的である。以下、本発明の複数の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による実施例１の階調処理装置を適用したカラーレーザプリンタのブロック図を示す。このブロック図は、６００dpiのカラーレーザプリンタにおける画像処理の流れを示している。

印刷対象となる画像データ１は、１ページ分のＲＧＢデータとして、入力バッファ２に蓄えられる。プリンタエンジン１３は、ＫＣＭＹの各面(各色)毎に現像を行うため、入力バッファ２以降の処理は、１つのカラー画像に対してＫＣＭＹの４面分、４回繰り返す。

最初に４色分解手段５は、ＲＧＢ点順次データからBlack（ブラック：Ｋ）を算出するように、必要に応じて内部を初期化する。これに対応して、階調補正手段７は階調補正値テーブル８からBlackに対応した補正値を内部の参照テーブルにロードする。また、ディザ生成手段１０はBlackに対応した閾値配列、及びその配列のサイズデータをテーブル１１からロードし、内部を初期化する。この閾値配列は、図３に示す閾値配列５５のような、０〜２５５以下の８bitで表現される値の配列である。

これにより、入力バッファ２から送られるＲＧＢデータは、色補正手段３による色補正、４色分解手段５によるBlackデータの生成、階調補正手段７による階調補正を受けた後、階調処理装置９によりＰＷＭ信号１２としてプリンタエンジン１３に出力される。階調補正手段７は、後述する階調処理装置９の一部として、各種設定パラメータを設定して得られるnmax＝(総階調数−１)を最大値とする階調値の補正手段である。

図８は階調補正手段による入出力対応関係の例を示す。この例では、０から２５５レンジの入力階調値niに対し、出力階調値は０からnmax（≦1023）の１０bitレンジ値を取る。ここで、１０bitレンジであることは、nmaxとして許容される最大値が1023まであるということであって、nmax自体は１０bitを必ずしも必要としない値であっても良い。

図９は、補正後特性を示している。入出力のレンジだけを合わせる線形補正４１に対するプリンタエンジン１３からの出力画像の濃度特性が一点鎖線の原特性４２の場合、これの逆特性に相当する図８の補正曲線４０を階調補正手段７の入出力関係として実現する(例えばルックアップテーブル参照として)。これにより、図９の補正後特性４３に示す線形の濃度特性を得ることができる。

もちろん、これ以外の任意の濃度特性は、補正曲線４０をベースに目標特性を合成することで容易に得ることができる。

Black１ページ分の処理が終了すると、４色分解手段５、階調補正手段７、ディザ回路１０は、閾値配列等、それぞれ必要なパラメータをCyan（シアン）用に再ロードして初期化し、同様の処理によりCyan１ページ分のＰＷＭ信号１２をプリンタエンジン１３に送出する。同様に、Magenta、Yellowに対する処理を行う。これら各色面の切替えはプリンタエンジンの垂直同期信号に同期して行う。

図１の処理の流れは、ＣＭＹＫの各色を１面づつ現像する４回転方式と呼ばれるカラーレーザプリンタの画像処理を想定している。しかし、ＣＭＹＫ各色毎に現像ユニットを搭載し、ほぼ４色同時に現像するタンデム方式の画像処理であっても、階調補正手段７から階調処理装置９にかけての処理は同様である。

図２は階調処理装置の構成図を示す。図で、記号[b：a]は、信号線の最下位bitから上位bitに向けて０から順番に番号付けした、ａ番めからｂ番目までの（ｂ−ａ＋１）bitの部分信号を表している。例えば、２進表現で(00001011)の値に対して[3：0]の信号は下位４bitの(1011)、[3：1]は[3：0]の上位３bitの(101)となる。

まず、階調処理装置９における閾値拡張手段３７の構成と機能を説明する。ノード３２ａは、閾値ncの最上位bitの信号線を、ノード３２ｂの信号線に接続する。閾値ncの最上位bitは、後述する出力変換テーブル２２との組合せによる出力パターン切替えフラグとして利用される。ノード３３ａは、ノード３３ｂの信号線に接続される。

レジスタ２５は、１bit値s1を保持する。ｓｌは、ncの最上位bitを出力パターン切替えフラグとして利用する場合にs1＝０、そうでない場合にはs1＝１を設定する。

