JPH0624005B2 - ルックアップテーブルによる階調変換回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、画像信号処理における階調変換回路の、特に
デジタル変換方式によるトーンジャンプ，偽輪郭等を軽
減する技術に関する。

＜従来の技術＞ スキャナや一般の画像入力装置あるいは画像処理装置に
おいて、何らかの階調変換回路（グラデーション回路，
ガンマ補正回路ともいう）は必要不可欠なものである。

階調変換回路は一般的に、入力データｘに対して関数ｆ
により、出力データｙ＝ｆ（ｘ）を得るものであり、ア
ナログ回路でもデジタル回路でも実現されている。入力
データｘ，出力データｙは、いずれも濃度に関するデー
タである。

アナログ方式では、任意の関数特性が得られないし、応
答速度，安定性等の面で問題があるが、デジタル方式で
は、いわゆるルックアップテーブル（ＬＵＴ）を用いる
ことにより、入力データをメモリのアドレスとして、任
意の関数のメモリの出力データを得ることができる。

また、処理速度はメモリのアクセス時間により決まり、
高速化できるとともに安定性も高い等、アナログ回路で
の問題を解決している。また、メモリはＲＡＭ（ランダ
ムアクセスメモリ）でもＲＯＭ（リードオンリメモリ）
でもよく、ＲＡＭとしておけば、関数特性を変更するこ
とも容易になる。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、ルックアップテーブルを使用するデジタ
ル方式の階調変換回路においては、本質的にアナログ方
式では問題にはならない量子化誤差の問題がある。すな
わち、前記の階調変換回路等では非直線特性の階調カー
ブをルックアップテーブルで作成するため、出力データ
の量子化誤差が大きくなる。

このことは簡単に説明するために、入出力データｘ，ｙ
が４ビットの簡単な例を第７７図に挙げる。なお、通常
は８ビットであり、ピット数が多くなるほど滑らかなカ
ーブを描く。

第７図において、入力ｘに対する出力の目標値ｙについ
ての入出力変換特性が線点で示したカーブＡであるとす
る。しかし、現実にはデジタルであるため、太線で示し
たカーブＢのような階段状の特性をもつ。例えば、ｘ＝
６のとき、カーブＡの目標特性では出力データｙ＝9.3
となっているが、ｙはデジタルであるため、四捨五入し
てｙ＝９としたのがカーブＢである。このような階段状
のカーブＢは調子再現上必ずしも好ましくないのは明ら
かである。

より細かく見ると、入力データｘが０から１に変化する
と、出力データｙは０から急に３に変化している。ｘが
２から３に変化するところでもｙは４から６に変化して
いる。すなわち、階調が急に変化するいわゆるトーンジ
ャンプあるいは偽輪郭といわれる不都合な現象が発生す
る。

逆に、ｘ＝９，10のところでは、ｙは12のままで変化し
ていない。ｘ＝12，13でも同様である。このようなとこ
ろでは、微妙な階調の変化が再現されないことになる。

解決策として、データｘ，ｙのビット数を増やすことで
誤差を小さくすることが考えられるが、ビット数の増加
は回路の複雑化とコストアップを招くため、このビット
数を増やすことには限度がある。

そこで、この量子化誤差を軽減するため、従来、第８図
（Ａ）あるいは（Ｂ）のように、データに乱数（ノイ
ズ）を混入させて量子化誤差の影響を目立たなくする方
法が考えられている。

図の（Ａ）は、乱数発生回路21からランダムに出力され
る乱数データと入力データｘとを加算器22によって加算
し、その加算データでルックアップテーブルＬＵＴのア
ドレスを指定し、指定されたアドレスに対応して出力デ
ータｙを出力させるように構成したもである。

また、図の（Ｂ）は、入力データｘによってルックアッ
プテーブルＬＵＴのアドレスを指定した結果、ルックア
ップテーブルＬＵＴから出力されたデータに対して、乱
数発生回路21からランダムに出力された乱数データを加
算器22によって加算し、その加算結果を出力データｙと
するものである。

