自适应图像局部特征的误差扩散加网算法

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3.0 刘畅 2024-11-07 52 4 2.3MB 68 页 15积分

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摘要

图文是人类获取信息的重要途径，印刷品是重要的图文信息载体，如何使印

刷输出设备输出具有高质量视觉效果的图文信息产品是图文复制技术的重点课题

之一。印刷输出设备的输出质量由软件、硬件、材料共同决定，而数字半色调模

块是软件部分的核心组成部分。本文研究开发了一种能够自适应图像局部特征的

误差扩散加网输出算法，用于喷墨输出等数字印刷领域。由于国内数字印刷技术

比较落后，软硬件大部分需要进口，因此本文的研究具有重要意义。

本文主要的研究内容有：

1. 使用输出实验与傅里叶分析相结合的方法，分析了目前市场上常见的几种

数字调频半色调算法的特性与不足，确定误差扩散算法在输出质量上具有较大优

势,但仍存在较大的不足；同时结合算法原理确定了误差扩散算法仍然存在不足的

原因与影响误差扩散输出质量的因素，于是本文选择误差扩散算法作为研究对象，

针对上述不足与影响输出质量的因素对误差扩散算法做改进研究。

2.从理论与输出实验两个方面对几种最新的改进型误差扩散算法进行分析研

究，找出其存在的不足，为本文的改进研究打下基础。

3. 基于上述研究本文对误差扩散算法做了如下创新改进：①综合 MED 算法

与点扩散算法的像素处理路径生成原理，提出一种新的像素处理路径生成算法，

该算法具有计算量比 MED 算法小，随机性高与稳定性强的特点；②使用面积模型

法与傅里叶分析结合的方法，提出了一种新的误差扩散滤波器，使误差被更加对

称的扩散，同时提出一种根据输出设备特性对滤波器扩散权值进行调整的方法，

以便调整半色调输出结果中的网点聚集程度，获得具有更好的噪声特性的输出；

③基于误差扩散算法中像素取值与扩散误差的关系，提出一种能够根据图像局部

特征自适应地调整误差扩散滤波器权值的算法，以达到更好地复制原图像中纹理

细节的目的；④提出一种基于图像分析技术，选择在图像局部区域是否对滤波器

权值进行自适应调节的方法，以避免本用于保护纹理细节的自适应调节在渐变区

带来不良纹理。

最后，对算法的输出质量做了评价，证明了本文提出的算法具有更好的输出

质量，可以用于喷墨等数字印刷方式的高质量输出。

关键词：数字半色调误差扩散算法像素处理路径滤波器自适应调

整图像分析

Abstract

Images are important resource of information for human. Presswork is an important

kind of carrier of images, so how to print the images on a higher level of quality is a

problem always concerned by researchers. The quality of presswork is determined by

hardware, software and materials. The halftoning algorithm, converts continuous images

to binary images for printing, is a key technology of the software. This paper proposed

an algorithm which can self-adapt the property of local area of image for ink jet. Digital

printing technology is very lag in our country, so the work of this paper is significant.

The main work of this paper is:

First, this paper analyzed several FM digital hafltoning algorithm which are us

ed most frequently now by theoretical analyzing, output experiment and Fourier

analysis, then verify the advantage and shortcomings of error diffusion algorithm,

and find the cause of the shortcomings. So we chose the Error Diffusion Algor

ithm to research and improve.

Then, researched several new improved algorithms, used theoretical analysis an

d output experiment, found the shortcomings of the algorithms. Lays the foundati

on for this paper’s study of improving the ED algorithm.

Third, for improving the error diffusion algorithm to reduce the shortcomings of the

output, this paper did much creative work: first, synthesize the advantages of MED and

dot diffusion to propose a new path of processing pixels, with high randomness and

stability, and cost less; second, designed a new filter for error diffusion by calculating

the area of the model, and combining using Fourier analyzing, also proposed a method

to modulate weight of filter to get better output; third, proposed an algorithm which can

modulate the weight of filter self-adaptively to preserve the trail texture of original

images based on the relationship between the assignment of pixels and the error

diffusion，and based on image analyzing technology; fourth, proposed an algorithm to

choose one of the two filter this paper proposed to avoid that the self-adaptive filter

makes article pattern in smooth area of images based on image analyzing technology.