レジスタ２３は、３bit値Npを保持する。Npは、１ドットの濃度切替えの段数（階調数−１）を表す。例えば、ＰＷＭにより１ドットを４分割する場合、Np＝４とする。

レジスタ２０’は、２bit値sを保持する。sは、特許文献１のbitシフト量、すなわち閾値ncのうち分散処理に使用するbit数を表す。

レジスタ１９は、６bit値Δh'＝（Δh−１）を保持する。Δhは後述する拡張閾値nc'の閾値間隔を表す。

これらのレジスタ値と後述する基本閾値パターンの構成ドット数（基本閾値個数）の間には、次ぎの関係がある。分散数＝２^s、Δh＝(分散数)×Np、総階調数＝（基本閾値個数）×Δh＋１、ただし、記号２^sは２のs乗の意である。

選択手段２０は、レジスタ２５の値s1に従って、s1＝０の場合は閾値ncの最上位bitを０で置き換えた値を選択し、s1＝１の場合は閾値ncそのままの値を選択し出力する。

マスクテーブル２１は、４つの８bitマスク値を保持し、レジスタ２０’の設定値sに対応して、s＝０の場合は(11111111)、s＝１の場合は(11111110)、s＝２の場合は(11111100)、s＝３の場合は(11111000)を出力する。ただし、()内は2進数表現である。

ＡＮＤ回路２６は、選択手段２０の出力値(８bit)と、マスクテーブル２１の出力値(８bit)を入力とし、これらの論理積(各bit毎の積)を出力する。

ＡＮＤ回路２７は、選択手段２０の出力値(８bit)とマスクテーブル２１の出力値の各bitの０，１を反転した値(８bit)を入力とし、これらの論理積の下位３bitを出力する。

乗算手段２８は、レジスタ２３の値Np(３bit)と、ＡＮＤ回路２６の出力(８bit)を入力とし、これらの乗算結果の１１bitのうち、下位１０bitを出力する。Npの値を、２^ｉ型(ｉ＝0,1,2,3)に制限するならば、乗算手段２８は単なるbitシフトで実現することも可能である。この場合、さらに論理規模が小さくて済むという効果が得られる。

加算手段２９は、乗算手段２８の出力値(１０bit)と、ＡＮＤ回路２７の出力値(３bit)を入力とし、これらの加算値(１０bit)を出力する。加算手段２９の演算では、もともとマスクテーブル２１とＡＮＤ回路２６，２７により分解した値を再合成するだけなので、桁上がりは発生せず、出力値は１０bitとなる。従って、加算手段２９の実装としては、通常の繰り上がりを考慮した加算ではなく、１０bit側入力値の下位３bitに、３bit側入力とのＯＲ値を合成することで実現可能である。

これにより、閾値拡張手段３７は、８bit閾値ncを入力値とし、ncの下位ｓbitをそのままに、上位（８−ｓ）bitだけをNp倍した、１０bit拡張閾値nc'を出力する。

次にディザ演算部の構成を説明する。ディザ演算部３４は、階調補正手段７により１０bit値に対応付けられた補正階調値ni'と、閾値拡張手段３７により１０bit拡張された拡張閾値nc'を入力とし、以下の構成で得られる６bit値を出力する。

減算手段１４は、補正階調値ni'(１０bit)と、加算手段２９の出力値である拡張閾値nc'(１０bit)を入力とし、減算値Δｎ＝ni'−nc'(１０bit)とアンダーフロー信号36(１bit)を出力する。アンダーフロー信号３６は、Δn＜０の場合に１、Δn≧0の場合に０となるが、これらのアンダーフロー信号の論理値（0,1）は、反転されてＡＮＤD手段１７に入力される。

比較手段１５は、減算手段出力Δn（１０bit）と、レジスタ値Δh−１（６bit）を入力とし、Δn＞Δh−１の場合１、Δn≦Δh−１の場合０の１bit値を出力する。ＯＲ回路１６は、比較手段１５の出力値(１bit)と、減算回路１４の出力値Δn（１０bit）を入力とし、比較手段１５の出力値が０の場合、Δnの下位６bitをそのまま出力し、比較手段１５の出力値が１の場合(111111)(2進)を出力する。

ＡＮＤ回路１７は、アンダーフロー信号３６の論理反転値(１bit)と、ＯＲ回路１６の出力値(６bit)を入力値とし、アンダーフロー信号３６が１(反転値０)の場合(000000)(2進)を出力する。アンダーフロー信号３６が０(反転値１)の場合、ＯＲ回路１６の出力値(６bit)をそのまま出力する。

ディザ演算部３４は、補正階調値ni'(１０bit)と、拡張閾値nc'(１０bit)を入力値とし、Δn＝ni'−nc'(10bit)とΔh'=Δh-1 (6bit)に対して、Δn＜０ならば(000000)を出力する。また、Δn＞Δh'ならば(111111)、それ以外(０≦Δn≦Δh')ならばΔnの下位６bitを出力することになる。

