JP3843473B2

JP3843473B2 - ディジタル階調変換装置

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Publication number: JP3843473B2
Application number: JP27391395A
Authority: JP
Inventors: 博哲洪
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: JPH09116756A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディジタル階調変換装置に関し、詳しくは、対数特性の画像濃度データを得るための階調変換技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ネガフィルムなどの原稿を１次元イメージセンサで主走査方向に光電走査しつつ、前記１次元イメージセンサと原稿とを相対的に副走査方向に移動させて、前記原稿の光透過率（又は反射率）として画像濃度情報を読み取るスキャナが知られている。
【０００３】
前記スキャナからの光強度データは、例えば図１に示すような処理装置によって階調変換されていた。
図１において、フィルムスキャナ１からの光強度データは、第１の階調変換手段２に送られ、ここで対数変換される。そして、前記対数変換により得られた対数特性の画像濃度データは、一旦画像メモリ３に蓄えられ、ＣＰＵ４は、前記画像メモリ３に蓄えられた画像濃度データに基づき、適切な画像の色バランス，濃度を検出し、かかる検出結果に基づいて第２の階調変換手段５における比例的な変換特性をシフトさせることで、等価的にスキャン時の露光量を変化させる効果を得られるようにする。
【０００４】
第２の階調変換手段５における階調変換後の画像濃度データは、更に、後段の色変換手段６によってＣＲＴ等の表示装置７用のデータに変換された後、表示装置７に出力されたり、又は、ＣＤ−ＲＯＭドライブ装置やＭＤドライブ装置などの記録装置８に記録される。
尚、図１において、９は、濃度補正データなどをオペレータが入力するためのキーボードである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような階調変換処理においては、第１の階調変換手段における対数変換によって、高濃度部分の画像情報が欠落してしまうという問題があった。
例えば図５に示すように、スキャナからの12ビットの光強度データを、対数変換によって８ビットの画像濃度データに変換する場合、変換後のデータにおいて高濃度部は負となる。
【０００６】
通常、画像濃度データは符号無しのデータとして扱うため、前記負の値に変換される高濃度域は実際の変換においては０として丸められ変換されることになってしまい、高濃度域の濃度情報が失われることになっていたものである。尚、図５に示す例では、90／4095（＝2.2 ％）以下の透過率である高濃度部の情報は失われることになる。
【０００７】
ここで、図６に示す変換特性のように、対数変換するレンジを広くとり、負になる高濃度部分を減らすことは可能である。しかし、この場合でも、負になる濃度レンジが存在することに変わりはなく、更に、負になる濃度レンジを減らすために現実の濃度使用レンジが狭くなってしまい、実際の画像レンジに対する量子化効率が悪化するという問題が発生する。
【０００８】
一般のネガフィルムにおける画像レンジは強度比で１：20程度であるから、前記図６に示すようにして、高濃度部まで対数化しようとすると、使用できるレンジが狭くなってしまう。即ち、１コマの画像の強度レンジが前述のように１：20程度であったとすると、図５に示す対数変換特性では、変換後の使用レンジは、０〜255のうち200程度の範囲（56〜255）になるが、図６に示す対数変換特性では、使用レンジは０〜255のうち140程度の範囲（115〜255）となり、残りの115の範囲は使用されずに無駄になってしまう。更に、図６に示す対数変換の場合は、図５に示す対数変換よりも負になる高濃度部分を減らすことができるものの、17／4095（＝0.4％）以下は対数値が負になり、高濃度部分の情報が失われることに変わりはない。
