CN102667899A - 图像显示装置 - Google Patents

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町田纯一
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Abstract

提供一种图像显示装置，其避免高亮度和灰度范围中的不连续性，并且能够显示下述灰度，在这些灰度中，亮度感觉差异从中间灰度范围到最大灰度值以相等间隔改变。灰度/发光亮度转换器104使用预定转换特性将输入图像的灰度转换为与视频发光器107将显示的亮度对应的数据。在中间灰度范围中，视频发光器107将显示的亮度的常用对数与灰度具有比例关系。在高亮度和灰度范围中，该关系逐渐偏离比例关系；灰度越接近其最大值，将分配给灰度增量的、亮度的常用对数的变化量变得越大。

Description

图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种按照亮度显示图像的灰度的图像显示装置，更具体地，涉及与人的视觉特性相符地修正图像的灰度与显示亮度之间的关系的控制。
背景技术
自然界中现存的人可辨别的亮度（照度）范围在从1×10-3到1×105lx的宽范围上延伸。据说，人将亮度感觉为与实际亮度的常用对数成比例的量值。因此，常规的图像显示装置（诸如CRT、液晶显示器、等离子体显示器和有机EL显示器）为每个像素分配显示亮度，以使得将显示在图像显示单元上的亮度的常用对数与输入图像的灰度具有比例关系。
然而，亮度越接近人可辨别的最低限，按简单的比例关系辨别像素的亮度差变得越困难。提出了一种技术，该技术与这样的人的视觉特性相符地将可作为图像显示装置可显示的范围中的相等间隔辨别的增量分配给灰度（NPL 1）。用于医学显示器的标准由国家电气制造商协会基于该技术提供。利用根据该标准的灰度-亮度转换特性的图像显示装置在市场上有售。该标准的名称为DICOM（医学数字成像和通信）的GSDF（灰阶标准显示函数）。
如图22所示，在该标准中，其基础是将显示在图像显示单元上的显示亮度的常用对数与输入图像的像素的灰度具有比例关系；基于这个基础，灰度越接近其最小值，被分配给灰度增量的、亮度的常用对数的变化量变得越大。
本发明的发明人发现，人辨别亮度的变化或差异的能力具有一定范围，该能力在入射到视觉中的亮度太低时降低，并且在亮度太高时也降低。此外，发明人发现，该现象出现在已得到实际利用的图像显示装置的高亮度范围中。
另一方面，在DICOM的GSDF特性中，即使在超过1×103cd/m2的高亮度范围的范围中，亮度的常用对数与输入图像的像素的灰度的比例关系也基本上保持。因此发现，在利用DICOM的GSDF特性的图像显示装置中，与中间灰度范围相比，由于亮度差辨别能力相对于图像信号的改变而降低，所以高亮度和灰度范围的灰度在灰度改变时是不可辨别的，从而引起看似平坦的现象。
引文列表
专利文献
PTL1：日本专利申请公开No.2001-309280
PTL2：日本专利申请公开No.H08-146921
PTL3：日本专利申请公开No.H06-169437
非专利文献
NPL 1：医学数字成像和通信（DICOM）。第14部分-灰阶标准显示函数，国家电气制造商协会
发明内容
本发明涉及一种图像显示装置，其避免高亮度和灰度范围中的灰度的平坦化，并且能够显示这样的灰度，在这些灰度中，亮度感觉差异从中间灰度范围到最大灰度值以相等间隔改变。
根据本发明，一种图像显示装置包括：显示单元；和灰度转换单元，其用于进行根据预定转换特性将输入图像的灰度与显示单元的显示亮度相关的转换处理。并且，灰度转换单元执行所述转换处理，以使得当基于常用对数估计显示单元的显示亮度时，在高亮度和灰度范围中，随着输入图像的灰度朝向最大值增大，与输入图像的灰度变化对应的、显示单元的基于常用对数的显示亮度变化增大，以致偏离中间亮度和灰度范围中的输入图像的灰度与显示亮度之间的关系。
本发明的图像显示装置执行转换处理，以使得被分配给灰度增量的、亮度的常用对数的改变量越接近最大灰度值，改变量变得越大。因此，可补偿人辨别高亮度和灰度范围中的亮度的常用对数的变化量的能力的降低。因此，使高亮度和灰度范围中的灰度-显示亮度转换特性适应人的感觉特性，从而使得与输入图像的灰度增量相关的亮度差可被以相等间隔感觉，一直到最大灰度值。因此，避免了高亮度和灰度范围中的灰度的平坦化，并且可显示高质量灰度，在这些高质量灰度中，亮度感觉差异从中间灰度范围到最大灰度值以相等间隔改变。
附图说明
图1是示例的视频显示装置的构造的示图。
图2是相对于入射光亮度的亮度可辨性阈值对比度特性的示图。
图3是相对于JND指标的视觉刺激光亮度特性的示图。
图4是相对于刺激光亮度的亮度差可辨性阈值特性的示图。
图5是相对于输入信号电平的光发射亮度特性的示图。
图6是从视频信号的输入到发光的信号转换象限图。
图7是示例2中的相对于入射光亮度的亮度可辨性阈值对比度特性的示图。
图8是示例2中的相对于JND指标的视觉刺激光亮度特性的示图。
图9是示例2中的相对于输入信号电平的发光亮度特性的示图。
图10是示出Stevens幂次定律方程的系数的示图。
图11是示出Stevens幂次定律的示图。
图12是示出Stevens幂次定律的示图，其中适应亮度水平为1.0cd/m2。
图13是其中以对数尺度表示图12的示图。
图14是其中图12的纵坐标和横坐标互相取代并且纵坐标以对数尺度表示的示图。
图15是示出根据示例3的视频显示装置的构造的框图。
图16A、16B和16C是示出入射在眼睛中的光的亮度与亮度差可辨性阈值对比度之间的关系的示意图。
图17是示出根据示例3的设置发光亮度特性的单元的操作的流程图。
图18A和18B是示出发光亮度特性的示意图。
图19是示出根据示例4的视频显示装置的构造的框图。
图20是示出根据示例4的设置发光亮度特性的单元的操作的流程图。
图21是示出根据示例4的对发光亮度特性进行内插的方法的示图。
图22是示出DICOM的GSDF特性的示图。
图23是示出Weber-Fechner定律的示图。
图24是关于DICOM的GSDF特性的、相对于刺激强度的可辨性阈值对比度特性的示图。
图25A、25B和25C是示出使用常用对数的原因的示图。
具体实施方式
实施例1
以下将参照附图来详细描述本发明的实施例1。本发明可应用于另一实施例，在该实施例中，实施例1的部分或整个构造被其替换构造取代，只有当灰度越接近其最大值时，分配给灰度差的、亮度的常用对数的变化量才变得越大。
在该实施例1中，仅具有显示功能的视频显示装置（诸如计算机显示器）将被描述为图像显示装置。然而，电视接收器和安装在照相机和摄像机上的电子取景器（它们是包括视频和音频接收单元的视频显示装置）也被称为视频显示装置。视频显示装置可用于图像显示装置，诸如CRT、液晶显示器、等离子体显示器和有机EL显示器。
关于与PTL 1中所公开的图像显示装置的构造和控制相关的一般内容，省略其在图中的图示，并且还省略多余的描述。
<DICOM的GSDF特性>
图10是示出Stevens幂次定律方程的系数的示图。图11是示出Stevens幂次定律（引自“Disupurei no kiso”（Oishi、Hatada和Tamura(ed.)、Kyoritsu shuppan））的示图。图12是示出Stevens幂次定律的示图，其中适应亮度水平为1.0cd/m2。图13是其中以对数尺度表示图12的示图。图14是其中图12的纵坐标和横坐标互相取代并且纵坐标以对数尺度表示的示图。图22是示出DICOM的GSDF特性的示图。图23是示出Weber-Fechner定律的示图。图24是关于DICOM的GSDF特性的、相对于刺激强度的可辨性阈值对比度特性的示图。
当人观察物体时，他们从他们的眼睛所观察的物体接收光，感测该物体的亮度和颜色，并且确定所观察的物体是什么。即使入射在眼睛中的光的感觉在个体之间在某种程度上变化，但是通常众所周知的是方式是Weber定律和Weber-Fechner定律。