しかし、これらの方法では、信号にノイズが直接的に混
入しているため、トーンジャンプや偽輪郭を軽減する上
であまり好ましくない場合がある。

本発明の目的は、画素信号のビット数を増やすことな
く、また、ノイズの直接的な混入による悪影響を出さな
いようにして、上記の問題点を解決することである。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明では、信号にノイズを混入させるのではなく、ル
ックアップテーブルそのものに工夫をしてランダム性を
もたせる。すなわち、入出力変換特性が一種だけの固定
したルックアップテーブルではなく、入出力変換特性を
互いに異にする複数種類のルックアップテーブルを用意
しておき、使用するルックアップテーブルをランダムに
選択するようにしたものである。

このような考えに基づいた本発明のルックアップテーブ
ルによる階調変換回路は、 画像のデジタル入力データおよび選択信号を入力したと
きに予め格納している変換データを出力するＮ個（Ｎは
２以上の整数）のルックアップテーブルと、前記Ｎ個の
ルックアップテーブルのうちのいずれか一つを選択する
前記の選択信号をランダムに出力する乱数発生回路とを
備え、 入力データｘ_ｊ（ｉは連続する整数）に対応する変換デ
ータの目標値ｙ_ｊを整数部Ｉ_ｊと小数部α_ｊ（ｙ_ｊ＝Ｉ
_ｊ＋α_ｊ ；０≦α_ｊ＜１）とし、（１−α_ｊ）・Ｎ個
またはこれに最も近い整数個のルックアップテーブルの
変換データをｙ_ｊ＝Ｉ_ｊとし、かつ、Ｎ個のうちの残り
のルックアップテーブルの変換データをｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋１
とする規則のもとに、前記Ｎ個のルックアップテーブル
の個々の入出力変換特性を定めてあることを特徴とする
ものである。

この構成において、乱数発生回路とは広義のもので、い
わゆる乱数を発生する回路のほか、擬似的乱数の発生回
路や、特定のパターンを記憶しそれをサイクリックに読
み出すパターン発生回路なども含むものである。

なお、この構成は、少なくとも次の２つの態様を含むも
のである。

その一つは、Ｎ個のルックアップテーブルがそれぞれ個
別のメモリ内に形成され、選択信号がそのＮ個のメモリ
のうちのいずれか一つを選択するように構成したもので
ある。

他の一つは、Ｎ個のルックアップテーブルが、単一のメ
モリ内に形成され、かつ、入力データおよび選択信号を
アドレス信号として入力したときに対応するアドレスの
変換データを出力するように構成したものである。

＜作用＞ 本発明の構成による作用は、次のとおりである。

（１−α_ｊ）・Ｎが整数にならない場合は、ｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ
に変換するルックアップテーブルの個数（１−α_ｊ）・
Ｎを四捨五入または切り捨てして（１−α_ｊ）・Ｎに最
も近い整数個ｎ_ｊ（≒（１−α_ｊ）・Ｎ）とし、ｙ_ｊ＝
Ｉ_ｊ＋１に変換するルックアップテーブルの個数をｍ_ｊ
＝Ｎ−ｎ_ｊ（≒α_ｊ・Ｎ）とする。

入力データｘ_ｊの入力に同期して乱数発生回路から出力
された選択信号により、ある一つのルックアップテーブ
ルが選択される。そのルックアップテーブルは、入力デ
ータｘ_ｊを出力データｙ_ｊ＝Ｉ_ｊに変換するルックアッ
プテーブルか、出力データｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋１に変換するル
ックアップテーブルかのいずれかである。

乱数発生回路からの選択信号が前者のルックアップテー
ブル（ｘ_ｊ→ｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ）を選択する確率は、ｎ_ｊ／Ｎ
≒（１−α_ｊ）・Ｎ／Ｎ＝１−α_ｊであり、後者のルッ
クアップテーブル（ｘ_ｊ→ｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋１）を選択する
確率は、ｍ_ｊ／Ｎ≒α_ｊ・Ｎ／Ｎ＝α_ｊである。

すなわち、出力データｙ_ｊとしては、実質的に（１−α
_ｊ）の確率でｙ_ｊ＝Ｉ_ｊが出力されるとともに、実質的
にα_ｊの確率でｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋１が出力される。