Last, evaluated the output of the error diffusion algorithm proposed by this pa

per, and demonstrated that the algorithm proposed by this paper can output bette

r production.

Key word: digital halftoning, error diffusion algorithm, path of

processing pixels, filter, self-adaptive modulation

摘要

Abstract

第一章绪论…………………………………………………………………………..1

1.1 数字半色调技术的概念与重要应用…………………………………………..1

1.2 数字半色调技术的发展与研究现状概述……………………………………..2

1.2.1 数字半色调技术的发展……………………………………………………2

1.2.2 数字半色调技术的研究现状………………………………………………3

1.3 章节安排………………………………………………………………………..4

第二章与半色调研究相关的图像知识及三种常见的数字调频半色调算法……..6

2.1 图像数字化描述的基本原理………………………………………………….6

2.2 图像傅里叶分析的基本原理………………………………………………….7

2.3 边缘检测提取的基本原理…………………………………………………….8

2.4 常见的数字调频半色调算分析……………………………………………….10

2.4.1 模式抖动加网技术………………………………………………………...11

2.4.2 误差扩散算法基本原理…………………………………………………...11

2.4.3 点扩散算法基本原理……………………………………………………...15

2.5 本章小结……………………………………………………………………….18

第三章影响误差扩散算法输出质量的因素与几种改进算法……………………..20

3.1 影响误差扩散算法输出质量的因素………………………………………….20

3.1.1 像素的处理路径…………………………………………………………...20

3.1.2 量化阈值的选取…………………………………………………………...22

3.1.3 误差滤波器的选取与设置………………………………………………...24

3.1.4 网点扩大与丢失对输出质量的影响……………………………………...26

3.2 几种改进的误差扩散算法…………………………………………………….27

3.2.1 基于边缘增强的误差扩散算法…………………………………………...27

3.2.2 基于边缘检测的误差扩散算法…………………………………………...28

3.2.3 多级误差扩散算法………………………………………………………...29

3.2.4 结构敏感的误差扩散算法………………………………………………...31

3.3 本章小结……………………………………………………………………….32

第四章改进的误差扩散算法………………………………………………………..34

4.1 扫描路径的设计……………………………………………………………….34

4.1.1 扫描路径设计……………………………………………………………34

4.1.2 算法效果分析……………………………………………………………38

4.2 误差扩散滤波器的设计……………………………………………………..39

4.2.1 基于面积模型与傅里叶分析的滤波器设计…………………………....39

4.2.2 对滤波器 filterIn 的权重系数的确定方法……………………………...45

4.2.3 基于邻域特征的滤波器权值自适应调整算法…………………………46

4.2.4 两种滤波器的结合使用…………………………………………………48

4.3 算法输出质量评价…………………………………………………………..50

4.3.1 主观评价…………………………………………………………………50

4.3.2 客观评价…………………………………………………………………56

4.4 本章小结……………………………………………………………………..59

第五章总结与展望………………………………………………………………...60

5.1 论文完成的主要工作内容…………………………………………………..60

5.2 研究展望……………………………………………………………………..60

参考文献…………………………………………………………………………….62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果………………………….65