假如刺激强度（眼睛的入射光的强度）为I，相对于刺激强度的可辨性阈值（人可感知的最小刺激差异）为δI，则Weber定律是用方程1表示的、指示无论值I如何，I与δI的比率δI/I都是恒定的定律。
[数学式1]
(方程1)
Weber-Fechner定律是Weber定律的扩展。假如刺激强度为I，相对于刺激的感知量为E，则Weber-Fechner定律指示“感知量E被感觉为与刺激强度I的对数成比例”（k是比例常数）。
[数学式2]
E＝klogI    (方程2)
另一方面，Stevens幂次定律根据刺激强度I、相对于刺激的感知量E和取决于感觉类型（这里，相对于眼睛中的入射光强度的亮度感觉）的指数n来指示“感知量E与刺激强度I的幂成比例（幂系数n）”。（k为比例常数）。
[数学式3]
E＝kIn    (方程3)
视频显示装置将相对于所显示的发光强度的可辨性阈值δI分配给视频信号的一个灰度，并且根据方程2和3中的一个发光。因此，表明了获取与视频信号的灰度呈线性的亮度感觉。然而，另一方面，还众所周知的是，该定律仅适用于某一范围的刺激强度，该范围为相对窄程度的范围。
关于这点，Stevens扩展了方程3并且报告了以下的方程4，在方程4中，到眼睛的入射光强度I、相对于刺激的感知量E、幂系数n和比例常数k是取决于观察视觉环境下的适应亮度I0的系数。
[数学式4]
E＝k(I-I0)n(方程4)
图10和图11示出方程4的系数n、k和I0以及方程4的入射光强度I相对于亮度感知量E的关系。在图10中，L0对应于方程4的I0。图11中的亮度感知量利用BRIL作为单位，BRIL为主观亮度尺度。
这里，当周围视觉环境暗黑时，方程4中的指数n为n=0.33。指数n根据适应亮度水平增大（周围变亮）而增大。在非常亮的地方，指数n接近n=0.5。
图12是绘制相对于刺激亮度的亮度感觉的示图，在该图中，在图10中所示的适应亮度水平1.0cd/m2下，n=0.35，k=0.67，I0=0.012，并且形成了指数系数为0.35的指数函数。图13示出用对数表示法表示的刺激亮度和亮度感觉的坐标轴。当对方程4两侧取对数时，如方程5所表示的，刺激亮度的对数和亮度感觉的对数彼此通过系数n成比例。
[数学式5]
logE∝nlogI  (方程5)
图14是以下述方式绘制的示图，即，亮度感觉E作为横坐标，刺激亮度I（对数表示）作为纵坐标。该图指示应该以如图14中那样的关系供给刺激亮度，以便以感觉上均衡的方式增大视觉感觉的亮度。这样的刺激亮度等效于相对于视频显示装置的均衡灰度视频信号的每个灰度，以感觉上均衡并且连续的方式的所显示发光强度。
已存在与Stevens幂次定律相关地处理刺激亮度与亮度感觉之间的关系的研究。这些研究是国家电气制造商协会的医学显示标准DICOM（医学数字成像和通信）的GSDF（灰阶标准显示函数），以及作为该标准的基础的Barten等人的研究。
图22是绘制DICOM中所公开的GSDF的示图。纵坐标是视频显示装置的所显示的发光强度。横坐标是JND（最小可觉差（JustNoticeable Difference））指标。JND的一个步长是用于上述的光刺激强度的可辨性阈值。相对于亮度感觉变化保持线性关系。在这个意义上，根据Stevens的图14中的亮度感觉和刺激亮度的绘图表明什么相对于人的视觉特性与图22中的GSDF特性相同。
在DICOM的GSDF特性中，在视频信号与JND之间保持比例关系。将显示在医学显示装置上的视频信号被根据视频信号的比特深度（指示用多少比特表示视频灰度的视频信号比特数量）线性地分配给JND，并且以根据GSDF特性确定的发光亮度显示在显示器上。
图23是绘制方程2中系数k=8时的Weber-Fechner定律的示图。亮度感觉E表示在横坐标上。刺激强度I以对数尺度表示在纵坐标上。相互比较图23和图14，可理解，在均衡感觉尺度中，对数比例关系适用于Weber-Fechner定律的整个范围。另一方面，在Stevens幂次定律和GSDF特性中，从线性的偏离被反映到刺激量与小的感知量的对数。
图24是将GSDF特性绘制为δI/I（以下，称之为可辨性阈值对比度）的示图，δI/I是方程1的刺激强度I与相对于刺激强度的可辨性阈值δI的比率。如图24所示，在GSDF特性中，与Weber定律所表示的方程1相反，δI/I不是恒定的。在JND指标小的范围（黑暗可感知范围）中，人对亮度差可辨性的敏感性降低，可辨性阈值对比度增大；JND指标越大，亮度差可辨性的敏感性变得越高，可辨性阈值对比度变得越低。因此，可理解，考虑了感知量和刺激量的非线性。
然而，我们通常体验到感知量的非线性还存在于高亮度侧的刺激量中。例如，在低光的房间里看电视时，当屏幕照度高（入射在眼睛中的发光亮度高）时，屏幕耀眼，并且图像难以观看。这不是仅限于低光的房间的现象。最近，同样在液晶电视中，发光亮度的宽动态范围增大，并且最大发光亮度进一步增大，最小发光亮度进一步减小。眼睛接收高亮度光的机会增加，即便在日常生活的房间里的亮度环境下。而且，宽动态范围显示器在市场上有售，这些宽动态范围显示器具有比市售的消费类电视的宽得多的最大发光亮度，以便增强视频内容的存在。
在具有下述显示特性的这样的视频显示装置中，存在引起与实际视觉特性的差异的可能性，在所述显示特性中，GSDF特性所指示的JND指标越大，亮度可辨性阈值对比度变得越低。结果，这导致引起视频信号灰度与亮度感觉失配的可能性。
因此，在以下将描述的示例中，在整个视觉可接受亮度范围（视觉动态范围）中分析相对于人的视觉入射光亮度的亮度可辨性阈值特性。在整个视觉动态范围上存储并保持相对于亮度被均衡分割的感知量（JND指标）与发光亮度值之间的对应关系，并且执行灰度-亮度转换。
<示例1>
图1是示例的视频显示装置的构造的示图。图2是相对于入射光亮度的亮度可辨性阈值对比度特性的示图。图3是相对于JND指标的视觉刺激光亮度特性的示图。图4是相对于刺激光亮度的亮度可辨性阈值特性的示图。图5是相对于输入信号电平的发光亮度特性的示图。图6是从视频信号的输入到发光的信号转换象限图。
如图1所示，在视频显示装置101中，从视频源（未示出）发送的视频信号通过视频信号输入端子102在视频显示装置101中被捕获为视频信号103。视频信号103的信号格式可以根据视频源的类型而不同。在该示例中，信号被视频显示装置101中的格式转换器（未示出）规范化为该装置共用的信号格式。这里，为了简化描述，视频信号103是以从0到1023的十个比特的灰度表示的数字信号，其中没有颜色分量，而仅具有亮度分量。
视频信号103输入到灰度/发光亮度转换器104中。灰度/发光亮度转换器104（灰度转换器）使用预定转换特性将输入图像的每个像素的灰度转换为与将显示在视频发光器（图像显示单元）107上的显示亮度对应的数据。灰度-显示亮度转换LUT（查找表）安装在灰度/发光亮度转换器104上，在该LUT中，输入是10比特数字视频信号103，输出是亮度信号105。灰度-显示亮度转换LUT是其输入与输出之间的对应关系已基于人的视觉特性确定的LUT，以下将对该LUT进行描述。
视频信号103被根据图6中所示的灰度-显示亮度特性转换为与从该装置发射的发光亮度值对应的亮度信号105，并且从灰度/发光亮度转换器104输出。亮度信号105输入到发光亮度控制器106中。发光亮度控制器106根据使用液晶显示器的发光系统控制视频发光器107，从而显示亮度信号105所指定的亮度值。视频发光器107可利用各种系统，诸如等离子体显示器和有机EL显示器。在这种情况下，发光亮度控制器106被根据这些发光系统控制像素的发光量的装置取代。
从视频信号的输入到从视频发光的流程如上所述。以下，为了简化描述，从灰度/发光亮度转换器104输出的亮度信号105完全由发光亮度控制器106控制，以使视频发光器107以指定的亮度值发光。视频发光器107包括液晶图像面板和等离子体面板之一；显示亮度值相对于亮度信号105线性改变。
图6示出从视频信号103的输入到视频发光器107以亮度B发光的信号的流程。根据图6中的第一象限中所示的特性，通过视频信号S-输入信号电平P转换LUT将视频信号103转换为输入信号P。第一象限中所示的线的斜率被调整为使得10比特视频信号的灰度的最大值1023与灰度-显示亮度转换特性的最大值Bmax匹配，并且最小值0与最小值Bmin匹配。
