JPH10198803A

JPH10198803A - 濾波方法および濾波装置

Info

Publication number: JPH10198803A
Application number: JP9348357A
Authority: JP
Inventors: Robert E Sobol; ロバート・イー・ソボル
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1998-07-31
Also published as: EP0851665A3; EP0851665A2; EP0851665B1; US5854859A; DE69735877D1

Abstract

(57)【要約】【課題】暗領域の雑音を強調せずに、画像を鮮鋭化す
る。【解決手段】自動濾波演算を用い、鮮鋭化の程度が画素
ごとの輝度の関数になる。各画素に関して、中央フィル
タ係数および正規化除数が輝度の関数になる。輝度の低
い画素は比較的弱く濾波され、輝度の高い画素は比較的
強く濾波される。特定の実施形態例では、輝度範囲が複
数の帯域に分割され、各帯域ごとに異なるフィルタを用
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に電算化され
た画像処理、さらに詳細には、空間濾波、カーネル演
算、およびラプラス演算子に関する。

【０００２】

【従来の技術】デジタル・カメラ、イメージ・スキャ
ナ、コピー機、ファクシミリ装置、およびその他の装置
は、伝送、印刷、または記憶に適した電子形態の画像を
提供する。画素（あるいはピクセル）は、輝度値または
座標として色空間に数値で表される。コンピュータ可読
形態で画像を得た後で、この画像を「処理」して、歪み
の除去、雑音の低減、色の修正、輪郭の強調などといっ
たことを行うことができる。本発明はは、主にカーネル
演算または畳み込みカーネルとも呼ばれる空間フィルタ
に関する。特に重要なのは、鮮鋭化フィルタとも呼ばれ
るラプラス演算子である。ラプラス演算子を用いると、
隣接する画素の値によって画素値を修正することができ
る。輝度が一様であれば修正は起こらない。しかし、輝
度が変化する領域では、ラプラス演算を行うことにより
この変化が強調される。ラプラス演算子は、空間微分
器、または空間高域フィルタであると見ることができ
る。視覚的には、これらは画像の輪郭のコントラストを
改善し、見る人にとって輪郭が見やすくなり、画像がよ
り鮮鋭に表現される。画像処理の一般的な情報を得るた
めに、例えば、Ross,John C.のThe Image Processing H
andbook,2nd Edition(1995),CRC Press,Inc.を参照する
と、該文献の２２５ページから２３２ページにおいてラ
プラス演算子が論じられている。

【０００３】デジタル・カメラおよびイメージ・スキャ
ナから得られる画像には、一般に避けられないいくつか
の雑音がある。光センサは、光を全く受けないときに
も、有限の背景信号レベルを有する（フォグ・レベルま
たは暗電流と呼ばれることがある）。またアナログ・デ
ジタル変換の精度が制限されるので、熱雑音、同期電気
雑音のほか、量子化雑音が存在することがある。また、
感度（電圧変化／光の輝度）も、感光素子ごとに異な
る。一般に、デジタル・カメラおよびイメージ・スキャ
ナは較正処理を実行して、背景（暗）信号および感度の
ばらつきの影響を低減させるが、較正によりばらつきの
影響が完全に取り除かれることはほとんどない。

【０００４】光の輝度に対する人間視覚システムの感度
は、ほぼ対数的になる。すなわち、人間視覚システム
は、暗領域および影領域の輝度変化に対して非常に感度
がよく、輝度が高くなると、輝度変化に対する感度は低
下する。したがって、雑音のレベルが一定の場合は、雑
音は画像の暗領域で視覚的により影響が大きくなる。例
えば、線スキャナでは、感光素子の列の中の１つの感光
素子の感度が、隣接する他の感光素子の感度よりも高い
場合には、得られるデジタル化画像に垂直な光の線が現
れることがある。この線は画像の明領域では見ることは
できないが、画像の暗領域では見ることができ、目障り
になることがある。しかし、輝度を低下させると、空間
の細部に対する感度が低下する。したがって、画像を低
域濾波することにより、暗領域中の空間の細部への視覚
的影響を比較的小さくして、画像の暗領域中のいくつか
の目障りな雑音を抑制することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ラプラス演算子は、画
像の明領域では有効に輪郭の品質を向上させるが、画像
の暗領域では雑音を強調する。例えば、上記の垂直な光
の線は、ラプラス演算子を適用する前には暗領域で見え
ないが、ラプラス演算子を適用することによって見える
ようになる。同様に、ラプラス演算子を適用する前には
比較的なめらかな外観を有する灰色領域が、ラプラス演
算子を適用した後では不均一、または雑音のある状態に
なることがある。