次に分散処理部の構成について説明する。分散処理部３５で、ＯＲ回路３１ａはディザ演算部３４の出力(６bit)の下位３bitを入力値とし、入力値が０でなければ１、入力値が０の場合０の１bit値を出力する。

ＯＲ回路３１ｂは、ディザ演算部３４の出力(６bit)の下位２bitを入力値とし、入力値が０でなければ１、入力値が０の場合は０の１bit値を出力する。

加算手段30aは、ディザ演算部34の出力(6bit)の上位3bit[5:3]と、OR回路31aの出力値(1bit)を入力値とし、これらの加算値(4bit)を出力する。

加算手段30bは、ディザ演算部34の出力(6bit)の上位4bit[5:2]と、OR回路31bの出力値(1bit)を入力値とし、これらの加算値(4bit)を出力する。ただし、上位[5:2]の4bit値が(1111)(2進)の場合は、出力値を飽和させ、加算による繰り上げは行わず(1111)を出力する。

加算手段３０ｃは、ディザ演算部３４の出力(６bit)の中位４bit[4：1]と、下位１bitを入力値とし、これらの加算値(４bit)を出力する。ただし、中位[4：1]の４bit値が(1111)(2進)の場合は、出力値を飽和させ、加算による繰り上げは行わず(1111)を出力する。

選択手段２４は、レジスタ２０’の設定値sに従って、s＝０の場合、ディザ演算部３４の出力(６bit)の下位4bitを選択する。そして、s＝１の場合は、加算手段３０ｃの出力(４bit)を選択し、s＝２の場合は、加算手段３０ｂの出力(４bit)を選択し、s＝３の場合は、加算手段３０ａの出力(４bit)を選択し、出力する。

出力変換テーブル２２は、選択手段２４の出力値(４bit)の上位にノード３２aで抽出した閾値ncの最上位１bitを付加した５bit値を入力とし、テーブル参照により対応する４bit値を出力する。

図４及び図５に、出力変換テーブルの入出力対応関係の例を示す。図４はＰＷＭ分割数Ｎｐが４の場合、図５はＰＷＭ分割数Ｎｐが８の場合の例である。図４、５では、入出力値を２進数で表し、出力値に対応するパルスパターンを、横軸を時間軸、縦軸をパルス強度として、概念的に示している。

レーザビームが左から右に向って走査する場合には、図４，５の右成長パターン６０が、濃度の増加に対して、左から右に向かってドットが成長するＯＮからＯＦＦに変化する露光信号パターンに対応し、左成長パターン６１が右から左に成長するＯＦＦからＯＮに変化する露光信号パターンとなっている。特に、入力値の最上位ビットが０の場合に、右成長パターン６０を対応させ、入力値の最上位ビットが１の場合に左成長パターン６１と対応させている。

図３は、図２の階調処理装置９との組合せにより効果的な階調処理を実現できる閾値配列の構成方法の例を示す。

(Step１)では、図３の基本閾値パターン５０に示すように、入力階調値niの増加に伴って印字したい点の順を０から順に番号で示したパターンを構成する。図３の基本閾値パターン５０の例は、基本閾値パターン５０上に破線の矢印で示したように、０を起点に時計周りに渦巻状に成長し始める網点を形成するパターンになっている。

(Step２)では、基本閾値パターン５０の各要素を２^s倍した閾値パターン５２を生成する。閾値パターン５２の例ではｓ＝２を想定している。

(Step３)では、閾値の最上位bitを利用してＰＷＭの成長パターンを切替えるために、閾値パターン５２の斜線部５１の各要素に128を加えて閾値パターン５３aを得る。このＰＷＭの成長パターンの切替えは、後述する図６に示した出力変換テーブル２２の設定との組合せで実現される。ただし、このことを実現するためには、閾値パターン５２の各要素の最上位bitが０、即ち、127以下の値であることが必要な前提となる。この前提は、基本閾値パターン５０の構成要素個数を128／(２^s)個以下であれば満たされる。例えば、ｓ＝２の場合、３２個以下の要素で基本閾値パターン５０を構成すれば、フラグビット使用の前提を満たすことができる。

(Step４)では、閾値パターン５３ａを基に、閾値パターン５３ａの各要素に１を加えた閾値パターン５３ｂ、閾値パターン５３ａの各要素に２を加えた閾値パターン５３ｃ、閾値パターン５３ａの各要素に３を加えた閾値パターン５３ｄを構成する。これらのパターンを、変位ベクトル５６（(4,2),(−2,4)及びこれらの和）に従って組み合わせることで、拡張閾値パターン５４を形成する。