使用第二象限中所示的转换特性（预定转换特性）将输入信号P数据转换为用于视频发光器（图像显示单元）的驱动数据，以使得以最大值Bmax与最小值Bmin之间的亮度B发射光。根据第二象限中所示的转换特性对输入信号P进行灰度-亮度转换，从而使视频发光器107以亮度B发射光。
第二象限中所示的转换特性是通过实验获取的曲线，稍后将对该曲线进行描述。该曲线是以感觉上均衡的方式将视频发光器107的像素上的亮度的最大值Bmax与最小值Bmin之间的亮度差分割为多个亮度差的函数。第二象限中所示的转换特性是图3中所示的特性逆时针翻转90度。
如图3所示，关于灰度-亮度转换特性，在中间灰度范围（303）中，其基础是比例关系，在该比例关系中，显示亮度的常用对数基本上相对于灰度的增大而成比例地增大。然而，与中间灰度范围（303）相比，被分配给灰度增量的、显示亮度的常用对数的变化量在高亮度和灰度范围（304）中增大，以便补偿人的眼睛辨别高亮度范围中的亮度变化的能力的降低。相对于中间灰度范围（303），被分配给灰度增量的、显示亮度的常用对数的变化量在低亮度和灰度范围（302）中也增大，以便补偿人的眼睛辨别低亮度范围（302）中的亮度变化的能力的降低。
也就是说，在灰度的最大值侧，所述关系逐渐地偏离比例关系；灰度越接近最大值，与中间灰度范围（303）中的灰度和显示亮度的常用对数之间的比例关系的偏离量变得越大。此外，在灰度的最小值侧，所述关系逐渐偏离比例关系；灰度越接近最小值，与中间灰度范围（303）中的灰度和显示亮度的常用对数之间的比例关系的偏离量变得越大。
视频发光器107具有其自己的发光系统和发光特性。因此，当输入用于实际以亮度B发射光的亮度信号105时，被提供用于驱动并控制视频发光器107的发光亮度控制器106控制亮度信号105和发光亮度B。
<实验>
将描述表征本发明的从视频灰度信号对发光亮度值的确定。该示例中的视觉特性是相对于入射在眼睛中的入射光亮度的亮度可辨性阈值特性。
在被控制为某一亮度的视觉环境下在亮度适应性得到很好保证的状态下进行实验。使入射在眼睛中的入射光亮度连续地从最小入射光亮度（其不足以被感知到）变为最大入射亮度（其耀眼并且感知不到），并且测量每个入射光亮度上的亮度可辨性阈值对比度。将描述用于测量某一视觉环境光中的亮度可辨性阈值对比度的方法。
(1)使用能够调整发光量的光源，并且将从该光源发射的光分离为两个光束。
(2)将已被分离成两个的光的光束之一称为参考光I。通过光源的发光量调整来控制其亮度值（参考光亮度值）。
(3)另一方面，将具有连续变化密度的透明滤镜（灰度ND滤镜）布置在已被分离为两个的光的光束中的另一个的光路中，从而产生实验光Itest。
(4)使参考光I和实验光Itest以没有间隔的相邻方式入射在测试对象的瞳孔中。
(5)测试对象稍微移动灰度ND滤镜的位置，从而改变实验光亮度值，并且将当彼此相邻的参考光与实验光之间的亮度差δI=I-Itest不能被分辨时的亮度差确定为亮度差可辨性阈值。
(6)接着，为了获取不同参考光的亮度差可辨性阈值，通过光源的发光量调整来改变并固定参考光亮度。
(7)重复上述(5)和(6)，从而使参考光亮度从低（暗）参考光亮度（其中，亮度差是感知不到的，即使使用具有足够高密度的ND滤镜）变为高（亮）参考光亮度（其中，亮度差是感知不到的，即使使用具有足够低密度的ND滤镜），并且获取与其对应的亮度差可辨性阈值。
(8)最后，将每个亮度差可辨性阈值除以参考亮度值，以使其规范化，从而获取亮度差可辨性阈值对比度值C=δI/I。
图2是示出相对于入射光亮度（X轴）的亮度可辨性阈值对比度（Y轴）特性的示图。与DICOM-GSDF特性305一样，当入射光亮度低（暗）时，可辨性阈值对比度大；入射光亮度越高，可辨性阈值对比度变得越小。然而，与DICOM-GSDF特性相反，当入射光亮度进一步增大时，可辨性阈值对比度再次变大。这表明敏感性特性在高亮度范围中再次降低的现象的出现。
其中亮度差的敏感性特性就常用对数而言高的范围是其中对于亮度的常用对数的增量基本上恒定的亮度差被感觉到的范围。恒定亮度差的灰度可通过以相等间隔分配灰度来确保。然而，在其中图像的亮度越低，辨别亮度差的能力越低的范围中，应该以逐渐增大的方式将“用常用对数表示的亮度差”分配给灰度差。否则，相对于具有相同灰度差的灰度，与具有高敏感性特性的范围相同的亮度差不能被感觉到。同样，在其中图像的亮度越高，辨别亮度差的能力变得越低的范围中，应该以逐渐增大的方式将“用常用对数表示的亮度差”分配给灰度差。否则，相对于具有相同灰度差的灰度，与具有高敏感性特性的范围相同的亮度差不能被感觉到。
在该示例中，反映了这样的视觉特性，形成了图5中所示的灰度-显示亮度转换特性，并且如图6所示那样将灰度-显示亮度转换特性分配给了视频信号的全部灰度。
<灰度-显示亮度转换特性>
图3是基于图2在图22中所示的坐标轴上绘制实线301的示图，在该图中，横坐标是JND指标，纵坐标是刺激光亮度。为了参照和比较，在图上示出了GSDF特性305。以下将描述将图2转换为图3的过程。
关于图2中的曲线上的每个点上的数据，将可辨别亮度阈值对比度（δI/I）（其为纵坐标）乘以刺激亮度（I）（其为横坐标），从而创建图4，在图4中，刺激亮度（I）被指定为横坐标，而可辨别亮度阈值（δI）被指定为纵坐标。
对图4中的曲线上的每个点的数据执行方程6的运算，从而获取图5中的s形曲线特性。
[数学式6]
I0=最小亮度值
Figure BDA00001681797700131
Figure BDA00001681797700132
(方程6)
将以逐步的方式描述方程6的运算方程。
步骤1：在图3中绘制JND指标=0和亮度=0.1，同时将图4中的刺激亮度I的最小亮度值（在该示例中，最小亮度值为0.1cd/m2）指定为起始点。
步骤2：将步骤1的起始点刺激亮度I=0.1cd/m2输入到刺激亮度（其为图4的横坐标）中，查阅刺激亮度0.1cd/m2的可辨别亮度阈值，从而获取可辨别亮度阈值（δI）。在该示例中，刺激亮度0.1cd/m2的可辨别亮度阈值为0.02。
步骤3：因为亮度I=0.1cd/m2的可辨别亮度阈值为δI=0.02cd/m2，所以随后可辨别的刺激亮度I为0.1+0.02=0.12cd/m2。因此，在图3中绘制JND指标=1和亮度=0.12cd/m2。
步骤4：返回到步骤3，从图4中的刺激亮度0.12cd/m2查阅可辨别亮度阈值δI，并且获取可辨别亮度阈值δI=0.03。将刺激亮度0.12cd/m2的可辨别亮度阈值指定为0.03。
与步骤3一样，将可辨别亮度阈值δI=0.03加到亮度=0.12cd/m2。刺激亮度0.12cd/m2之后可辨别的亮度为0.12+0.03=0.15cd/m2。因此，在图3中绘制JND指标=2和亮度=0.15。
步骤6：重复该步骤，并且在图3中执行绘制，直到达到图4或图2的刺激亮度I的最大亮度值为止。在该示例中，最大亮度值被指定为10000cd/m2。
在该示例中，为了简化描述，先创建图4。然而，如果将可辨别亮度阈值对比度（δI/I）乘以刺激亮度（I）并且每次在必要步骤中获取可辨别亮度阈值（δI），则可直接从图2创建图3。
接下来，将描述在以上步骤中创建的JND指标-刺激光亮度特性的定性概念。
如图3所示，在人可分辨亮度差的、使用常用对数计算的亮度差被指定为可辨别亮度阈值的情况下，与具有均衡可辨性阈值程度的增量对应地设置在灰度的最大值与最小值之间所设置的多个灰度。
这里，范围302表明在具有低刺激光亮度（图3的纵坐标）的范围中，图2中的刺激光亮度（图2横坐标）的可辨别亮度阈值对比度大，并且刺激敏感性低。因此，为了在范围302中获取均衡分离的感知量，应该增大刺激亮度变化。因此，关于JND指标改变量的刺激光亮度改变量（图中的斜率或导数值）大。
表现出图2中的对应刺激光亮度的可辨别亮度阈值对比度降低，并且刺激敏感性从范围302到范围303增大。因此，关于JND指标改变量的刺激光亮度改变量（图中的斜率或导数值）从范围302到范围303减小。
此外，表现出图2中的可辨别亮度阈值对比度增大，并且刺激敏感性从范围303到范围304再次降低。与此对应的，关于JND指标改变量的刺激光亮度改变量（图中的斜率或导数值）从范围303到范围304再次增大。