致谢………………………………………………………………………………….66

第一章绪论

1.1 数字半色调技术的概念与重要作用

数字半色调的概念是将连续调的图像转换为二值图像，以便于印刷和在二值

显示设备上显示的数字图像处理技术[1]。

数字半色调技术对于印刷工业、医学影像等行业具有重要作用，对文化知识

的传播具有重要意义。因为图文是获取信息、保存信息与传递信息的重要内容，

也是人们做出某些判断的重要依据（如医学影像等）。图文信息除以数字形式存储

于磁盘、闪存等数字存储载体，由计算机读取后在显示器上呈现以外，将其输出

为印刷品、医学胶片等硬拷贝对于信息的传播与保存也具有极其重要的意义，印

刷品也一直是人类进行图文信息传播的重要途径。然而直到今天，虽然技术的进

步很大，但以印刷输出设备为代表的绝大多数硬拷贝输出设备依旧是二值的。输

出设备在承印材料的一个点上只能有无成色材料和有成色材料两种状态，表现为

无色或者有色[2]，而原始图像的每一个像素点都非常具有丰富的颜色信息，一般相

机与扫描仪获取的图像每个像素都有 224 个取值[4]。所以能够将一幅包含丰富颜色

信息的多灰度级图像用二值设备高质量的复制出来的一系列技术对于印刷等产业

具有重要的意义，而数字半色调（Digital Halftoning）技术是这一系列技术中最重

要的技术之一。近年来，人们的生活水平不断提升，文化生活需求快速增长，人

们对图文输出的质量要求不断提高，特别是随着计算机应用技术的不断发展，新

的显示技术能够呈现高质量的图文，因此人们希望印刷品能够达到相同的质量，

因此能够输出高质量的二值图像的数字半色调算法一直是众多相关学科的研究热

点。

准确的说数字半色调模块是输出设备 RIP（光栅处理器）模块的关键组成部分，

执行将连续调图像转化为二值图像的功能[2,3]。其性能的好坏直接影响输出设备的

输出质量与输出效率。若数字半色调模块存在不足，则会使输出图文质量受到严

重影响，如人眼可能分辨出输出图像中的点模式，图像就会使人感觉粗糙、不平

滑，灰度或色度也会产生偏差；数字半色调算法的不足还会导致输出图文中产生

非期待的纹理，对图文质量造成严重影响；数字半色调算法设计的不完美还会导

致原图像中的纹理在输出图像中被模糊掉，导致视觉感受变差，甚至会导致信息

误读（如在医学影像领域）；数字半色调算法的优劣还决定了数字半色调过程的效

自适应图像局部特征的误差扩散加网算法

率，不够优良的算法将花费大量时间。为避免上述情况，需要加强对数字半色调

技术的研究，以提出新的输出质量好、运算速度快的数字半色调算法；或对现有

算法中有改进潜力的作进一步的改进研究，从而获得能够输出满意质量的二值图

像的算法以满足各种二值输出设备的需求。目前，世界上先进的数字半调技术几

乎全部掌握在欧美日等少数国家手中，国内各相关企业、科研院所从事这一领域

的研究甚少，但是该技术又有广泛的现实需求与应用前景[3]。因此，对数字半色调

技术的研究，对我国印刷技术与产业的发展具有重大的意义。

1.2 数字半色调技术的发展与研究现状概述

1.2.1 数字半色调技术的发展

半色调技术能够复制表示连续调图像的基础是人类视觉的低通滤波特性[5,6]，

即人眼难以分辨很小的视角范围内的灰度变化，因而能够使用尺寸很小的黑白相

间的点来表示不同的灰度变化，这种技术最先开始于十九世纪五十年代，英国的

泰布特（Taibot）发明了利用画有十字交叉线的玻璃板夹入图像通过拍照的方法获

得网目调图像用来印刷连续调图像的可行性思想，后来人们把该过程称为半色调；

二十世纪四十年代，美国的柯达（KODAK）公司的科研人员根据网目调的理论思

想用工业方法制造成功了接触网屏，推进了加网技术的进一步发展[2]。而后随着计

算机、电子、光学、光化学等技术的发展又出现了电子加网方法，进一步提高了

加网输出的质量与效率。

随着相关技术，特别是计算机图形学的发展，各种数字设备不断出现，促进

了数字半色调技术的产生与发展。基于数字技术的图像处理技术、半色调技术经

过近 50 年的发展已经建立起比较完善的理论体系，研究者们提出了很多具有不同

的应用特性，适于不同的应用领域的方法。基于传统的加网理论与技术发展出了