したがって、出力データｙ_ｊの平均値（＝期待値）_ｊ
は、_ｊ＝（１−α_ｊ）Ｉ_ｊ＋α_ｊ（Ｉ_ｊ＋１）Ｉ_ｊ＋
α_ｊとなり、目標値と一致する。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１実施例 第１図は第１実施例に係るルックアップテーブルによる
階調変換回路のブロック図、第２図は入力データと目標
値との関係を示す図、第３図は階調変換回路におけるル
ックアップテーブルの入出力変換特性を示す模式図、第
４図はその階調変換回路が使用されるカラースキャナの
概略のブロック図である。

第４図において、１は原画の濃度を画素単位で光学的に
読み取って電流量に変換する光電変換素子、２は電流を
電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路、３は電圧増幅器であ
り、このような回路がＲ，Ｇ，Ｂ（赤，緑，青）の光の
３原色に合わせて３組設けられている。なお、各光電変
換素子１の直前には、Ｒ，Ｇ，Ｂのフィルタが配置され
ている。

４は３つの電圧増幅器３から入力したＲ信号，Ｇ信号，
Ｂ信号を印刷色であるＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋ（イエロー，マゼ
ンタ，シアン，ブラック）の各信号に変換する色演算回
路（アナログ式）、５はＡ／Ｄ変換回路、６は倍率変換
回路、７は本発明の第１実施例に係る階調変換回路、８
は網点を作成するドットジェネレータ、９は露光ヘッド
である。

階調変換回路７は、第１図に示すように、入出力変換特
性を互いに異にするＮ個のルックアップテーブルＬＵＴ
_１〜ＬＵＴ_Ｎと、これらＮ個のルックアップテーブルＬ
ＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎのうちからランダムに一つのルックア
ップテーブルＬＵＴ_ｉを選択するための選択信号Ｓ_ｉを
乱数データとして各ルックアップテーブルＬＵＴ_ｉに対
し個別的に出力する乱数発生回路10とを備えている。乱
数発生回路10は、１画素分に相当する画素信号に対応す
るクロックの入力ごとに、出力する乱数データを更新す
る。各ルックアップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎは、Ｒ
ＯＭまたはＲＡＭ内に形成されている。

入力データｘは、複数のルックアップテーブルＬＵＴ_１
〜ＬＵＴ_Ｎに入力されるが、これら複数のルックアップ
テーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎは、乱数発生回路10からの
選択信号Ｓ_１によっていずれか一つが選択される。そし
て、選択されたルックアップテーブルＬＵＴ_ｉから、こ
のルックアップテーブルＬＵＴ_ｉにおいて予め格納され
ている入出力変換特性に従った出力データｙが出力され
る。

次に、Ｎ個のルックアップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎ
の入出力変換特性の作成法について説明する。

第７図において、前述のように、ｘ＝６のとき、カーブ
Ａの目標特性で出力データｙ＝9.3となっているのに対
し、デジタルであることから四捨五入してｙ＝９とした
のがカーブＢである。

このような条件下において、本発明では、Ｎ個のルック
アップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎの入出力変換特性を
作るとき、ｘ＝６のときのｙの値をあるときは９とし、
またあるときは10とする。ｙ＝９とするカーブの本数す
なわちルックアップテーブルの個数をｎ、ｙ＝10とする
カーブの本数（ルックアップテーブルの個数）をｍとす
ると、ｘ＝６のとき出力データｙの期待値は、 である。この値が9.3であればよいから、 ルックアップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎの総数はＮで
あるから、 ｍ＋ｎ＝Ｎ ∴ｍ＝Ｎ−ｎ ……(3) (3)式を(2)式に代入して、 ｎ・９＋（Ｎ−ｎ）・10＝9.3Ｎ ∴ ｎ＝0.7Ｎ ｍ＝0.3Ｎ すなわち、ｘ＝６のときに、ｙ＝９を出力するルックア
ップテーブルの個数ｎを0.7Ｎ個とし、ｙ＝10を出力す
るルックアップテーブルの個数Ｍを0.3Ｎ個とすれば、
出力データｙは平均的に9.3となり、目標値と一致す
る。