为了如此在均衡改变感知量的同时增大从黑暗感觉到明亮感觉的亮度，应该改变入射在眼睛中的光的亮度在对数轴上的斜率，以使得从减小到增大（斜率量（导数值）为大→小→大）。
以下将基于与以上分析的人的亮度感觉相关的视觉特性来描述创建灰度-显示亮度转换LUT的方法。
视频显示装置101的视频发光器107可根据发光系统和设计规范而具有如发光亮度的各种值。这里，视频发光器107的发光亮度（明亮度）B的最小发光亮度被指定为Bmin，最大发光亮度被指定为Bmax。图5是这样的示图，在该图中，横坐标名称被来自图3的横坐标的输入信号电平P取代，纵坐标的名称被来自图3的纵坐标的视频发光器107的发光亮度B取代。输入信号电平P对应于图3中所示的JND指标，并且表示具有亮度意义上的均衡灰度的视频信号。
参照图5，最小发光亮度Bmin和最大发光亮度Bmax分别被转换为对应的输入信号电平Pmin和Pmax。因此，最大灰度值与视频发光器（图像显示单元）107上可显示的最大亮度匹配，并且视频信号103的全部灰度在输入信号电平范围Pmin到Pmax内线性相关。在该示例中，视频信号103是从0到1023的10比特信号。因此，以下方程适用，其中，0→Pmin，1023→Pmax，并且视频信号值为S。
[数学式7]
p = ( p max - p min ) 1023 s + p min (方程7)
该线性转换通过1024个灰度的输入和输出（Pmax-Pmin）的LUT来执行。灰度/发光亮度转换器104包括两个转换表格，这两个转换表格是上述视频信号-输入信号电平P转换LUT和图5中所示的输入信号电平P-发光亮度转换LUT。通过图6中的第一象限中所示的视频信号S-输入信号电平P转换LUT将视频信号103转换为输入信号P。随后，通过图6中的第二象限中所示的特性将输入信号P转换为与亮度B对应的数据，从而使视频发光器107以亮度B发射光。
如上所述，在示例1中，可在视频显示装置101的整个发光亮度范围（动态范围）上再现感知上没有断开/变形/饱和的灰度。可提供能够输出具有根据人的视觉特性的发光亮度特性的视频的图像显示装置。即使对于视觉动态范围中的任何接收亮度量，视频信号的灰度性质和亮度感觉也彼此匹配。即使当显示任何视频信号时，跳跃和变形的感觉也不发生。因此，可观看到平滑的灰度视频。
视频信号处理单元104可使用内部包括RAM的DSP（数字信号处理器）来执行灰度转换处理。该处理从被作为串行数据发送的视频信号读取各个像素的灰度值，并且将这些值修正为其中反映灰度-显示亮度转换特性的灰度值。
可执行图像处理，以使得输入图像的以各种格式形成的图像数据被再现为各个像素的灰度数据，并且被转换为其中反映该示例的灰度-显示亮度转换特性的灰度，从而获取一个图像数据。在这种情况下，可将灰度/发光亮度转换器104作为独立于视频发光器107的一个图像处理装置来操作。
<示例2>
图7是示例2中的相对于入射光亮度的亮度可辨性阈值对比度特性的示图。图8是示例2中的相对于JND指标的视觉刺激光亮度特性的示图。图9是示例2中的相对于输入信号电平的发光亮度特性的示图。
示例2以与示例1相同的方式被构造和控制，除了在视频显示装置101的灰度/发光亮度转换器104中实现的灰度-显示亮度转换LUT的特性与示例1的该特性不同之外。因此，以下将描述灰度-显示亮度转换LUT的特性与示例1的不同之处，并且将省略其它多余的描述。
图7是表示相对于入射光亮度的亮度可辨性阈值对比度特性的示图，对应于示例1中的图2。作为上述实验的结果，发现当房间被照明时，所述特性变为使得曲线的底部如2中那样平坦，但是当房间处于低光时，所述特性变为使得曲线的底部如图7中那样凸出。发现，如图7所示，根据人观看视频显示装置101的环境下的亮度，具有一个微小的局部极大值和两个局部极小值的减小、增大、减小和增大与入射光亮度值的增大对应地出现。此外，发现，房间里的亮度（亮度特性如图7中所示）表现为根据测试对象而变化。
因此，示例2包括如图1所示那样提供的用于检测周围亮度的照度传感器（周围光测量单元）108，并且利用当房间里的亮度例如小于或等于1lux时，基于图7的特性切换到灰度-显示亮度转换LUT的控制。灰度/发光亮度转换器（灰度转换器）104转换图像数据，以使得被分配给灰度增量的、亮度的改变量的常用对数在接近最大灰度值的范围与接近最小灰度值的范围之间的中间部分中局部增大。当周围亮度超过某一亮度时，灰度/发光亮度转换器（灰度转换器）104局部减小其中亮度的改变量的常用对数增大的范围中的增量。
图7中所示的视觉特征基本上与图2的视觉特征一样地改变。当入射光亮度最低（暗）时，可辨性阈值对比度大。入射光亮度越高，亮度可辨性阈值对比度变得越低。另一方面，当入射光亮度最高（亮）时，亮度可辨性阈值对比度大。入射光亮度越低，亮度可辨性阈值对比度变得越小。注意，曲线包括根据入射光亮度值的增大具有微小的局部极大值和两个局部极小值的减小、增大、减小和增大。另一方面，图2中所示的视觉特征是减小和增大的曲线，在该曲线中，亮度可辨性阈值对比度根据入射光亮度值的增大具有一个局部极小值。
通过根据示例1的图3的运算方程（方程6）来转换这样的视觉特性，从而创建图8。图8示出JND指标-刺激光亮度特性801，其中，JND指标被绘制为横坐标，并且刺激光亮度被绘制为纵坐标。在该图中，细虚线301表示图3中所示的示例1的转换特性；细虚线305表示GSDF特性。
如图8所示，JND指标-刺激光亮度特性801具有与图7中的相对于入射光亮度的亮度可辨性阈值对比度特性对应的三个拐点802、803和804，并且是增大的。
鉴于这样的特性，执行与示例1一样的创建LUT的步骤，从而创建图9所示的灰度-显示亮度转换LUT。然而，省略了示例1中所述的创建图4的步骤。图2和图3分别被图7和图8取代。用于该运算的数字数据被与相应的图对应的数值取代。
图9示出在视频显示装置101的灰度/发光亮度转换器104中实现的输入信号电平-发光亮度LUT。同样在图9中的输入信号电平-发光亮度特性中，与示例1一样，当入射光亮度从具有最低光的黑暗感觉增大以致增大亮度感觉时，入射光亮度形成其中斜率的改变在常用对数轴中减小的曲线，并且该曲线向上凸出。在多个拐点之后的最亮亮度感觉的范围中，入射光亮度的斜率的改变在对数轴中增大，并且形成下凸曲线。
如上所述，在示例2中，可在视频显示装置101的整个发光亮度范围（动态范围）上再现感知上没有断开/变形/饱和的灰度。可提供能够输出具有根据人的视觉特性的发光亮度特性的视频的图像显示装置。
<常用对数>
图25A、25B和25C是示出使用常用对数的原因的示图。
图25B和25C是其中图25A中所示的示例1的灰度-显示亮度转换特性（301）的纵坐标用实数表示的示图。图25C是其中图25B被部分放大的示图。每个示图示出Weber-Fechner线性方程（300）和基于方程（300）的DICOM的GSDF特性（305）。
在图25B和25C中所示的实数轴表示中，难以使三个函数彼此区分开。与图25A相反，不能直观地将三种类型的转换特性彼此区分开。如NPL 1中所述，根据使用常用对数的显示亮度的估计，显示亮度的常用对数与亮度感觉增量之间的比例关系在中间灰度范围中出现。
然而，在理论上和实验上识别三种函数之间的差别之后，容易用实数轴表示法创建近似表达式，并且操作示例1的灰度-显示亮度转换特性（301）。图像显示装置可使用将显示亮度的实数值分配给灰度值的灰度-显示亮度转换特性。可通过表示与常用对数相似的视觉特性的曲线y=xn(n=0.3)基于另一运算方程来创建具有与示例1的相似的效果的灰度-显示亮度转换特性。
因此，本发明不限于通过使用常用对数的运算来创建灰度-显示亮度转换LUT的示例。相反，本发明包括使用利用另一运算方程和实数值获取的灰度-显示亮度转换LUT的转换处理。所述运算可被使用数据表的数据转换、至少两个函数的内插运算以及使用近似表达式和与常用对数类似的函数之一的运算中的任何一个取代。在任何情况下，本发明包括能够获取与通过使用常用对数的运算而创建的转换方程的特性类似的灰度-显示亮度转换特性的示例。
实施例2