これにより、補正入力階調値ni'が１づつ増加すると、特許文献１の図９と同様に、５３ａ⇒５３ｂ⇒５３ｃ⇒５３ｄの順で分散して、印画される網点濃度が増大することになる。

(Step５)では、拡張閾値パターン５４の反復した配置から、行・列ともに周期的に閉じた矩形領域を切り出すことで閾値配列５５を得る。

なお、図１のディザ生成手段１０は、この閾値配列５５を、閾値配列５５のサイズ情報を用いて周期的に反復利用することで、閾値ncを階調処理装置９に供給する。

ここで、閾値配列５５は、特許文献１の図８に開示されている例と同様、破線５７で示した部分配列を矢印Ａの位置でずらしながら反復利用することで、サイズを節約して使用することも可能である。

この場合、図１のディザ生成手段１０は、配列サイズの情報の他に、矢印Ａの位置の情報を用いて、破線５７の部分閾値配列から閾値配列５５の反復利用と等価となる閾値のアドレス管理を行う。

この様にして構成された閾値配列に対し、図２の階調処理装置９の各レジスタ設定値を、Np＝４、ｓ＝２、Δh＝１６(＝Np×２^s)、s1＝０と設定する。これにより、ＰＷＭ段数Ｎｐ(＝４),分散数＝２^s(＝４)、(最大階調値)＝(基本閾値個数)×Δh＝20×16＝320、(総階調数)＝(最大階調値)＋１＝321、の階調処理が実現される。

もちろん、以上述べた(Step１)から(Step５)の構成方法は、図３の基本閾値パターン５０以外の形状でも適用可能である。

図６は、図３の例を含む基本閾値パターンの形状と、それぞれの場合に適用可能なレジスタ設定値の例を示す。ただし、図６におけるΔhの値は、レジスタ１９には、Δh−１の値で保持することで、レジスタ１９のビット数を有効利用している。

また、図６の最大閾値は、図３の(Step３)の閾値への最上位bitへの値の付加(128加算)を除いた最大値である。従って、図６の最大閾値が128以上になるケースでは、図３の(Step３)を施すと桁あふれを生じてしまう。そのような場合には(Step3)を省略して、図２のレジスタ２５の値s1＝１で使用することになる。

この場合、図４の出力変換テーブルの右成長パターン６１と左成長パターン６０を、閾値の配置との整合をとりながら配置する(Step３)ことは困難になる。そこで、閾値の配置関係と、パターンテーブルの見直し、例えば右成長パターン６１部を左成長パターン６０と同一にする等の対応で、なるべく滑らかな網点のテクスチャと濃度階調の連続性が得られるよう調整する。

先の図３の例は、図６（３）の第一行の例に相当する。図６（３）にあるように、図３の基本閾値パターン形状に対して、その他のレジスタ設定値として、Np＝４,s＝３(分散数８)あるいは、Np＝８,s＝２(分散数４)の設定による(総階調数)＝641の階調処理も可能である。ただし、これらの場合には、先に述べたように最大閾値が128以上になるため、階調処理装置９はレジスタ２５の値s1をs1＝１として使用することになる。

また、Np＝８の場合には、８段階（白地・ベタを含めて９階調）の出力レベルに対応したハードウエア（露光制御装置）であることが前提となるのは、もちろんである。これに合わせて、図２の出力変換テーブル２２も、図５に示す８段階のパルスパターンに対応したものとする。

さらに、この例の他に、Np＝３のケースなども、３段階(４階調)出力に対応した露光制御装置と、出力変換テーブル２５5を用いることで対応可能となる。

図７は、本発明の一実施例による階調処理方法を、ソフトウエアによって実現する場合の流れ図を示す。

処理が開始されると、ステップ100で、γテーブル(Gamma)、出力変換テーブル、マスクテーブル(Mask)、ディザ閾値配列(nc)の各種テーブルを設定する。

ここで、ディザ閾値配列は図６に記載したような基本閾値パターン形状に、図３のステップ１からステップ５に示した方法によって得られる閾値配列（例えば閾値配列55）である。γテーブルは、図８に示したような、閾値配列の総階調数のレンジに出力レンジを揃えたテーブルである。また、マスクテーブルMaskは、()内を２進数表現として、Mask[0]＝(11111111),Mask[1]＝(11111110),Mask[2]＝(11111100),Mask[3]＝(11111000)であるようなテーブルである。

ついでステップ101で、Npに１画素あたりの階調数−１、sに分散bit数、ΔhにNp×(２^s)を設定する。これらの値は、図６に示したような組合せに従って、先のステップ100で設定したディザ閾値に合わせて設定する。例えば、図３の閾値配列５５に合わせる場合は、Np＝４,s＝２,Δh＝１６を設定する。