一般化すると、第２図に示すように、入力データｘ
_ｊ（ｊは連続する整数）に対応する変換データの目標値
ｙ_ｊを整数部Ｉ_ｊと小数部α_ｊ（ｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋α_ｊ ；
０≦α_ｊ＜１）とすると、（１−α_ｊ）・Ｎ個のルック
アップテーブルの変換データをｙ_ｊ＝Ｉ_ｊとし、かつ、
Ｎ個のうちの残りのルックアップテーブルの変換データ
をｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋１とするという規則のもとに、前記Ｎ個
のルックアップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎの個々の入
出力変換特性を定める。

ただし、（１−α_ｊ）・Ｎは必ずしも整数にはならない
ため、そのときは、ｙ_ｊ＝Ｉ_ｊに変換するルックアップ
テーブルの個数（１−α_ｊ）・Ｎを四捨五入または切り
捨てあるいは切り上げして（１−α_ｊ）・Ｎに最も近い
整数個ｎ_ｊとし、ｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋１に変換するルックアッ
プテーブルの個数をｍ_ｊ＝Ｎ−ｎ_ｊとする。

このようにして得られたルックアップテーブルＬＵＴ_１
〜ＬＵＴ_Ｎの入出力変換特性の模式図を第３図に示す。
小数部α_ｊの値が大きいほどＩ_ｊ＋１に変換するルック
アップテーブルの個数が多く、α_ｊの値が小さいほどＩ
_ｊに変換するルックアップテーブルの個数が多くなる。

なお、第３図では、変換データＩ_ｊとＩ_ｊ＋１のうち、
ルックアップテーブルＬＵＴ_１側にＩ_ｊが集中し、ルッ
クアップテーブルＬＵＴ_Ｎ側にＩ_ｊ＋１が集中している
が、これに限る必要は全くなく、ルックアップテーブル
ＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_ＮにおけるＩ_ｊ＋１との分布状態は全
く任意である。

また、入力データｘ_ｊに対する目標値ｙ_ｊが整数で小数
部α_ｊ＝０であるときは、すべてのルックアップテーブ
ルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎにおいて、入力データｘ_ｊに対す
る変換データｙ_ｊはＩ_ｊとなる。

すなわち、例えば、第７図において、入力データｘ_０に
対する目標値ｙ_０は０であるため、各ルックアップテー
ブルによる変換データはすべて０であり、また、入力デ
ータｘ_１５に対する変換データの目標値ｙ_１５は15であ
るので、各ルックアップテーブルによる変換データはす
べて15である。同様に、ｘ＝８のときｙ＝11.0である。
つまり、ｘ＝８の場合、その出力ｙには量子化誤差はな
く、正確に出力される。この場合、複数のルックアップ
テーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎはすべてｙ＝11の値をとる
ため、ランダムではなく、正確に11のデータを出力する
ようになっている。これらに対して、従来の第８図
（Ａ），（Ｂ）の例では、出力は（11＋ノイズ）とな
り、不要な誤差を付加してしまうことになる。

第３図においては同様の特性を想定して入力ｘ_０におけ
る変換データＩ_０はすべて０とし、入力ｘ_Ｎにおける変
換データＩ_Ｎはすべて所要の値としてある。

以上のような入出力変換特性をもつルックアップテーブ
ルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎの統計的特性は、第７図における
カーブＡのような滑らかな目標特性となる。これに対し
て、第８図の（Ａ）または（Ｂ）の従来の方法では、ル
ックアップテーブルの統計的特性はカーブＢのままであ
る。なお、統計的特性とは、ある入力データｘに注目し
たとき、ランダムな値をとる出力データｙの平均を求
めたものである。

以上の比較から判るように、互いに入出力変換特性を異
にする複数種類のルックアップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵ
Ｔ_Ｎを乱数データからなる選択信号Ｓ_ｉによって選択す
ることにより、デジタル方式の階調変換回路に、ノイズ
の混入なくランダム性を導入することができるのであ
る。

第２実施例 第２実施例の階調変換回路11は、第５図に示すように、
単一のメモリ12と乱数発生回路13とを備えている。この
単一のメモリ12内にＮ個のルックアップテーブルＬＵＴ
_１〜ＬＵＴ_Ｎが形成されている。メモリ12としては、Ｒ
ＯＭでもＲＡＭでもよい。

