JP2005328386A - ホワイトバランス補正回路の設定システム及び方法、該システムに使用するｌｓｉ回路、及び液晶テレビ - Google Patents

Abstract

【課題】１０ビット級のガンマテーブルと組み合わせて、高速、高精度なホワイトバランス校正・設定を、実用的な時間コストの元で実現する。
【解決手段】色彩理論を応用して液晶ディスプレイに表示するＲＧＢ値と表示ＸＹＺの関係式を計算式（モデル）としてコンピュータ上に形成して、この式と、表示したＲＧＢ値に対応して実際に測定したＸＹＺを利用して、ニュートン法に基づき、表示された色に対応するＲＧＢ値Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１と補正すべき量ΔＲ、ΔＧ、ΔＢを求め、これをベースにループを形成して誤差を最小化するように追い込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、モデルにマッチする発色性能を有する液晶ディスプレイのホワイトバランスの調整方法にかかわる。
ここでモデルとは、コンピュータ等の装置上に形成した液晶ディスプレイの発色予測式のことを言う。もちろんソフトウエアでコンピュータの上に構成したものだけでなく、ハードウエア回路で構成したものや、テーブルで構成したものなど、発色予測式の概念を用いる実現方法を包括的にすべて含む。

一般に液晶ディスプレイの白色色度はグレーレベルによって変動し、たとえば図９のように変化する。この図では横軸がグレーレベルであり、ＲＧＢ各信号は、０≦Ｒ＝Ｇ＝Ｂ≦２５５としている。また縦軸は、ｘ−ｙ色度図におけるｘ、ｙ値である。これをｘ−ｙ色度図で見ると、図１０のごとくなる。この様子はたとえば、非特許文献１に発表されている。

何も処理をしていない液晶ディスプレイがこのような性能を有するのに対し、テレビやパソコン用のモニタでは、画質やカラーマネージメントの観点からホワイト点はグレーレベルに依存せず一定であることが望まれている。
これは、たとえばテレビでは、Ｒ＝Ｇ＝Ｂは白と定義して放送されているにもかかわらず、表示時にＲ＝Ｇ＝Ｂの値に応じて白の色が変動したのでは、放送で意図したのとは異なる画像が表示されてしまう問題があるからである。このことは、非特許文献２にも液晶テレビの画質上の課題として指摘されている。

また、パソコン用のモニタではカラーマネージメントが重要であるが、Windows（登録商標）やMAC（登録商標）などのＯＳに含まれるカラーマネージメントモジュールでは、ディスプレイの白色色度はいかなるＲ＝Ｇ＝Ｂの信号に対しても一定であるということを色彩理論的な前提として要求しているため、液晶ディスプレイでも、Ｒ＝Ｇ＝Ｂの信号に対しては、信号値に依存せず、一定の色度の白が表示されない限り、カラーマネージメントモジュールの動作自体が保証されなくなる問題がある。

ここでカラーマネージメントとは、使用者がディスプレイ上に表示したいと思う色を、正確に表示することを言う。パソコン用モニタでカラーマネージメントが実現されていないと、たとえばインターネットを用いた商品購入などの際、販売者が意図した色とディスプレイに表示された商品の色が異なるといった問題を引き起こす。このため、購入者が実際に購入した商品とディスプレイに表示された色が異なり、返品等を生じて経済的損失をもたらす問題がある。

このような性能を満足する液晶の性能の例を、図９に比較して図１１に示す。ここでは、ｘ＝０.２７２、ｙ＝０.２７７を目標とする値にする場合の例を示している。ｘやｙの目標とする値自体はユーザーの好みに応じて変更することは差し支えないが、図９に比較したこの図１１のように、横軸のグレーレベルに依存せず、ｘ、ｙ値ともに、目標とする値で一定でなければならない。

実際の液晶ディスプレイは、従来はこのようにはならず、図９のようになっていたために、テレビ、パソコン用のモニタ、いずれに対しても課題があった。
この課題について独自の解釈のもとに報告したものとして、非特許文献３がある。非特許文献３では、この課題を、上記、カラーマネージメントモジュールの要求に違反するディスプレイでカラーマネージメントの精度（どの程度の正確さで表示したい色を表示することができるか）をどの程度確保できるかという側面から捕らえ、図１２のようにＲＧＢ各チャンネルに各々独立に挿入されたガンマテーブル１２，１３，１４を調整することで、もともとの液晶ディスプレイ１５の白色色度が信号値に応じて変化したとしても、パソコン用モニタとして必要なカラーマネージメントの性能は達成できると報告されている。
田村徹，"液晶ディスプレイの色再現特性―階調による色度変化―"，田村徹，映像情報メディア学会誌，Vol.52, No.10，pp.1527-1529, Oct. 1998 "日経マイクロデバイス"，２００４年５月号 Yukio.Okano: "Color Reproductions Varying the Input Level on a Liquid Crystal Display" Proc. Color Imaging Conf. 7, pp.233-237 (Oct. 1999)

しかし非特許文献３は、Windows（登録商標）のＯＳに対し、ガンマテーブルデータを液晶モニタメーカーが配布提供することで、パソコン用モニタとしては一定のカラーマネージメント性能を得ることができることを報告したのみで、液晶テレビについては何も言及していない。