【０００９】
前述のように、第２の階調変換手段では、高濃度の画像に対しては比例変換における特性を平行移動させ、適切なレベルになるように修正を加えるが、第１の階調変換手段による対数変換によって既に失われた高濃度部分についてはその情報を復元することができないため、高濃度の画像については所謂「飽和」が発生し、不自然な画像となっていた。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、使用可能な濃度レンジを最適化しつつ、画像濃度情報が失われるレンジをなくすことができる対数変換を実現することを目的とする。
また、対数特性の画像濃度データに基づく濃度検出後に、最適な対数変換が行えるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明は、オリジナルの画像濃度データを対数変換して対数特性の画像濃度データを得るディジタル階調変換装置であって、特定の濃度域に限定して対数変換を行うとともに前記特定の濃度域以外の濃度域では比例変換を行う第１階調変換手段と、前記特定の濃度域以外の濃度域に対して対数変換を行うとともに前記特定の濃度域では比例変換を行う第２階調変換手段とを備え、前記第１階調変換手段で階調変換したデータに基づいて前記第２階調変換手段の変換特性を補正し、前記第１階調変換手段で階調変換したデータを更に前記補正後の第２階調変換手段で階調変換することで前記オリジナルの画像濃度データの全レンジに対する対数変換が行われる構成とした。
【００１２】
かかる構成によると、第１階調変換手段による１回の変換のみで全レンジに対する対数変換が行われるのではなく、第１階調変換手段による変換で、特定の濃度域に限定して対数変換を行うとともに前記特定の濃度域以外の濃度域では比例変換が行われ、更に、第２階調変換手段では、第１階調変換手段で比例変換されて対数変換されなかった濃度域について対数変換することで、対数変換が２回に分けて行われ、オリジナルの画像濃度データの全レンジに対する対数変換が完了することになる。
このとき、前記第１、第２階調変換手段が、対数変換を行う濃度域以外の濃度域において比例変換を行う構成を備えているので、第１階調変換手段で対数変換が行われない濃度域の情報を、そのまま第２階調変換手段に伝達でき、また、第１階調変換手段で対数変換された濃度域の情報を、第２階調変換手段を経ても保存できる。
従って、第１階調変換手段において、特定の濃度域以外の高濃度域は比例変換を行い、負になる高濃度部分を避けて対数変換することで、使用可能な濃度レンジを狭くすることなく、かつ、画像情報が失われることのない特性で変換をさせておき、この第１階調変換手段で階調変換したデータに基づいて第２階調変換手段の変換特性を補正し、該補正後の第２階調変換手段において、更に前記高濃度部分を対数変換させることで、オリジナルの画像データの全レンジについて対数特性の画像濃度データを得るようにできる。
【００１５】
請求項２記載の発明では、前記特定の濃度域が、画像濃度データが所定値から最大値までの低濃度域である構成とした。
かかる構成によると、対数変換で負となる高濃度部（画像濃度データが所定値から最小値までの領域）については第１階調変換手段で対数変換を行わないから、第１階調変換手段で高濃度部が負に変換されて高濃度部の情報が失われることを回避できる。
【００１６】
請求項３記載の発明では、前記第１階調変換手段が、対数変換に近似する変換特性でデータを変換する一方、第２階調変換手段が、第１階調変換手段で変換されたデータの対数変換からのずれ分を補正する変換を行う構成とした。
かかる構成によると、第１階調変換手段が、対数変換ではなく、使用可能な濃度レンジを狭くすることなく、かつ、画像情報が失われることのない対数変換に近似する変換特性でデータを変換し、対数変換した場合のデータと第１階調変換手段による変換後のデータとのずれ分が第２階調変換手段による変換で補正され、第１，第２階調変換手段それぞれではいずれの濃度域でも直接的に対数変換することなく、結果的には、全レンジに対する対数変換を実現できる。
【００１７】