次に、ステップ102からステップ109は１ページ分の各入力画素値の配列要素ni＝ni[i][j]に対して反復される。

ステップ102では、niに最初(次ぎ)の入力画素値(８bit値)を入力し、ncに最初(次ぎ)の閾値配列の要素値を入力する。通常はni、ncとも８bit値の二次元配列から参照される値である。ncの配列サイズを(xsize)×(ysize)とするとき、入力画素の(i,j)要素ni＝ni[i][j]と比較する閾値ncは、ncの(i%xsize,j%ysize)要素、nc＝nc[i%xsize][j%ysize]を選択することで、反復利用する(記号n%pは、nをpで割った余り)。

ステップ103では、nf＝nc & (10000000)、nh＝nc & (01111111) & Mask[s]、nL＝nc & (01111111) & ~Mask[s]、とする。ここで、記号&は、bit毎のand演算、~はbit毎の0,1の反転、()内数値は２進数である。

ステップ104では、ni'＝Gamma[ni],nc'＝nh*Np＋nL,Δn＝ni'−nc'、とする。

ステップ105では、Δnの値に応じて４bit値ｐを、Δn≦0ならばp＝０、Δn≧Δhならばｐ＝(1111)、０＜Δn＜Δhならばｐ＝Δn／２^s (ただし小数以下切り上げ)、とする。

ステップ106では、ｐに nf＞＞３（nfの３bit右シフト値）を加算する。

ステップ107でｐを出力変換テーブル２２に従って出力値ｐ'に変換し、ステップ108で出力する。

ステップ109では、入力画素niが１ページ分終了するまでステップ102から108を繰り返し、１ページ分の処理が完了したら終了する。

上記ステップ105のｐ＝Δn／２^２の小数以下の処理は、特許文献１にもあるように切捨てとしても同様の効果が得られる。

図１０は、切捨て処理に相当する階調処理装置９の分散処理部３５を示す。加算手段を省略し、単純なノード３３ｂの６bit信号から４bit分の信号線を選択する手段とすることで実現される。ただし、s＝３に対応する選択信号は[5:3]の３bitなので、この場合には最上位bitに０の信号を補って４bitとする。

先の図３、図４の例では、閾値ncの最上位bitをＰＷＭの成長方向の切替えに利用する方法を示したが、プリンタエンジン部における現像手段（図示せず）がＬＥＤアレイヘッドのなどの場合には、１画素の多値化は露光強度の制御で行われる。

図１２は他の実施例による出力変換テーブルの例である。プリンタエンジン部の露光制御手段が、露光強度を入力信号の継続時間と入力信号強度で制御する場合には、図示のような出力変換テーブルを利用することができる。

図１２では、出力変換テーブルの５bit入力に対して、最上位bitを出力信号強度、下位４bitを信号出力時間に割り当て、出力信号強度bitが１の場合には、通常よりも信号強度を落すように設定している。

図１１は、ディザ閾値パターンの構成方法の他の例を示す。図示のように、基本閾値パターン５０の網点部５８が、拡張時に隣接する網点部５８と最初に連結される画素５１に対して、閾値要素の最上位bitに128を加えるようにする(Step３)。これにより、濃度特性の急変を緩和することができる。図１３は、このような場合の濃度特性を示し、網点の連結(チェーンドットの発生)する階調値７０における濃度特性の急変部７１の発生を緩和している。

図１４は、本発明の階調処理装置を搭載したカラーレーザプリンタを示す。プリンタエンジン１３には、本発明の階調処理装置を含む画像処理装置を搭載したプリンタコントローラ８１が筐体側面位置に立てて取り付けられている。

プリンタエンジン１３では、レーザ８２により感光体８４上に静電潜像を形成し、現像ユニット８３により帯電させた色材（トナー）により感光体８４上の静電潜像を現像してから、中間転写体８６に転写する方式をとっている。ここでは簡略化して図示されているが、レーザ光学系８２はポリゴンミラーの回転により感光体８４の送り方向（図では下から上）に直交する方向を主走査方向としてレーザをスキャンする。

また、プリンタコントローラ８１上には、特に図示はしていないが、先の出力変換テーブル２２の出力値をパルスパターンに対応づける露光時間制御手段と、レーザのパルス強度を２段階に切り替える露光強度制御手段が搭載されている。

本発明によれば、１画素でｎbit階調（ｎは、通常８）の階調表現を行うことが困難なラスタイメージの画像出力装置に対して、複数の画素の組合せでｎbit階調を表現する変換を行う階調処理装置が実現できる。これにより、プリンタ・コピア・ファックスなどに対して広く適用可能である。