将参照附图来详细描述本发明的实施例2。本发明可应用于另一实施例，在该实施例中，实施例2的一部分或整个构造被其替换构造取代，只有当周围亮度越高时，与最大灰度值周围的GSDF特性的偏离才变得越小。
在该实施例2中，仅具有显示功能的视频显示装置（诸如计算机显示器）将被描述为图像显示装置。然而，电视接收器和安装在照相机和摄像机上的电子取景器（它们是包括视频和音频接收单元的视频显示装置）也被称为视频显示装置。视频显示装置可用于图像显示装置，诸如CRT、液晶显示器、等离子体显示器和有机EL显示器。
关于与常规技术中所公开的图像显示装置的构造和控制相关的一般内容，省略其在图中的图示，并且还省略多余的描述。
<常规技术>
视频显示装置用在各种各样改变的环境光中。因此，在固定调整图像质量的情况下，由于环境光的影响，图像质量劣化。例如，考虑家里的视觉环境，视觉环境照度在窗帘在晴朗的一天的白天被打开的情况与在低光中看电影的情况之间非常不同。
根据图像质量的固定调整（其调整图像以便获取某一平均视觉环境照度下的最好图像），所显示的视频在白天被感觉太暗，而在晚上被感觉太亮。可以说，图像质量根据环境光照度而劣化。为了减轻这样的图像质量劣化，提出为视频显示装置提供用于测量环境光强度的照度传感器，根据观看时的周围环境照度来调整视频信号的增益，从而保持图像质量。该技术已得到实现。
PTL 1提出了一种方法，该方法获取用亮度、对比度和灰度特性的参数计算主观尺度值的函数，从而调整图像质量，以便满足主观尺度值。关于环境光照度与图像质量调整之间的关系，明亮地方的对比度通过测量环境光照度来计算，并且被用作用于调整图像质量的参数。
PTL 2，为了解决环境光的改变，将液晶面板布置为显示单元，并且根据环境光的强度来改变透射率。在这种情况下，视频信号的灰度特性被固定，以便避免亮度通过修改灰度特性的增益来调整的情况下的灰度减小。
PTL 3根据视频信号的平均亮度的水平、动态范围和环境光来执行对比度修正、伽马修正和轮廓修正，从而根据视频信号和环境光的改变来调整图像质量。
虽然PTL 1使用明亮地方的对比度，但是明亮地方的对比度用具有低光和环境光照度的地方的对比度表示，并且具有低光的地方的对比度是取决于显示装置的值。因此，没有考虑随环境光照度的人的视觉特性。然而，主观尺度值基于主观估计来计算。因此，视觉特性可被隐含地包括。然而，没有考虑基于对环境光的适应性的视觉特性。
PTL 2根据环境光照度来改变显示单元的亮度。然而，视频信号的灰度特性仍然是固定的。人的视觉特性根据对环境光的适应状态而改变。因此，灰度特性也改变。因此，在灰度特性固定的情况下，不能获取根据视觉特性的最佳灰度特性。存在在再现灰度时引起故障（诸如跳跃和变形）的可能性。
PTL 3根据平均亮度、白色峰值、黑色峰值和噪声以及环境光来执行对比度修正、明亮度修正、伽马修正和轮廓修正。这里，关于与灰度特性相关的伽马修正，描述了执行根据存储在ROM上的数据的转换和根据非线性元素的转换的方法。然而，没有描述计算灰度特性的任何具体方法。此外，没有描述相对于环境光的人的视觉特性的改变。
在以下示例中，考虑人的视觉特性根据观看显示装置时的亮度环境下的适应性的改变，提出了根据环境光来计算显示装置的发光亮度特性的方法。此外，基于所计算的发光亮度特性进行转换，从而再现视觉上平滑和最优的灰度。
根据此，即使在各种类型的环境光中，也可在视频显示装置的整个发光亮度范围（动态范围）上再现感知上没有断开/变形/饱和的灰度。
以下示例将多个适应亮度中的入射亮度与亮度差可辨性阈值对比度之间的关系表示为一个多项式，该多项式根据入射亮度从低亮度到高亮度的转变而经由局部极小值从单调减小转变为单调增大。该多项式表示下述特性，即，适应亮度越高，与特定亮度差可辨性阈值对比度的相交距离变得越窄，并且局部极小值的位置处的入射亮度变得越高。此外，使用该多项式来计算与适应亮度对应的亮度差可辨性阈值特性。分配发光亮度，以使得亮度差可辨性阈值变为一个灰度，从而确定发光亮度特性。
根据此，即使对于没有对其进行实验的未知适应亮度，也可获取仅具有少许误差的发光亮度特性（灰度-显示强度转换特性）。
<示例3>
图15是示出根据示例3的视频显示装置的构造的框图。图16A至图16C是示出入射在眼睛中的光的亮度与亮度差可辨性阈值对比度之间的关系的示意图。图17是示出根据示例3的设置发光亮度特性的单元的操作的流程图。图18是示出发光亮度特性的示意图。图4至图6是示出将图像的灰度转换为显示亮度的发光亮度特性的示图。图9是相对于JND指标的视觉刺激光亮度特性的示图。
如图15所示，视频显示装置200是从计算机接收视频信号并且以亮度表示在图像显示单元的屏幕上显示图像的图像显示装置。周围光测量单元201是测量视频显示装置200周围的视觉环境光的亮度传感器。存储亮度差可辨性阈值的特性的存储单元202存储各种适应亮度处的亮度差可辨性阈值特性。视频发光器207包括液晶显示面板和等离子体面板之一。显示亮度的值根据亮度信号205线性改变。
设置发光亮度特性的单元203从视频显示装置200周围的亮度环境下的亮度差可辨性阈值特性计算发光亮度特性。视频信号处理单元204使用设置发光亮度特性的单元203所设置的发光亮度特性来执行灰度特性的处理和另一视频信号的处理，并且将结果输出到视频显示单元205。
如图6所示，发光亮度特性Fy是用于分配视频显示单元205的亮度步长的特性，其中10比特的每个灰度和1024步视频信号S已被转换为常用对数。发光亮度特性Fy是灰度-显示亮度的转换特性，其中对于图像灰度的每个增量的亮度感觉在预定亮度环境下可显示在视频显示单元205上的最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之间以相等间隔改变。
在中间灰度范围中，与上述GSDF特性一致，发光亮度特性Fy的基础是显示亮度的常用对数与灰度的增大成比例地增大的比例关系。在高亮度和灰度范围中，与中间灰度范围相比，被分配给灰度增量的、显示亮度的常用对数的变化量增大，以便补偿人眼辨别高亮度范围中的亮度差的能力的降低。此外，在低亮度和灰度范围中，与中间灰度范围相比，被分配给灰度增量的、显示亮度的常用对数的变化量增大，以便补偿人眼辨别低亮度范围中的亮度差的能力的降低。
关于发光亮度特性Fy，在灰度的最大值侧，所述关系逐渐偏离中间灰度范围中的灰度与显示亮度的常用对数之间的比例关系。灰度越接近最大值，偏离量变得越大。此外，在灰度的最小值侧，所述关系逐渐偏离中间灰度范围中的灰度与显示亮度的常用对数之间的比例关系。灰度越接近最小值，偏离量变得越大。
发光亮度特性根据周围光测量单元201所检测的周围亮度而改变。关于应用于明亮环境的发光亮度特性Fz，高亮度和灰度范围中的显示亮度的常用对数的变化量的增量（与中间灰度范围中的比例关系的偏离量）小于发光亮度特性Fy的该增量。发光亮度特性Fz的高亮度灰度侧的偏离比例关系的灰度范围窄于（消失（disappeared））发光亮度特性Fy的该灰度范围。
另一方面，关于应用于低光环境的发光亮度特性Fx，高亮度和灰度范围中的显示亮度的常用对数的变化量的增量（与中间灰度范围中的比例关系的偏离量）大于发光亮度特性Fy的该增量。发光亮度特性Fx的高亮度灰度侧的偏离比例关系的灰度范围宽于发光亮度特性Fy的该灰度范围。
如此，确定高亮度和灰度范围的灰度-显示亮度转换特性，并且提供中间灰度范围以及高亮度和灰度范围中的灰度间隔相等的亮度差。结果，周围亮度越高，整个图像的亮度变得越高。因此，与简单地根据周围亮度改变整个图像的亮度的情况相比，中间灰度范围以及高亮度和灰度范围中的灰度的亮度差的相等间隔的感觉极大地增加。
<发光亮度特性>
发光亮度特性Fy可通过下述方式获取，即，通过实验测量亮度差可辨性阈值特性（其为人可辨别亮度差的亮度差的亮度特性），并且基于其测量结果进行计算。如图16A所示，亮度差可辨性阈值特性表示人辨别亮度差的能力如何根据图像亮度（入射在眼睛中的光的亮度）而改变。