請求項４記載の発明では、前記第１，第２階調変換手段による第１の対数変換で得られた画像濃度データに基づき、全レンジの対数変換における出力濃度データを設定し、該設定された出力濃度データによる対数変換特性で前記オリジナルの画像濃度データの全レンジについて第２の対数変換を行う構成とした。
かかる構成によると、第１，第２階調変換手段による第１の対数変換で概ね得られた対数特性の画像濃度データに基づいて適切な画像の濃度を検出し、該検出結果に基づいて対数変換における出力濃度データを設定する。そして、前記設定された出力濃度データによる対数変換特性で第２の対数変換を行うことで、適切な対数変換を実現する。
【００１８】
請求項５記載の発明では、前記オリジナルの画像濃度データが、原稿の光電走査によって得られた画像濃度に対応する光強度データであって、前記第１，第２階調変換手段による第１の対数変換が、プリスキャンで得られた光強度データについて行われ、該第１の対数変換で得られた画像濃度データに基づき設定された階調変換特性での第２の対数変換を、本スキャンで得られた光強度データについて行う構成とした。
【００１９】
かかる構成によると、画像の濃度値を判定するために行われるプリスキャンによって得られた光強度データについては、第１，第２階調変換手段による２回の変換で対数変換が実現され、かかる対数変換によって得られた画像濃度データに基づいて画像の濃度特性が検知される。そして、前記検知された濃度特性に基づいて対数変換の特性（出力データ）を原稿毎に設定し、本スキャンで得られた光強度データを、前記プリスキャンの結果として得られた対数変換特性で対数変換して、原稿毎に適切な対数特性の画像濃度データを得る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
尚、以下では、ネガフィルムの画像をポジ画像に変換するディジタル画像機器を例とし、ハードウェア構成については、既述の図１を参照しつつ説明する。
一般に、ネガフィルムは、図２に示すような露光量−濃度特性を有しており、図２に示す例では、フィルム上で１：100 （対数で２）程度の濃度レンジをもっていることになる。
【００２１】
露出制御のないカメラでは、フィルムのどのレンジが使用されるか特定されず、図２（ａ），（ｂ）に示すように、被写体の輝度に応じて使用されるレンジが分布することになるが、１コマ写真では対数で1.8 程度のレンジが使用されることになり、一般のネガフィルムのガンマ（特性カーブの傾き）は0.6 程度であるから、フィルム上では対数で1.1 〜1.2 程度の濃度レンジが使用されることになる。
【００２２】
尚、図２（ａ），（ｂ）に示すフィルム上の濃度は、光電変換によって読み取ったときの光強度を示すものであり、図２（ａ）は、露光量が多いために濃度が高濃度側に偏っている場合を示し、逆に、図２（ｂ）は、露光量が少ないために濃度が低濃度側に偏っている場合を示す。
ここで、露光量のばらつきを調整するためには、画像毎に適切な露光レンジ（濃度レンジ）を検出し、これを適正に量子化する必要があり、例えば図２（ａ）に示す露光量が多いときには僅かに加算処理し、図２（ｂ）に示す露光量が少ないときには加算量を大きくして再現画像を低濃度側にシフトさせることが必要である。
【００２３】
更に、写真画像を取り扱う場合には、露出量の違いを加算で補正できることになる対数（常用対数）で画像濃度データを取り扱うことが好ましいが、１回の変換で対数特性の画像濃度データを得ようとすると、前述のように高濃度部の情報が失われることになってしまう。
そこで、本発明では、第１の階調変換手段２には、高濃度部が負にならない（又は、負になる部分が少ない）変換特性であって、全レンジを対数変換するものではない変換特性を設定し、かかる第１の階調変換手段２による変換特性を補正して結果的に全レンジについて対数変換された画像濃度データが得られるように、第２の階調変換手段５の変換特性を設定し、第１，第２の階調変換手段２，５を経て初めて全レンジに対して対数特性の画像濃度データが得られるようにする。
【００２４】
以下にかかる階調変換について詳細に説明する。