本発明の階調処理装置を含む画像処理装置の該略構成図。 階調処理装置の主要部の詳細構成図。 階調処理装置に適用する閾値配列の構成方法の手順図。 出力変換テーブルの一例を示す説明図。 出力変換テーブルの他の例を示す説明図。 基本閾値パターン形状と各レジスタパラメータの設定例を示す説明図。 本発明の階調処理の手順を示すフローチャート。 階調補正手段の入出力対応関係の特性を示す特性図。 階調補正による出力濃度補正の特性を示す特性図。 他の例による分散処理部の構成図。 露光強度変調を行う場合の閾値配列方法の手順図。 露光強度変調を行う場合の出力変換テーブルの説明図。 チェーンドットによる濃度急変の例を示す特性図。 レーザプリンタの概略図。

符号の説明

１…画像データ、２…入力バッファ、３…色補正手段、５…４色分解手段、７…階調補正手段、９…階調処理装置、１０…ディザ生成手段、１１…閾値配列テーブル、１２…パルス信号(露光制御信号)、１３…プリンタエンジン、１４…減算手段、１５…比較手段、１６…OR回路、１７…AND回路、１９…レジスタ、２０…選択手段、２０’…レジスタ、２１…マスクテーブル、２２…出力変換テーブル、２３，２５…レジスタ、２４…選択手段、２６，２７…AND回路、２８…乗算手段、２９…加算手段、３０ａ,３０ｂ,３０ｃ…加算手段、３１ａ,３１ｂ…OR回路、３２ａ,３２ｂ…ノード、３３ａ,３３ｂ…ノード、３４…ディザ演算部、３５…分散処理部、３６…アンダーフロー信号、３７…閾値拡張手段、４０…線形化補正曲線、４１…線形補正、４２…原特性、４３…補正後特性、５０…基本閾値パターン、５１…斜線領域、５２…閾値パターン、５３ａ,５３ｂ,５３ｄ…閾値パターン、５４…拡張閾値パターン、５５…閾値配列、５６…変位ベクトル、６０…右成長パターン、６１…左成長パターン、７０…チェーンドット発生階調、７１…濃度急変部。

Claims (12)