乱数発生回路13から出力された選択信号Ｓ_ｉはメモリ12
の上位アドレスＡ_Ｕに入力され、入力データｘはメモリ
12の下位アドレスＡ_Ｌに入力される。メモリ12の容量
は、第１実施例の場合の一つのルックアップテーブルの
Ｎ倍の容量をもつが、最近のメモリデバイスの大容量化
により、このような回路はコストアップとはならない。

一例として、データｘ，ｙのビット数を８、ルックアッ
プテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎの個数を16とすると、メ
モリ容量は、２^８×16＝４Ｋバイトであり、１チップの
メモリ容量としてごく一般的な値となる。

ルックアップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎの入出力変換
特性を作成する方法は第１実施例の場合と同様である。
入出力変換特性の模式図の一例を第６図に示す。

選択信号Ｓ_ｉと入力データｘ_ｊとの合成信号がメモリ12
に対するアドレス信号として入力されると、結果的にＮ
個のルックアップテーブルＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎのうちの
いずれか一つのルックアップテーブルＬＵＴ_ｉが選択さ
れ、そのテーブルのｘ_ｊに対応する変換データが出力デ
ータｙ_ｊとしてメモリ12から出力される。

なお、上記各実施例では、ルックアップテーブルＬＵＴ
_１〜ＬＵＴ_ＮをＲＯＭまたはＲＡＭにおいて形成した
が、これに代えて場合により乱数発生回路も含めてＬＳ
Ｉによって構成してもよいことはいうまでもない。

＜発明の効果＞ 本発明によれば、以上のように作用するので、入力デー
タに対し、出力データの平均値（＝期待値）は目標値と
一致するので所要の変換特性に沿ったデータが出力さ
れ、隣接する画素群との間のトーンジャンプや偽輪郭の
問題が解消されるとともに、微妙なな階調変化も良好に
再現される。

また、複数種類の変換特性をもつルックアップテーブル
を乱数発生回路からの選択信号によってランダムに選択
する構成としているから、ビット数を必要以上に増やす
必要がないし、ノイズの混入もない。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の第１実施例に係り、第１
図はルックアップテーブルによる階調変換回路のブロッ
ク図、第２図は入力データと目標値との関係を示す図、
第３図は階調変換回路におけるルックアップテーブルの
入出力変換特性を示す模式図、第４図はその階調変換回
路が使用されるカラースキャナの概略のブロック図であ
る。 第５図および第６図は第２実施例に係り、第５図は階調
変換回路のブロック図、第６図は階調変換回路における
ルックアップテーブルの入出力変換特性を示す模式図で
ある。 第７図は一般的なルックアップテーブルの入出力変換特
性図、第８図の（Ａ），（Ｂ）は従来方式を示すブロッ
ク図である。 ｘ，ｘ_ｊ……入力データ ｙ，ｙ_ｊ……出力データ（変換データ）_ｊ ……平均値（＝期待値） Ｉ_ｊ……整数部 α_ｊ……小数部 Ｓ_ｉ……選択信号 ＬＵＴ_１〜ＬＵＴ_Ｎ……ルックアップテーブル 10，13……乱数発生回路 ７，11……階調変換回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画像のデジタル入力データおよび選択信号
   を入力したときに予め格納している変換データを出力す
   るＮ個（Ｎは２以上の整数）のルックアップテーブル
   と、前記Ｎ個のルックアップテーブルのうちのいずれか
   一つを選択する前記の選択信号をランダムに出力する乱
   数発生回路とを備え、 入力データｘ_ｊ（ｊは連続する整数）に対応する変換デ
   ータの目標値ｙ_ｊを整数部Ｉ_ｊと小数部α_ｊ（ｙ_ｊ＝Ｉ
   _ｊ＋α_ｊ ；０≦α_ｊ＜１）とし、（１−α_ｊ）・Ｎ個
   またはこれに最も近い整数個のルックアップテーブルの
   変換データをｙ_ｊ＝Ｉ_ｊとし、かつ、Ｎ個のうちの残り
   のルックアップテーブルの変換データをｙ_ｊ＝Ｉ_ｊ＋１
   とする規則のもとに、前記Ｎ個のルックアップテーブル
   の個々の入出力変換特性を定めてあることを特徴とする
   ルックアップテーブルによる階調変換回路。