数字调幅加网技术，并研发出了有理正切加网、无理正切加网、超细胞加网技术

等一系列具有良好输出质量的调幅加网方法，但是调幅加网方式是以牺牲输出设

备的分辨率为前提的，需要输出设备具有很高的输出分辨率[2]。然而，一些二值输

出设备不具备足够高的输出分辨率，这就对调频加网技术这种对输出设备的分辨

力要求相对较低的半色调技术提出了需求，特别是近些年来喷墨输出技术的飞速

发展，加大了对这一技术的需求。对于数字调频半色调技术的开展很早，最早是

为在二值显示设备上显示图像，其中 Bayer 在1973 年提出了模式抖动算法，但是

该算法使用固定的模板处理图像容易使处理结果存在明显的人工痕迹，且该算法

第一章绪论

使用固定值的比较模板决定像素的“黑”、“白”取值，容易在高光与暗调部分产

生阶调丢失问题，且该技术忽略了误差问题，其输出的二值图像与原图像之间存

在较大的误差，有比较明显的失真。而 Floyd 于 1975 年提出了误差扩散思想，即

将要处理的每一点像素的量化误差扩散到与之相邻的未处理的像素上，以牺牲图

像的频变关系来满足图像幅值（能量）的正确再现，取得了良好的输出效果[2]，当

然其依然存在不少问题，将在第二章中说明。

1.2.2 数字半色调技术的研究现状

1)国外的研究状况

目前，以瑞典、美国、日本等为代表的发达国家在数字半色调技术方面处于

较高水平，特别是在美国，有几家大学和研发机构在这方面有突出表现，集中了

大部分研究成果，并且在研究上具有很强的继承性。比如，从上世纪 80 年代开始

普度大学的 Allebach 和他的众多学生，在误差扩散法以及迭代方法的研究中，取

得了非常多的研究成果，成为数字半色调技术的重要推动力量[1];除此之外，

Hewiett-Packard 实验室、Bell 实验室也长期致力于相关技术的研究。纽约大学的

Yeqing Zhang、Howard A.Mizes、Xing Li、Francis K.Tse、Ramesh Nagarajan 等人

都在调频数字半色调技术的研究上做出了良好的成绩。可查阅到的具有较高研究

水平的文献大多是由欧美高校、公司或研究机构的科研人员发表，这些研究成果

中很多已经成为欧美专利。上述内容部分反映了国内高度依赖进口打印和印刷设

备的原因是国内对包括半色调技术在内的印刷相关技术的研究落后比较严重，也

从深层次上证明了数字半色调技术的研究具有重要意义[1,2]。

2)国内的研究状况

90 年代初，国内才开始对于数字半色雕技术的研究，并且在刚开始的较长时

间内几乎没有触及核心技术的研究，仅仅是对国外的相关技术做了翻译介绍，对

相关算法的研究直到 90 年代末期才逐渐开始。并且国内和国外在研究的进程上也

有一定的差距，国外在满足传统印刷产业需求的前提下，对数码印刷中使用的调

频算法做了大量研究，特别是 1975 年首次提出的误差扩散法，因其良好的输出质

量与合适的计算开销成为了研究的热点，涌现了一些有效的成果。而目前国内的

研究还主要集中在调幅加网领域，在调频加网领域则集中于随机抖动方法的研究

上，对误差扩散法的研究刚刚起步[2,7]。

对比国外近半个世纪以来将半色调技术一直被视为图像处理领域的重点研究

方向之一，大量出身于信息处理、数学、图像处理或计算机应用等专业的专家学

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摘要：

摘要图文是人类获取信息的重要途径，印刷品是重要的图文信息载体，如何使印刷输出设备输出具有高质量视觉效果的图文信息产品是图文复制技术的重点课题之一。印刷输出设备的输出质量由软件、硬件、材料共同决定，而数字半色调模块是软件部分的核心组成部分。本文研究开发了一种能够自适应图像局部特征的误差扩散加网输出算法，用于喷墨输出等数字印刷领域。由于国内数字印刷技术比较落后，软硬件大部分需要进口，因此本文的研究具有重要意义。本文主要的研究内容有：1.使用输出实验与傅里叶分析相结合的方法，分析了目前市场上常见的几种数字调频半色调算法的特性与不足，确定误差扩散算法在输出质量上具有较大优势,但仍存在较大的不足；同时结...

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