【０００６】画像の暗領域の雑音を強調することなく、
画像を鮮鋭化することが必要とされている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、自動濾波演
算を用い、鮮鋭化の程度が画素ごとの輝度の関数にな
る。各画素に関して、中央フィルタ係数および正規化除
数が輝度の関数になる。輝度の低い画素は比較的弱く濾
波されるか、全く濾波されない。すなわち、暗領域の画
素の場合は、隣接画素の影響が比較的小さい。輝度の高
い画素は比較的強く濾波される。特定の実施形態例で
は、輝度範囲が複数の帯域に分割され、各帯域ごとに異
なるフィルタを用いる。その結果得られる画像は、視覚
的に鮮鋭になり（輪郭の品質が向上し）、画像の暗領域
への悪影響はほとんどない。

【０００８】

【発明の実施の形態】

【実施例】表１の数字の配列は、２次元画像における画
素値Ｐ（ｉ，ｊ）を表すものである。例として、低い数
値をもつ画素は暗く、高い数値をもつ画素は明るいもの
と想定する。図１Ａは、行番号２（ｊ＝２）の行の画素
値を列番号（ｊ）の関数として表すグラフである。

【０００９】

【表１】

【００１０】以下の実施例では、ラプラシアン・フィル
タは、つぎの一般形を有するフィルタ係数の行列であ
る。

【００１１】

【表２】

【００１２】各画素値Ｐ（ｉ，ｊ）の濾波計算は以下の
ようになる。Ｐ（ｉ，ｊ）＝［（Ｋ＋４）×Ｐ（ｉ，ｊ）−Ｐ（ｉ＋
１，ｊ）−Ｐ（ｉ，ｊ−１）−Ｐ（ｉ，ｊ＋１）−Ｐ
（ｉ−１，ｊ）］／Ｋ例えば、表１で下線を付けたＰ（２，５）とその近傍を
Ｋ＝２で濾波すると；Ｐ（２，５）＝［６×Ｐ（２，５）−Ｐ（１，５）−Ｐ
（２，４）−Ｐ（２，６）−Ｐ（３，５）］／２＝［１
２０−２０−１０−２０−２０］／２＝２５となる。

【００１３】ラプラス演算を適用した結果、Ｐ（２，
５）の値は２０から２５に変化する。以下の数字は、Ｋ
＝２で固定したラプラス演算子を適用した後の、上記の
行２を表したものである（輪郭画素は濾波しない）。

【００１４】

【表３】

【００１５】図１Ｂは、Ｋ＝２を固定したラプラス演算
子を適用した後の、上記行２の濾波後の値を示すグラフ
である。図１Ｂの参照番号１００は、上記の数字の例で
使用されるＰ（２，５）を指す。元の画像（図１Ａ）の
輝度の段差が、濾波後の画像（図１Ｂ）ではアンダーシ
ュートと、それに続くオーバーシュートに変換されるこ
とに留意されたい。結果として、図１Ａでは増分が１０
である輝度の段差が、図１Ｂでは増分が２０になる。す
なわち、輝度の段差、すなわち輪郭あるいは境界が強調
される。図１Ｂで、画素数値１０から２０への段差（参
照番号１０２）は、画素数値３０から４０への段差（参
照番号１０４）と全く同量だけ強調されることに留意さ
れたい。人間視覚システムは対数的であるので、比較的
暗い領域の強調された輝度の段差１０２は、比較的明る
い領域の強調された輝度の段差１０４よりもはるかに大
きく感じられることになる。

【００１６】ラプラス演算は破壊的であるので、変更さ
れた画素値ではなく、元の画素値について計算を実行し
たことを保証するため十分長期間元の画素値の複写を記
憶して置かなければならない。さらに、画像の外側輪郭
に対しては、人工的な境界値を与えたり、または単純に
境界に隣接する画素に対しては濾波演算を実行しないな
どの特別な規則が必要である。