尚、前記階調変換においては、ネガベースが濃度０となるように正規化するものとし、更に、オリジナルの画像濃度データ（スキャナからの光強度データ）は12ビットで読み込まれ、色変換手段６の前に８ビットに対数変換されるものとする。ネガベースの濃度を０とする正規化を必須とするものではないが、この条件が最も全濃度データを取り入れるために効率が良いので、前記正規化を行うことが好ましい。
【００２５】
まず、前記第１の階調変換手段２には、図３に示すような階調変換カーブを設定する。
図３に示す階調変換カーブは、12ビットの入力のうち、０から約240 までの高濃度部は強度に比例する変換を行い、それ以上4095（最大値）以下の低濃度部では対数変換を行う設定になっており、出力データは69を境に高濃度部（０から69）は真数比例値（強度比例値）に、低濃度部（69から255 ）は対数比例値となる。
【００２６】
上記図３に示す階調変換カーブでは、高濃度部においても出力が負になることがないから、高濃度付近でも情報が失われることがなく画像メモリ３に画像濃度データを伝達することができる。この前記図３の階調変換カーブによる階調変換が、請求項１に示す第１階調変換手段に相当する。
但し、前記図３に示す第１の階調変換手段２における変換カーブでは、高濃度部が対数変換されないから、第１の階調変換手段２による変換結果を更に変換する第２の階調変換手段５における変換カーブは、全レンジでの対数変換を実現するために、図４に示すように設定される。
【００２７】
即ち、第２の階調変換手段５における変換カーブは、第１の階調変換手段２とは逆に、低濃度部（69から255 まで）は強度に比例する変換（真数比例変換）を行い、高濃度部（０から69まで）では対数変換を行う設定となっている。この前記図４の階調変換カーブによる階調変換が、請求項１に示す第２階調変換手段に相当する。
【００２８】
従って、第１の階調変換手段２によって強度比例変換された高濃度部が、第２の階調変換手段５で対数変換され、第１の階調変換手段２によって対数変換された低濃度部が、第２の階調変換手段５によって強度比例変換されることになり、これによって、第２の階調変換手段５で変換されたデータ、換言すれば、第１，第２の階調変換手段を経たデータは、全てのレンジに対して対数特性をもった画像濃度データとなる。
【００２９】
ここで、例えば画像濃度に応じて図３に示す第１の階調変換手段２における出力値に定数を加算すれば、第２の階調変換手段５を経た段階において定数加算無しで負になっていた高濃度部が正になり、光強度データが画像濃度に応じて適切に８ビットの対数特性を有する濃度データに変換されることになる。
前記第１，第２の階調変換手段による階調変換後の対数特性の８ビット画像濃度データは、後段の色変換手段６に送られ、この色変換手段６において表示装置７に対して適切な色データに変換される。
【００３０】
次に、実際のネガフィルムの読取りにおける手順を詳細に説明する。
まず、画像の濃度値を判定する目的で、プリスキャンを実行し、このとき、第１の階調変換手段２には、図３に示す特性の変換テーブル、即ち、高濃度部を強度比例変換し、低濃度部を対数変換する変換特性を設定する。
そして、スキャナ１からの光強度データを、第１の階調変換手段２で変換してその結果を画像メモリ３に書き込む。
【００３１】
前記画像メモリ３に書き込まれた画像濃度データをＣＰＵ４が読み込み、適正濃度を検出する。このとき、画像濃度データの高濃度部分は強度比例のデータであるため、高濃度側と低濃度側とを同等に扱うことができないが、ＣＰＵ４内部に図４の変換特性をもたせて画像メモリ３のデータを変換することで全レンジを対数に換算し、該変換後のデータに基づいて、平均濃度を算出したり、ヒストグラムを作成して、画像濃度を判定する。尚、ＣＰＵ４内部では、負の値も利用できるため、負の部分も正確な濃度値として利用できる。
【００３２】
次に、前記ＣＰＵ４による画像濃度判定の結果から設定される濃度補正値や、オペレータの入力によって指定される補正値に従って、第２の階調変換手段５に変換テーブルを設定する。具体的には、図４に示すような基本の変換特性、即ち、第１の階調変換手段２において強度比例変換されたデータを対数変換し、それ以外を強度比例変換する変換特性の出力データに対して、前記濃度補正値やオペレータによる設定に応じた濃度調整用定数を加算することで、適切な濃度レンジが取り出されるようにする。
【００３３】