关于实验方法，首先使测试对象适应房间里的某一亮度。在适应状态下，将参考光和具有与参考光不同亮度的实验光投射到测试对象。调查测试对象是否可辨别参考光与实验光之间的亮度差。在这种情况下，固定参考光，稍微改变实验光的亮度，并且获取其中测试对象不能辨别亮度差的亮度作为亮度差可辨性阈值。接着，为了获取不同参考光的亮度差可辨性阈值，改变并固定参考光亮度。相似地改变实验光亮度，并且获取亮度差可辨性阈值。重复该操作，从而可获取房间里的某一亮度中的适应状态下的多个参考光亮度的亮度差可辨性阈值。
更具体地讲，按以下过程进行实验。
(1)使测试对象适应视觉上被感觉的某一入射亮度（入射在眼睛中的光的亮度）。
(2)使用能够调整发光量的光源将从该光源发射的光分离为两个光束。
(3)将被分离为两个的光的光束之一称为参考光。通过光源的发光量调整来控制其亮度值（参考光亮度值）。
(4)另一方面，将具有连续变化密度的透明滤镜（灰度ND滤镜）布置在被分离为两个的光的光束中的另一个的光路中，从而产生实验光。
(5)以没有分离的相邻方式将参考光和实验光入射到测试对象的瞳孔上。
(6)测试对象稍微移动灰度ND滤镜的位置，从而改变实验光亮度值，并且将当彼此相邻的参考光与实验光之间的亮度差不能被辨别时的亮度确定为亮度差可辨性阈值。
(7)接着，为了获取不同参考光的亮度差可辨性阈值，通过光源的发光量调整来改变并固定参考光亮度。
(8)重复(6)和(7)，从而获取亮度差可辨性阈值。
(9)最后，将每个亮度差可辨性阈值除以参考亮度值，以使其规范化，从而获取亮度差可辨性阈值对比度值。
结果，得到如图16A所示的视觉特性，在该视觉特性中，辨别亮度差的能力在屏幕的背景亮度10-1000cd/m2下高，并且辨别亮度差的能力在其外侧逐渐降低。
接着，使同一测试对象适应房间里的另一亮度（入射在眼睛中的光的亮度），并且进行类似的实验。即使参考光亮度相同，亮度差可辨性阈值也根据适应状态而具有不同的值。因此，需要在各种亮度环境（入射在眼睛中的光的亮度）下的适应状态下进行类似的实验。
因此，可获取对房间里的各种亮度的适应状态下的参考光亮度与亮度差可辨性阈值之间的关系。该关系被指定为亮度差可辨性阈值特性。
发现，如图16B所示，适应亮度根据以上实验改变屏幕上的亮度差。也就是说，在具有低光的适应亮度X下，辨别图像的亮度差的能力高，直到图像的亮度变得足够低为止。在高亮度侧，其中辨别亮度差的能力降低的图像亮度减小。另一方面，在明亮的适应亮度Z下，辨别图像的亮度差的能力高，直到图像的亮度显著增大为止。然而，在低亮度侧，其中辨别亮度差的能力降低的图像的亮度增大。
图16A中所示的亮度差可辨性阈值特性中的亮度范围A是其中某一亮度差相对于亮度的常用对数的增量被感觉到的范围。因此，以相等间隔分配灰度，从而允许确保具有某一亮度差的灰度。在亮度范围B中，图像的亮度越低，辨别亮度差的能力变得越低。因此，如果较大的“常用对数表示的亮度差”没有被分配给灰度差，则与范围A一样的亮度差的增量不能被感觉到。在亮度范围C中，图像的亮度越高，辨别亮度差的能力变得越低。因此，如果“用常用对数表示的较大的亮度差”没有被分配给灰度差，则与范围A一样的亮度差的增量不能被感觉到。
在示例3中，反映了这样的视觉特性，形成了图18A中所示的灰度-显示亮度特性Fy，并且如图6所示那样将灰度-显示亮度特性Fy分配给图像的全部灰度。
关于图16B中所示的适应亮度X、Y和Z下的亮度差可辨性阈值特性，周围亮度越高，其中亮度差可辨性阈值特性保持为某一值的范围变得越窄。也就是说，其中亮度的常用对数的相同变化量被分配给灰度并且灰度-显示亮度特性具有比例关系的范围变窄。
在示例3中，反映了这样的视觉特性，执行转换处理，以使得所检测的周围光越亮，整个灰度范围中的与比例关系的偏离的范围变得越大。
<周围光测量单元>
周围光测量单元201包括被布置为与视频显示装置200的显示单元相邻的、测量照度的传感器，并且测量视觉环境光的照度。在这种情况下，可提供利用显示视频信号的纠错电路，以便减轻环境光的误算，该误算是因为从视频显示装置200发射的光在周围物体处被反射而变为入射在传感器上所引起的。
人的适应反应相对于入射在眼睛中的亮度而发生。因此，需要从所测量的照度估计入射在眼睛中的亮度。例如，假如情形等同于观看具有反射率ρ的、以所测量的照度E均衡发散的反射板的情形，则亮度L用以下方程表示，其被称为适应亮度。
[数学式8]
L = &rho;E &pi;
这里，当环境光照度极低时，观看者甚至在低环境光照度下仔细地观看视频显示装置。因此，可认为，对于所显示的图像的亮度达到适应性，而不是对环境光照度达到适应性。因此，当环境光照度极低时，应该考虑所显示图像的亮度。在这种情况下，假如所显示图像的亮度的平均值为LDISP，则修正的适应亮度将用以下表达式表示。
[数学式9]
L = &rho;E &pi; + L DISP
此外，为了更精确地获取适应亮度，亮度传感器可作为远程控制器包括在内部，该远程控制器被认为总是被布置在观看者附近的位置处。
<亮度差可辨性阈值特性存储单元>
图15中所示的亮度差可辨性阈值特性存储单元202存储如图16B中所示的在房间里以各种亮度测量的亮度差可辨性阈值特性。
将描述存储通过上述实验获取的亮度差可辨性阈值特性的数据的方法。首先，如以下方程所表示的，指定入射在眼睛中的光的亮度LIN和亮度差可辨性阈值LD，并且将亮度差可辨性阈值除以入射在眼睛中的光的对应亮度，从而指定亮度差可辨性阈值对比度CLD。
[数学式10]
C LD = L D L IN
根据发明人的实验，绘制入射在眼睛中的光的亮度与亮度差可辨性阈值对比度之间的关系，并应用曲线，从而获取与图16A一样的曲线。该曲线的示意性形状是具有局部极小值的函数，并且是下凸的。在该图中，表示了一个局部极小值。然而，局部极小值的数量不限于一个。这里，入射在眼睛中的亮度用常用对数表示。
图16B示出入射在眼睛中的、适于各种亮度环境的光的亮度与亮度差可辨性阈值对比度之间的关系。在该图中，适应亮度X是具有低光的视觉环境光。环境越接近适应亮度Z，该环境下的亮度变得越高。如比较该图中的曲线将理解的，极小值及其位置和伸展这些曲线的进一步方式根据适应状态而规律地改变。这用四次函数的逼近来表示。
[数学式11]
CLD＝A[log10(LIN)-log10(B)]4+C
在该图中，A是确定曲线的伸展方式的系数，B是入射在眼睛中的光的、与曲线的极小值对应的亮度值，C是与极小值对应的亮度差可辨性阈值对比度值。这三个值根据环境的亮度而改变。
这里，假如对n个适应状态进行实验，根据方程4对适应状态进行拟合，从而以下述方式计算值，即，从A1计算An，从B1计算Bn，从C1计算Cn。此外，通过各个适应亮度值对这些系数进行拟合，从而允许系数A、B和C被表示为函数。
以下将描述系数A、B和C的特性以及表示这些系数的函数的示例。
系数A变为这样的值，即，适应环境光的亮度越高，表示亮度差可辨性阈值特性的曲线的伸展变得越窄。因此，如方程5所示，某一适应环境光Lm下的系数Am用关于适应环境光的线性表达式的逼近来表示，在该线性表达式中，系数是α和β。
[数学式12]
Am＝αAlog10(Lm)+βA
系数B和C表示入射在眼睛中的光的、表示曲线（其表示每种适应状态下的亮度差可辨性阈值特性）的极小值的亮度值和亮度差可辨性阈值对比度值。系数B和C形成如图16C所示的连接局部极小值的包络。适应环境光的亮度变得越高，表示亮度差可辨性阈值特性的曲线的极小值越远地移到入射在眼睛中的光的亮度较高的方向。因此，适应环境光的亮度变得越高，系数B在图16C中的包络上向右移动得越远。当包络与图16C一样单调减小时，系数C移到亮度差可辨性阈值对比度值较低的方向。因此，某一适应环境光Lm下的系数Bm和Cm用以下方程的逼近来表示。
[数学式13]
Bm＝αBlog10(Lm)+βB
Cm＝αClog10(Lm)+βC
当包络变为二次曲线时，系数Cm可用以下方程的逼近来表示。
[数学式14]
Cm＝αC[log10(Lm)-log10(βC)]2+γC
如上所述，亮度差可辨性阈值特性存储单元202使用关于适应环境光的函数对已通过使用该函数拟合亮度差可辨性阈值特性而获取的系数进一步执行拟合，并且存储这些系数。这使得可在还没有对其进行实验的适应环境光下精确地、容易地估计亮度差可辨性阈值特性。
在示例3中，亮度差可辨性阈值特性用方程4表示。然而，在需要使用更精确的亮度差可辨性阈值特性的情况下，可执行使用更复杂的多项式的拟合，并且可将相对于适应环境光的系数的改变存储为函数。