【００１７】以下の特定の実施形態例では、Ｋの値は
１、２、４、８である。Ｋ＝８では、画素値は、隣接す
る画素によって比較的小さい変化を受ける（弱い濾
波）。Ｋ＝１では、画素値は、隣接する画素によってか
なりの変化を受ける可能性がある（強い濾波）。Ｋに対
して２の累乗の整数を選択することにより、Ｋによる正
規化除算をマイクロプロセッサのシフト命令で実行する
ことが可能になる。

【００１８】本発明では、濾波する各画素ごとに、Ｋの
値は濾波前の画素数値Ｐ（ｉ，ｊ）によって決まる。例
えば、以下のようにＫの値を選択する場合について考察
する。Ｐ（ｉ，ｊ）≦１０の場合にはＫ＝８、１０＜Ｐ（ｉ，ｊ）≦２０の場合にはＫ＝４、２０＜Ｐ（ｉ，ｊ）≦３０の場合にはＫ＝２、３０＜Ｐ（ｉ，ｊ）≦４０の場合にはＫ＝１。以下の数字は、上記例の関係にしたがってＫ＝１、２、
４、または８となる可変ラプラス演算子を適用した後
の、元の行２の変換された画素値を表すものである（輪
郭画素は濾波せず、値は丸めてある）。

【００１９】

【表４】

【００２０】図１Ｃは、上記の関係にしたがってＫ＝
１、２、４、または８となる可変ラプラス演算子を適用
した後の、上記の元の行２を表すグラフである。明領域
の段差（１０８）が非常に強調されているのに対して、
暗領域の輝度の段差（１０６）がほとんど強調されない
ことに留意されたい。多くの画像に対して、上記に例示
した可変ラプラス演算子を適用することによって、画像
の暗領域の雑音を強調することなく、鮮鋭さはかなり改
善される。

【００２１】本発明の特定の実施形態例では、画像装置
の使用者は、それぞれＫ＝８、４、２、１に対応する、
軽、通常、重、極重の一連の鮮鋭化フィルタから選択す
ることができる。光センサからの元の輝度は、対数関数
で修正されて人間視覚応答に近づく（ガンマ補正と呼ば
れる）。閾値は、ガンマ補正済みの輝度範囲の特定のレ
ベルに設定される。例えば、ガンマ補正済みの輝度の範
囲０から２５５では、０を暗い輝度、２５５を最高の輝
度として、閾値は２０、４０、６０、８０に設定するこ
とができる。個別のガンマ補正済みの画素輝度とフィル
タ値との間の関係は、この場合は以下のようになる。８
０≦Ｐ（ｉ，ｊ）の場合には、使用者が選択したフィル
タの重さを使用する。６０≦Ｐ（ｉ，ｊ）＜８０の場合
には、使用者が選択したフィルタの重さよりも１段階軽
いフィルタの重さを使用する。４０≦Ｐ（ｉ，ｊ）＜６
０の場合には、使用者が選択したフィルタの重さよりも
２段階軽いフィルタの重さを使用する。２０≦Ｐ（ｉ，
ｊ）＜４０の場合には、使用者が選択したフィルタの重
さよりも３段階軽いフィルタの重さを使用する。

【００２２】すなわち、使用者が選択した重さは最高の
輝度のガンマ補正済み輝度値に対して使用され、その次
に軽いフィルタ（あるいは存在しないこともある）は、
その次の２０だけ暗いガンマ補正済み輝度値に対して使
用される、などとなる。例えば、使用者が通常の濾波を
選択した場合には、最高の輝度はＫ＝４で濾波され、そ
の次の２０だけ暗い輝度は、Ｋ＝８で濾波され、６０だ
け暗い最暗輝度は全く濾波されない。

【００２３】色に関しては、上記の可変濾波手法を所望
の各色座標（例えば赤、緑、青）に関して適用すること
ができ、あるいは色空間の輝度座標のみに関して使用す
ることもできる。例えば、色相、彩度、明度の色空間で
は、可変フィルタを明度座標のみに適用することができ
る。