次に、画像メモリ３の画像濃度データを、第２の階調変換手段５に転送し、第２の階調変換手段５で階調変換することで全レンジについて対数特性の画像濃度データを得る（第１の対数変換）。そして、第２の階調変換手段５を経て得られた対数特性の画像濃度データを、色変換手段６を通して表示装置７又は記憶装置８に送り、表示又は記録させる。
【００３４】
ここで、オペレータは、前記表示装置７の画像を確認して、第２の階調変換手段５による変換で出力に加算するための値を変更することができ、ＣＰＵ４はオペレータの入力に従い、第２の階調変換手段５における変換特性（出力データ）をシフトして書き換える。
そして、前記書き換えられた変換特性による第２の階調変換手段５による変換結果が、再度前記表示装置７に送られることで、オペレータは、変換特性の変更結果として得られた画像を確認することができ、適切な濃度修正用定数を設定できる。
【００３５】
尚、前記プリスキャンは、前述のように画像濃度を判定することが目的であるから、スキャナ１からの光強度データを全て用いる必要はなく、適宜間引くなどしてデータ数を減らすことが好ましい。
プリスキャンの結果から適切な画像濃度（濃度修正用定数）が決定されると、本スキャンを行う。
【００３６】
このとき、第２の階調変換手段５に対しては、入出力が同じ比例特性の変換テーブルを設定し、第１の階調変換手段２に対しては、図５に示す全レンジに対して対数変換を行う変換特性の出力値に対して、プリスキャンで決定された前記濃度修正用定数を加算（減算）した値を書き込む。
そして、本スキャンで得られた光強度データを、前記第１の階調変換手段２による全レンジについての対数変換（第２の対数変換）の後、第２の階調変換手段５によるリニアな変換を行わせ、色変換手段６を通して、記憶装置８に記憶させる。
【００３７】
このとき、第２の階調変換手段５による変換がリニアに設定されているため、量子化誤差による丸めは最小限に限定される。
即ち、プリスキャン時において、画像情報は第１の階調変換手段２で歪められるものの、高濃度部の情報が失われることがなく、画像メモリ上のデータを解析することで、平均濃度やヒストグラムの作成を精度良く行えるが、高濃度部のデータの量子化誤差は増えることになってしまう。
【００３８】
しかしながら、高濃度の画像は少なく、また、本スキャン時には、対数カーブを用いて全レンジを１度に対数変換するため、量子化誤差が増大することはなく、色変換手段６に対して量子化ロスを最小限にして画像情報を伝達できる。
ところで、上記では、プリスキャン時に第１，第２の階調変換手段による２回の変換で全レンジに対する対数変換を完了させるときに、第１の階調変換手段２は低濃度部で対数変換を行う構成としたが、第１の階調変換手段２の変換特性が対数カーブを含まずに、対数カーブに近似した変換カーブで階調変換する構成としても良い。例えば図３に示す変換カーブを平滑化し、かかる平滑化による対数カーブからのずれは、第２の階調変換手段５で補償されるようにすれば良い。
【００３９】
また、色変換手段６へ送るデータは必ずしも対数値である必要はない。即ち、対数変換の目的は、色変換手段に送るデータを、視覚的に量子化誤差を最小にしたり、色変換手段としてマトリクスを用いたときに演算誤差を低減させるためであるから、色変換手段の前における階調変換において対数変換の概念が含まれていれば良い。
【００４０】
更に、階調変換は、ハードウェア，ソフトウェアのいずれで処理するものであっても良い。
【００４１】
以上説明したように、請求項１記載の発明によると、第１階調変換手段による変換により、特定の濃度域では対数変換が行われるとともに対数変換が行われない濃度域については比例変換が行われ、更に、第２階調変換手段では、第１階調変換手段で対数変換されなかった濃度域について対数変換するとともに第１階調変換手段で対数変換された濃度域について比例変換することで、すなわち、２回の変換によって全レンジに対する対数変換を完了させる構成としたので、第１の階調変換手段では、例えば対数変換の結果が負になる濃度域を避けて対数変換することができる。そして、対数変換されたかった濃度域については、第１階調変換手段で階調変換したデータに基づいて変換特性が補正された第２階調変換手段で対数変換する。従って、該補正後の第２階調変換手段で第１階調変換手段によって対数変換されなかった濃度域を対数変換することができる。使用可能な濃度レンジを狭くすることなく、かつ、画像情報が失われることのない特性で変換をさせて対数特性の画像濃度データを得られるという効果がある。