<设置发光亮度特性的单元>
设置发光亮度特性的单元203使用存储在亮度差可辨性阈值特性存储单元202中的、表示亮度差可辨性阈值特性的函数的系数A、B和C以及通过周围光测量单元201获取的所估计的适应亮度值来计算发光亮度特性。
以下将使用图17的流程图来详细描述设置发光亮度特性的单元203的操作。
如参照图15的图17所示，在步骤S1031中，当通过周围光测量单元201获取的所估计的适应亮度值被输入时，从亮度差可辨性阈值特性存储单元202读取亮度差可辨性阈值特性。这里读取的数据是用于计算上述方程5和6所表示的、表示亮度差可辨性阈值特性的曲线的系数A、B和C的函数的系数的数据。
在步骤S1032中，使用方程5和6从在步骤S1031中读取的系数计算系数AX、BX和CX。因此，获取表示方程4所表示的、适应亮度估计值LX的、入射在眼睛中的光的亮度LIN与亮度差可辨性阈值对比度CLD之间的关系表达式。
在步骤S1033中，使用在步骤S1032中获取的关系表达式来计算发光亮度特性。根据与NPL 1中所公开的DICOM的GSDF特性（灰阶标准显示函数）相同的方法来计算发光亮度特性。该方法将人在某一入射亮度下可感知的最小亮度差的单位认为是一个JND（可辨性阈值），将该单位指定为一个灰度，并且计算视频信号的所需灰度数量与发光亮度之间的关系。
仅使用方程4，计算亮度差可辨性阈值对比度。因此，然后将计算结果乘以入射亮度值，从而获取图6中所示的亮度差可辨性阈值的曲线。
此外，将某一入射亮度指定为初始值，并且将该入射亮度绘制为图5中的JNDINDEX的单位0的值。使用显示装置可将其作为初始值输出的最低发光亮度是合适的。将该入射亮度指定为起始点。读取图4中所示的亮度差可辨性阈值。读取下述入射亮度值，该入射亮度值从起始点偏离到高亮度方向，偏离量为亮度差可辨性阈值。在图5中将该值绘制为JNDINDEX的单位1的值。
接着，读取下述入射亮度值，并且在图5中将该入射亮度值绘制为JNDINDEX的单位2的值，该入射亮度值从JNDINDEX的单元1的入射亮度值偏离到高亮度方向，偏离量为亮度差可辨性阈值。重复下述计算，直到达到视频显示装置100可输出的亮度值或者必要的灰度数为止，所述计算重复相似过程、获取并绘制用于JNDINDEX的单位3、4、5、…的、入射在眼睛中的光的强度。因此，获取图5中所示的JNDINDEX与发光亮度之间的关系。结果，将JNDINDEX指定为增量，以使得亮度差的感知量变得均衡。
如上所述，计算如图18A所示的显示装置的与各个灰度值对应的发光亮度。在视频信号处理单元104中如图6所示那样将这些结果分配给各个像素的10比特灰度值0-1023，从而在视频显示装置100中形成最终的灰度-显示亮度转换特性。在示例3中，图18A中所示的特性作为发光亮度特性的查找表（LUT）输出到视频信号处理单元104。
同样，如图18B所示，计算不同适应亮度下的发光亮度特性。这里，适应亮度X表示具有低光的环境下的适应状态的情况下的发光亮度特性。到达适应亮度Z越近，适应状态的环境的亮度被表示得越高。这里结束设置发光亮度特性的单元203的处理。该处理转入视频信号处理单元204。
<视频信号处理单元>
视频信号处理单元（灰度转换器）204基于将输入的输入图像的视频信号以及通过设置发光亮度特性的单元203设置的发光亮度特性来执行信号处理，诸如图像质量调整，并且将结果输出到视频显示单元（图像显示单元）205。如图6所示，根据第一象限中所示的视频信号S-输入信号电平P转换特性将视频信号S转换为输入信号P。基于输入信号P，随后根据第二象限中所示的发光亮度特性Fy产生与亮度B对应的数据，从而使视频显示单元205以亮度B发射光。
视频信号处理单元204可使用内部包括RAM的DSP（数字信号处理器）从被作为串行数据发送的视频信号读取各个像素的灰度值，并且执行灰度转换处理进行修正，以获取其中反映了发光亮度特性的灰度值。
输入图像的以各种格式形成的图像数据可被再现为各个像素的灰度数据，并且被转换为其中反映了该示例的发光亮度特性（灰度-显示亮度转换特性）的灰度，并且可执行用于转换为一条图像数据的图像处理。在这种情况下，视频信号处理单元204和周围光测量单元201可被构造为独立于视频显示单元205的一个图像处理装置，并且可执行所述处理。
如上所述，示例3使用通过实验对各种亮度环境的适应情况获取的亮度差可辨性阈值特性（图16C）。根据此，可在视频显示装置200的整个发光亮度范围（动态范围）上再现在感知上没有断开/变形/饱和的灰度。可提供能够输出下述视频的图像显示装置，该视频具有根据各种亮度环境下的人的视觉特性的发光亮度特性。
此外，根据环境亮度变化的亮度差可辨性阈值特性可用方程11中的函数表示，并且可存储系数A、B和C，从而使得能够在未知的环境亮度下容易地计算发光亮度特性。
<示例4>
图19是示出根据示例4的视频显示装置的构造的框图。图20是示出根据示例4的设置发光亮度特性的单元的操作的流程图。图21是示出根据示例4的对发光亮度特性进行内插的方法的示图。
在示例4中，预先保存用于将图像的灰度转换为图像的显示亮度的多个发光亮度特性。从多个发光亮度特性中选择与亮度环境对应的发光亮度特性，并且使用该发光亮度特性。在示例3中，每次从亮度差可辨性阈值特性计算发光亮度特性。然而，与此相比，为了高速处理，将发光亮度特性本身保存为查找表（LUT）是有用的。
如图19所述，视频显示装置210是从计算机接收视频信号并且在屏幕上显示图像的亮度的图像显示装置。周围光测量单元211测量视频显示装置周围的观看环境光的强度。与示例3一样，从通过被布置为与视频显示装置210的显示器相邻的传感器测量的照度估计适应亮度。
与示例3一样，视频信号处理单元214执行使用图6中所示的发光亮度特性对发光亮度特性的处理以及另一视频信号的处理，并且将该信号输出到视频显示单元215。视频信号处理单元214基于输入视频信号S和通过设置发光亮度特性的单元213设置的发光亮度特性来执行信号处理，诸如图像质量调整，并且将该信号输出到视频显示单元215。
存储发光亮度特性的单元212存储与当人类适应各种环境光强度时的亮度差可辨性阈值特性对应的发光亮度特性。存储发光亮度特性的单元212存储通过实验计算的、入射在眼睛中的光的亮度以及根据示例3中所述的方法使用亮度差可辨性阈值对比度值计算的发光亮度特性。
设置发光亮度特性的单元213设置与视频显示装置210周围的观看环境光对应的发光亮度特性。设置发光亮度特性的单元213从存储发光亮度特性的单元212读取与通过周围光测量单元211获取的所估计的适应亮度值对应的发光亮度特性，并且设置这些发光亮度特性。将参照图20的流程图来详细描述设置发光亮度特性的单元213的操作。
如参照图19的图20所示，在步骤S2031中，基于周围光测量单元211从存储发光亮度特性的单元212获取的所估计的适应亮度值来读取与其匹配的适应亮度下的发光亮度特性的查找表（LUT）。如果匹配数据存在（在S2032中为是），则输出所读取的发光亮度特性，并且结束所述处理。
然而，与适应亮度匹配的发光亮度特性的数据不一定存在。因此，没有这样的匹配数据的情况下（在S2032中为否），依次读取通过周围光测量单元211测量的相对于适应亮度Z的与亮和暗方向最类似的每个数据。在步骤S2033中，读取两个发光亮度特性的查找表（LUT），根据从已读取的两种适应环境下的发光亮度特性的线性内插来估计未知的适应亮度Z下的发光亮度特性。
如图21所示，所提供的是，如示例3中所述那样与输入信号的10比特灰度对应地相对于适应亮度X和适应亮度Y测量并存储发光亮度特性。这里，考虑通过周围光测量单元211所测量的照度估计的适应亮度Z是适应亮度X与适应亮度Y之间的值的情况。然后考虑获取某一视频信号值S中的发光亮度的情况，并且将适应亮度X和适应亮度Y下的发光亮度分别指定为EX和EY。根据此，适应亮度Z下的发光亮度Ez可用以下方程获取。
[数学式15]
E Z = ( E Y - E X ) &times; log 10 ( Z - X ) log 10 ( Y - X )