【００２４】ラプラシアン・フィルタは、対角要素を有
することができる。これらは、３×３より大きくなるこ
とがある。また、その他のフィルタとを組み合わせて、
鮮鋭化する前に低域濾波を行い、あるいは鮮鋭化と組み
合わせてその他の処理を行うことができる。鮮鋭化済み
の画像をぼけ除去のために元の画像から差し引くことが
できる。

【００２５】図２は、デジタル・カメラや、複写機や、
スキャナなどの画像装置を示すブロック・ダイアグラム
である。感光装置の配列２００は、所定時間各感光装置
にあたる光の輝度の尺度であるアナログ量（電荷、電
圧、電流）２０２を提供する。通常は、アナログ量２０
２は、１つまたは複数のアナログ・デジタル変換器２０
４によって直接数値に変換され、メモリ２０６に記憶さ
れる。その後、プロセッサ２０８によりこれらの数値を
濾波したりその他の処理に付すことができる。これらの
数値を処理するのではなく、フィルタ２１０で表すよう
に、アナログ量を直接処理することもできる（例えば、
米国特許第４５６８９７７号および第５１１３３６５号
を参照のこと）。したがって、適当な中間記憶装置およ
びスレショルド装置（アナログ比較器）を使用すれば、
上記に論じたレベル感受性ラプラス演算子を、フィルタ
２１０によってアナログ領域で実施することができる。
あるいは、レベル感受性ラプラス演算子を、プロセッサ
２０８によってデジタル領域で実施することもできる。
プロセッサ２０８は、コンピュータに接続された周辺装
置の内部に置くことも、または別の独立したコンピュー
タ内におくこともできる。

【００２６】本発明についての前述の説明は、例示およ
び説明を目的として与えたものである。これは、本発明
を網羅する、または開示したそのままの形態に本発明を
限定するためのものではなく、上記の教示に鑑みてその
他の修正および変形が可能である。本実施形態は、本発
明の原理およびその実際の応用例を最もよく説明し、そ
れによって当業者が、企図する特定の用途に適合した様
々な実施形態および修正形態で、本発明を最もよく利用
できるようにするために選択して説明したものである。
以下に本発明の実施態様を数例例示する。

【００２７】（実施態様１）（ａ）少なくとも１つの閾値を定義する工程と、（ｂ）
画素値を読み取る工程と、（ｃ）画素値が閾値より大き
い場合に、この画素値に第１のラプラシアン・フィルタ
を適用する工程と、（ｄ）画素値が閾値未満の場合に、
この画素値に第２のラプラシアン・フィルタを適用する
工程と、（ｅ）配列中の全ての画素に対して、工程
（ｂ）から（ｄ）を繰り返す工程とを含む、画像の輝度
の尺度である画素値の配列を、空間的に濾波するための
濾波方法。

【００２８】（実施態様２）各画素値がアナログ量であ
ることを特徴とする実施態様１に記載の濾波方法。（実施態様３）各画素値が数値であることを特徴とす
る、実施態様１に記載の濾波方法。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】画素の例示の１行の、画素番号に対する画素
値を示すグラフである。

【図１Ｂ】固定ラプラス演算子で変換した、図１Ａの画
素値を示すグラフである。

【図１Ｃ】本発明による可変ラプラス演算子で変換し
た、図１Ａの画素値を示すグラフである。

【図２】本発明を実施する画像装置のブロック図であ
る。

【符号の説明】

１００Ｐ（２，５）１０２画素数値１０から２０への段差１０４画素数値３０から４０への段差

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）少なくとも１つの閾値を定義する
工程と、（ｂ）画素値を読み取る工程と、（ｃ）画素値が閾値より大きい場合に、この画素値に第
１のラプラシアン・フィルタを適用する工程と、（ｄ）画素値が閾値未満の場合に、この画素値に第２の
ラプラシアン・フィルタを適用する工程と、（ｅ）画素配列中の全ての画素に対して、工程（ｂ）か
ら（ｄ）を繰り返す工程と、を含む画像の輝度の尺度で
ある画素値の配列を、空間的に濾波するための濾波方
法。