【００４３】
請求項２記載の発明によると、対数変換で負となる高濃度部については第１階調変換手段で対数変換を行わず、例えば比例変換するので、第１階調変換手段で高濃度部が負に変換されて高濃度部の情報が失われてしまうことを回避できるという効果がある。
【００４４】
請求項３記載の発明によると、第１，第２階調変換手段それぞれではいずれの濃度域でも直接的に対数変換することなく、結果的には、全レンジに対する対数変換を実現できるという効果がある。
請求項４記載の発明によると、第１，第２階調変換手段を経ることで得られる対数特性の画像濃度データから適切な画像濃度を検出し、該検出結果に基づいて対数変換の特性を設定してあらためて対数変換させることにより、適切な濃度レンジをもち、かつ、量子化誤差の少ない対数特性の画像濃度データを得られるという効果がある。
【００４５】
請求項５記載の発明によると、プリスキャンによって得られた光強度データを高濃度部の情報を失うことなく対数特性の画像濃度データに変換することで、適切な画像濃度を簡便に検出できる一方、本スキャンで得られた光強度データを検出された画像濃度に基づき設定した対数変換特性で変換するから、適切な濃度レンジをもち、かつ、量子化誤差の少ない画像濃度データを得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】階調変換処理装置の構成ブロック図。
【図２】フィルムの露光量−濃度特性を示す線図。
【図３】第１階調変換手段による部分的な対数変換の特性を示す線図。
【図４】第２階調変換手段による部分的な対数変換の特性を示す線図。
【図５】一般的な対数変換カーブを示す線図。
【図６】対数変換するレンジを広くした対数変換カーブを示す線図。
【符号の説明】
１フィルムスキャナ
２第１の階調変換手段
３画像メモリ
４ＣＰＵ
５第２の階調変換手段
６色変換手段
７表示装置
８記録装置
９キーボード

Claims

オリジナルの画像濃度データを対数変換して対数特性の画像濃度データを得るディジタル階調変換装置であって、
特定の濃度域に限定して対数変換を行うとともに前記特定の濃度域以外の濃度域では比例変換を行う第１階調変換手段と、前記特定の濃度域以外の濃度域に対して対数変換を行うとともに前記特定の濃度域では比例変換を行う第２階調変換手段とを備え、
前記第１階調変換手段で階調変換したデータに基づいて前記第２階調変換手段の変換特性を補正し、前記第１階調変換手段で階調変換したデータを更に前記補正後の第２階調変換手段で階調変換することで前記オリジナルの画像濃度データの全レンジに対する対数変換が行われることを特徴とするディジタル階調変換装置。
前記特定の濃度域が、画像濃度データが所定値から最大値までの低濃度域であることを特徴とする請求項１記載のディジタル階調変換装置。
前記第１階調変換手段が、対数変換に近似する変換特性でデータを変換する一方、第２階調変換手段が、第１階調変換手段で変換されたデータの対数変換からのずれ分を補正する変換を行うことを特徴とする請求項１記載のディジタル階調変換装置。
前記第１、第２階調変換手段による第１の対数変換で得られた画像濃度データに基づき、全レンジの対数変換における出力濃度データを設定し、該設定された出力濃度データによる対数変換特性で前記オリジナルの画像濃度データの全レンジについて第２の対数変換を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のディジタル階調変換装置。
前記オリジナルの画像濃度データが、原稿の光電走査によって得られた画像濃度に対応する光強度データであって、
前記第１、第２階調変換手段による第１の対数変換が、プリスキャンで得られた光強度データについて行われ、該第１の対数変換で得られた画像濃度データに基づき設定された階調変換特性での第２の対数変換を、本スキャンで得られた光強度データについて行うことを特徴とする請求項４記載のディジタル階調変換装置。