1. １画素が８ビットの入力画素信号を、１画素がｒビット（ｒ＜８）の出力画素信号に変換する階調処理装置であって、
   前記入力画素信号を、１画素がｎビット（ｎ＞８）の拡張画素信号に拡張する階調補正手段と、
   閾値を８ビットで保持する閾値配列と、該８ビットの閾値を、下位ｓビットを保持したまま、上位（８−ｓ）ビットだけをＮｐ倍して、１画素がｎビットの拡張閾値に拡張する閾値拡張手段と、を備え、
   前記階調補正手段の出力値のレンジを、前記拡張閾値のレンジと揃えるとともに、
   前記入力画素信号毎に、逐次選択される閾値に対して、前記拡張画素信号および前記拡張閾値との差分値が、
   （１）０より小さい場合は、前記出力画素信号は全ビットを０に、
   （２）予め定めた定数より大きい場合は、前記出力画素信号は全ビットを１に、
   （３）前記（１）、（２）以外の場合は、該差分値から下位ｓビットを除いて、その上位ｒビットの部分信号を、前記出力画素信号と、
   することを特徴とする階調処理装置。
2. １画素が８ビットの入力画素信号を、１画素がｒビット（ｒ＜８）の出力画素信号に変換する階調処理装置であって、
   前記入力画素信号を、１画素がｎビット（ｎ＞８）の拡張画素信号に拡張する階調補正手段と、
   閾値を８ビットで保持する閾値配列と、閾値倍率を保持するレジスタと、前記閾値の下位ｓビットを維持したまま、上位（ｎ−ｓ）ビットをＮｐ倍する閾値拡張手段と、
   定数Δh'＝Ｎｐ×(２^ｓ)−１を保持するレジスタを備え、
   前記階調補正手段の出力レンジを、前記閾値拡張手段による拡張閾値のレンジと揃えるとともに、
   前記入力画素信号毎に逐次選択される閾値に対して、前記拡張画素信号と拡張閾値の差分値Δｎと定数Δh'との比較により、
   差分値Δｎ＜０の場合は、前記出力画素信号は全ビットを０に、
   差分値Δｎ＞定数Δh'の場合は、前記出力画素信号は全ビットを１に、
   それ以外の場合は、前記出力画素信号は出力画素信号no＝Δn／(2^s)（但し、小数点以下は切り捨てまたは切り上げ）に、場合分けされることを特徴とする階調処理装置。
3. 請求項２において、
   前記定数Δｈ’＝Ｎｐ×(２^ｓ)−１に代えて、定数Δｈ’＝Ｎｐ×(２^ｓ)であることを特徴とする階調処理装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、
   前記閾値拡張手段の分割ビット数ｓは、ｓが０、１、２または３と設定できることを特徴とする階調処理装置。
5. １画素８ビットの入力画素信号を、１画素ｒビット（ｒ＜８）の出力画素信号に変換する階調処理方法であって，
   階調補正手段により、前記入力画素信号を、１画素がｎビット（ｎ＞８）の拡張画素信号に拡張し、
   ８ビットの閾値を、下位ｓビットを保持したまま、上位（８−ｓ）ビットだけをＮｐ倍して、１画素がｎビットの拡張閾値に拡張し、前記階調補正手段の出力レンジを、前記拡張閾値のレンジと揃えるとともに、
   前記入力画素信号毎に、逐次選択される閾値に対して、前記拡張画素信号および前記拡張閾値との差分値が、
   （１）０より小さい場合は、前記出力画素信号は全ビットを０に、
   （２）予め定めた定数より大きい場合は、前記出力画素信号は全ビットを１に、
   （３）前記（１）、（２）以外の場合は、該差分値から下位ｓビットを除いて、その上位ｒビットの部分信号を、
   することを特徴とする階調処理方法。
6. １画素８ビットの入力画素信号を、１画素ｒビット（ｒ＜８）の出力画素信号に変換する階調処理方法であって、
   階調補正手段により、前記入力画素信号を、１画素ｎビット（ｎ＞８）の拡張画素信号に拡張し、
   ８ビットの閾値の下位ｓビットを維持したまま、上位（ｎ−ｓ）ビットをＮｐ倍した拡張閾値と、定数Δh'＝Np×(2^s)-1を用い、
   前記階調補正手段の出力レンジと拡張閾値のレンジを揃えるとともに、
   前記入力画素信号毎に、逐次選択される閾値に対して、前記拡張画素信号と拡張閾値の差分値Δｎと定数Δh'との比較により、
   差分値Δｎ＜０の場合は、前記出力画素信号は全ビットを０に、
   差分値Δｎ＞定数Δh'の場合は、前記出力画素信号は全ビットを１に、
   それ以外の場合は、前記出力画素信号は出力画素信号no＝Δn／(2^s)（但し、小数点以下は切り捨てまたは切り上げ）に、場合分けすることを特徴とする階調処理方法。
7. 請求項６において、
   前記定数Δｈ’＝Ｎｐ×(２^ｓ)−１に代えて、定数Δｈ’＝Ｎｐ×(２^ｓ)であることを特徴とする階調処理方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項において、
   分割ビット数ｓは、ｓが０、１、２または３と設定できることを特徴とする階調処理方法。
9. レーザ走査光学系を備えたレーザプリンタであって、
   １画素８ビットの入力画素信号を、１画素ｒビット（ｒ＜８）の出力画素信号に変換する階調処理装置を備え、該階調処理装置は、
   １ドットを表現するレーザ露光単位時間をさらに細分する露光時間制御手段と、
   該露光時間制御手段への入力パターンを階調値(出力階調値)と対応付ける出力変換テーブルを備え、
   １画素８ビットの入力画素信号を、１画素ｎビット（ｎ≧８）の拡張画素信号に拡張する階調補正手段と、