此外，使用方程8执行对整个视频信号值的相似计算。因此，可创建未知的适应亮度Z的视觉环境下的发光亮度特性的查找表（LUT）。输出所创建的发光亮度特性表，并且结束设置发光亮度特性的单元213的处理。
这里，视觉环境下的发光亮度特性通过内插来估计。因此，可准备具有最低光的亮度环境下的实验数据和最亮的亮度环境下的实验数据。然而，在比之前实验中的最低适应亮度暗的情况和在比之前实验中的最高适应亮度亮的情况中的一种情况下，所述特性可通过外插来获取。
不估计发光亮度特性，而是提供阈值，然后如果亮度在该阈值内，则可代替其使用最接近适应亮度的存储数据的适应亮度。如果存储了多种适应环境下的实验数据，则无需步骤S2032中的估计，从而使得可更快地执行所述处理。
到此为止，结束设置发光亮度特性的单元213的处理。所述处理转入视频信号处理单元214。
在示例4中，使用了示例3中所述的计算发光亮度特性的方法，并且预先计算、存储并保存发光亮度特性的查找表（LUT），从而使得能够更快地执行所述处理。
<常用对数>
图25A至图25C是示出使用常用对数的原因的示图。
图25B和图25C示出相对于图25A中所示的示例3中的相对于灰度-显示亮度转换特性（301）的坐标的实数表示。图25C是其中图25B被部分放大的示图。每个示图示出Weber-Fechner线性方程（300）和基于其的DICOM的GSDF特性（305）。
在图25B和图25C中所示的实数轴表示中，难以使三种函数彼此区分开。与图25A相反，不能直观地将三种类型的转换特性彼此区分开。如NPL 1所述，根据使用常用对数对显示亮度的估计，显示亮度的常用对数与亮度感觉的增量之间的比例关系出现在中间灰度范围中。
然而，在理论上和实验上识别三种函数之间的差别之后，容易用实数轴表示来创建近似表达式和操作示例3的灰度-显示亮度转换特性（301）。图像显示装置可使用将显示亮度的实数值分配给灰度值的灰度-显示亮度转换特性。可通过表示与常用对数相似的视觉特性的曲线y=xn(n=0.3)，基于另一运算方程来创建具有与示例3的效果类似的效果的灰度-显示亮度转换特性。
因此，本发明不限于通过使用常用对数的运算来创建灰度-显示亮度转换LUT的示例。相反，本发明包括使用利用另一运算方程和实数值获取的灰度-显示亮度转换LUT的转换处理。所述运算可被使用数据表格的数据转换、至少两个函数的内插运算以及使用与常用对数类似的函数和近似表达式的运算中的任何一个取代。在任何情况下，本发明包括能够获取灰度-显示亮度转换特性的示例，类似于使用通过使用常用对数的运算而创建的转换方程的示例。
本申请要求于2009年11月27日提交的日本专利申请No.2009-270631和于2009年11月27日提交的日本专利申请No.2009-270632的权益，这些日本专利申请的全部内容特此通过引用并入本文。

Claims (14)

1.一种图像显示装置，包括：
显示单元；和
灰度转换单元，用于进行根据预定转换特性将输入图像的灰度与所述显示单元的显示亮度相关的转换处理，其中，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得当基于常用对数估计所述显示单元的显示亮度时，在高亮度和灰度范围中，随着所述输入图像的灰度朝向最大值增大，与所述输入图像的灰度变化对应的、所述显示单元的基于常用对数的显示亮度的变化增大，从而偏离中间亮度和灰度范围中的所述输入图像的灰度与所述显示亮度之间的关系。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得在低亮度和灰度范围中，随着所述输入图像的灰度朝向最小值减小，与所述输入图像的灰度变化对应的、所述显示单元的基于常用对数的显示亮度的变化增大，使得偏离中间亮度和灰度范围中的所述输入图像的灰度与所述显示亮度之间的关系。
3.根据权利要求2所述的图像显示装置，其中，
所述灰度转换单元在所述中间亮度和灰度范围中局部地执行所述转换处理，以增大与所述输入图像的灰度变化对应的、所述显示单元的基于常用对数的显示亮度变化。
4.根据权利要求3所述的图像显示装置，还包括：
环境光测量单元，用于测量周围光，其中，
随着周围光增加，在中间亮度和灰度范围中，所述灰度转换单元执行所述转换处理，以抑制所述显示单元的基于常用对数的显示亮度变化的局部增大。
5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得最大灰度值对应于所述显示单元可显示的最大亮度值。
6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，
中间灰度范围中的所述输入图像的灰度与所述以常用对数表示的显示亮度之间的关系基于比例关系，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得当基于常用对数计算的视觉上可辨别的亮度差被定义为可辨性阈值亮度时，最大灰度值与最小灰度值之间的多个灰度与按所述可辨性阈值亮度的相等间隔的显示亮度值相关。
7.一种图像处理装置，包括：
灰度转换单元，用于根据预定转换特性将输入图像转换为将显示在预定显示单元上的图像，以将输入图像的灰度与显示单元的显示亮度相关，其中，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得当基于常用对数估计显示单元的显示亮度时，在高亮度和灰度范围中，随着所述输入图像的灰度朝向最大值增大，与所述输入图像的灰度变化对应的、所述显示单元的基于常用对数的显示亮度变化增大，以便偏离中间亮度和灰度范围中的所述输入图像的灰度与所述显示亮度之间的关系。
8.根据权利要求1所述的图像显示装置，还包括：
环境光测量单元，用于测量周围光，其中，
随着周围光增加，在高亮度和灰度范围中，所述灰度转换单元执行所述转换处理，以抑制所述显示单元的基于常用对数的显示亮度的变化的增大。
9.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得随着所述输入图像的灰度朝向最大值增大，与所述输入图像的灰度变化对应的、所述显示单元的基于常用对数的显示亮度的变化增大，使得偏离中间亮度和灰度范围中的所述输入图像的灰度与所述显示亮度之间的关系，并且
随着周围光增加，所述灰度转换单元执行所述转换处理，以抑制高亮度和灰度范围中的与所述关系的偏离。
10.根据权利要求9所述的图像显示装置，其中，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得随着所述输入图像的灰度朝向最小值减小，与所述输入图像的灰度变化对应的、所述显示单元的基于常用对数的显示亮度的变化增大，使得偏离中间亮度和灰度范围中的所述输入图像的灰度与所述显示亮度之间的关系，并且
随着周围光增加，所述灰度转换单元执行所述转换处理，以增大低亮度和灰度范围中的与所述关系的偏离。
11.根据权利要求10所述的图像显示装置，其中，
随着周围光增加，所述灰度转换单元执行所述转换处理，以增大整个亮度和灰度范围中的与所述输入图像的灰度和所述显示亮度之间的关系的偏离。
12.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得最大灰度值对应于所述显示单元可显示的最大亮度值。
13.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中，
中间灰度范围中的所述输入图像的灰度与以常用对数表示的显示亮度之间的关系基于比例关系，
所述灰度转换单元执行所述转换处理，以使得当基于常用对数计算的视觉上可辨别的亮度差被定义为可辨性阈值亮度时，最大灰度值与最小灰度值之间的多个灰度与按所述可辨性阈值亮度的相等间隔的显示亮度值相关。
14.根据权利要求7所述的图像处理装置，还包括：
环境光测量单元，用于测量周围光，其中，
随着周围光增加，在高亮度和灰度范围中，所述灰度转换单元执行所述转换处理，以抑制所述显示单元的基于常用对数的显示亮度的变化的增大。
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