   ７ビットレンジの閾値を８ビットで保持する閾値配列であって、該８ビットの閾値の特定ビットには閾値の配置に関連した付加情報を保持し、
   前記閾値の特定ビット以外の７ビットをｎビットの拡張閾値に拡張する閾値拡張手段を備え、
   該閾値拡張手段は、前記閾値の特定ビットを除いた７ビットのうち、下位ｓビットを除いた上位（７−ｓ）ビットをＮｐ倍することで拡張閾値を生成し、
   前記階調補正手段の出力レンジと拡張閾値のレンジを揃えるとともに、
   前記入力画素信号毎に逐次選択される閾値に対応する拡張画素信号と拡張閾値との差分値Δｎが、
   （１）０より小さい場合は、前記出力画素信号は全ビットを０に、
   （２）予め定めた定数より大きい場合は、前記出力画素信号は全ビットを１に、
   （３）前記（１）、（２）以外の場合は、前記（１）、（２）以外の場合は、該差分値から下位ｓビットを除いて、その上位ｒビットの部分信号を、前記出力画素信号とに基づいて、出力変換テーブルへの出力階調値として生成し、
   前記閾値の特定ビットの値（付加情報）により前記出力変換テーブルを切替えることを特徴とするレーザプリンタ。
10. レーザ走査光学系を備えたレーザプリンタであって、
    １画素８ビットの入力画素信号を、１画素ｒビット（ｒ＜８）の出力画素信号に変換する階調処理装置を備え、該階調処理装置は、
    １ドットを表現するレーザ露光単位時間をさらに細分する露光時間制御手段と、
    該露光時間制御手段への入力パターンを階調値(出力階調値)と対応付ける出力変換テーブルと、
    １画素が８ビットの入力画素信号を、１画素がｎビット（ｎ≧８）の拡張画素信号に拡張する階調補正手段と、
    ７ビットレンジの閾値を８ビットで保持する閾値配列と、
    該８ビットの閾値は特定ビットに閾値の配置に関連した付加情報を保持し、
    前記閾値の特定ビット以外の７ビットをｎビットの拡張閾値に拡張する閾値拡張手段を備え、
    該閾値拡張手段は、閾値倍率Ｎｐを保持するレジスタを有し、前記閾値の特定ビットを除いた７ビットのうち、下位ｓビットを除いた上位（７−ｓ）ビットをＮｐ倍することで拡張閾値を生成し、
    前記階調補正手段の出力レンジを、前記閾値拡張手段による拡張閾値のレンジと揃えるとともに、
    前記入力画素信号毎に逐次選択される閾値に対応する拡張画素信号と拡張閾値との差分値Δｎが、
    （１）０より小さい場合は、前記出力画素信号は全ビットを０に、
    （２）予め定めた定数より大きい場合は、前記出力画素信号は全ビットを１に、
    （３）前記（１）、（２）以外の場合は、該差分値から下位ｓビットを除いて、その上位ｒビットの部分信号を、前記閾値の特定ビットの値とに基づいて、出力変換テーブルへの出力階調値を生成し、
    前記閾値の特定ビットに埋め込まれた付加情報に従って、出力レーザパルスのＯＮからＯＦＦ、ＯＦＦからＯＮの順を決定することを特徴とするレーザプリンタ。
11. レーザ走査光学系あるいはLED配列を備えたレーザプリンタであって、
    レーザ露光単位時間をさらにｒ分割する露光時間制御手段と、レーザ露光強度を２段階以上に切替える露光強度制御手段と、該露光時間制御手段及び該露光強度制御手段への入力パターンを出力信号強度及び信号出力時間と対応付ける出力変換テーブルとを備え、
    １画素が８ビットの入力画素信号を、１画素がｎビット（ｎ≧８）の拡張画素信号に拡張する階調補正手段と、
    ７ビットレンジの閾値を８ビットで保持する閾値配列と、
    該８ビットの閾値の特定ビットに、レーザ露光強度を決定する情報を付加的に保持し、
    前記閾値の特定ビット以外の７ビットをｎビットの閾値に拡張する閾値拡張手段を備え、
    該閾値拡張手段は、閾値倍率Ｎｐを保持するレジスタを有し、前記閾値の特定ビットを除いた７ビットのうち、下位ｓビットを除いた上位（７−ｓ）ビットをＮｐ倍することで拡張閾値を生成し、
    前記階調補正手段の出力レンジを、前記閾値拡張手段による拡張閾値のレンジと揃えるとともに、
    前記露光時間制御手段は、前記入力画素信号毎に逐次選択される閾値に対応する拡張画素信号と拡張閾値との差分値Δｎが、
    （１）０より小さい場合は、前記出力画素信号は全ビットを０に、
    （２）予め定めた定数より大きい場合は、前記出力画素信号は全ビットを１に、
    （３）前記（１）、（２）以外の場合は、該差分値から下位ｓビットを除いて、その上位ｒビットの部分信号に基づいて、レーザ露光時間を決定し、
    前記露光強度制御手段は、前記閾値の特定ビットの値に基づいて、レーザ露光強度を決定することを特徴とするレーザプリンタ。
12. 請求項９または１０において、
    前記閾値拡張手段は、閾値倍率Ｎｐを保持するレジスタを有し、
    出力変換テーブルに入力される前記出力階調値は、前記入力画素信号毎に逐次選択される閾値に対して、拡張画素信号と拡張閾値との差分値Δｎと定数Δh'＝Np×２^s−１との比較により、
    差分値Δｎ＜０の場合は、前記画素信号は全ビットを０に、
    差分値Δｎ＞定数Δh'の場合は、前記画素信号は全ビットを１に、
    それ以外の場合は、前記画素信号は画素信号no＝Δn／(2^s)（但し、小数点以下は切り捨てまたは切り上げ）に、場合分けして生成されることを特徴とするレーザプリンタ。

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