特に、近年の液晶テレビにおいては、カラーマネージメント全般の性能ではなく、ホワイトバランスを如何に正確に実現するかが重要であるにもかかわらず、液晶テレビのホワイトバランス要求という側面からは何も述べていない。また、ガンマテーブルのデータを算出する方法やその全体システムについては何ら述べていない状況である。

また、パソコン用モニタと違い、液晶テレビでは、出荷時に一台一台、ホワイトバランスを調整する。したがって、調整に要する設定時間は、経済的に大きなインパクトを与える要因になる。特に、高画質化が要求されつつある昨今、現在主流であるものの疑似輪郭が見えることが報告されている８ビット（文献：Y.Yoshida, Y.Yamamoto：“High Quality Imaging System”, International conference on Digital Image Capture and Associated System, Reproduction and Image Quality Technologies, Portland OR, USA, April 2002）より多くのビット数を用いる処理回路が実現されようとしており（文献：Y.Yoshida, Y.Yamamoto：“Beyond 8 bits LCD Imaging System”, SID Conference 2002, Boston MA, USA, May 2002）、このような状況では如何に効率よく、また精度よく、ホワイトバランス校正を行うかが大きな課題となる。

たとえば、回路のビット数を増加させるとガンマテーブルの容量も増える。１０ビットの処理を行うとすると、テーブル容量は８ビットの時の４倍に増えテーブル計算やデータの転送に時間を要する。また高画質を目標とする以上、目標とする最終調整精度を向上する必要がある。単純な換算でも目標精度を４倍にできることから、測定や検証の繰り返し回数が増加することが予想される。

このことは、たとえば８ビット回路を１０ビット回路に変更して高画質を実現しようとすると、４倍の回路規模を必要とすること以外に、ホワイトバランス処理だけでも、従来比４×４＝１６倍相当の時間コストを必要とすることを表している。従来のホワイトバランス処理技術をそのまま１０ビット級の回路に用いたのでは、高画質が実現できたとしても１６倍の時間コストがかかってしまうことになり、とても実用的なものとは言い難い。

本発明はこのような課題を解決し、１０ビット級のガンマテーブルと組み合わせて、高速、高精度なホワイトバランス校正・設定を、実用的な時間コストの元で実現することを目的とする。

第１の技術手段は、ディスプレイの発色モデルに合致した補正信号を発生する補正ユニットと、ディスプレイの発色を計測して補正ユニットにフィードバックするフィードバックユニットとを有することを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、発色モデルに合致する発色性能を有するようにディスプレイの発色性能を補償する回路を有することを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第１の技術手段において、テストモードを持ち、テストモード時にはＲＧＢ一チャンネル当たり各１０ビットの信号入力ピンが得られるようにしたことを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１の技術手段において、レジスタからデータを与えることで８ビットより多階調の信号を発生することができる信号発生器をもつことを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第１の技術手段において、８ビット回路でありながら１０ビット相当の階調性を生む階調性拡大回路を持つことを特徴としたものである。

第６の技術手段は、第１の技術手段において、面積階調技術を用いて８ビットより多階調の補正信号を生成することを特徴としたものである。

第７の技術手段は、第１の技術手段において、フィードバックユニットを用いたループ演算による校正時間を短縮するために、フィードバックを行うための初期設定値に対する最終設定値の誤差の極大値、及び極小値に測定点を選ぶことを特徴としたものである。

第８の技術手段は、第１の技術手段において、フィードバックユニットを用いたループ演算による校正時間を短縮するために、フィードバックを行う値を求める関数演算のうち液晶テレビのガンマを近似する部分をルックアップテーブルを用いることを特徴としたものである。

第９の技術手段は、第１の技術手段において、フィードバックユニットを用いたループ演算による校正時間を短縮するために、フィードバックを行う値を求める関数演算のうち液晶テレビのガンマを近似する部分を、液晶テレビのＲ、Ｇ、Ｂ各チャンネルのガンマ特性にあわせるように、各チャンネル毎に別々の関数を用いることを特徴としたものである。

第１０の技術手段は、第１の技術手段において、フィードバックユニットを用いたループ演算による校正を安定して行うために、算出した設定信号を１以下の係数倍することを特徴としたものである。

第１１の技術手段は、第１の技術手段において、ディスプレイの表面反射が最低輝度に比較して無視できるような暗室環境に設置したことを特徴としたものである。

第１２の技術手段は、ディスプレイに表示するＲＧＢ値と表示ＸＹＺの関係式を計算式（モデル）としてコンピュータ上に形成して、表示したＲＧＢ値に対応して測定機から得られたＸＹＺをモデル上でＲＧＢ値に変換し、実際にディスプレイに印加したＲＧＢ値と比較して補正すべきΔＲ、ΔＧ、ΔＢを求め、もともと表示したＲＧＢにこれを加算してホワイトバランステーブルのＲＧＢアドレス上の値とすることを特徴としたものである。

第１３の技術手段は、第１２の技術手段であって、測定したＸＹＺから得たｘｙ色度が目標とする色度を中心にして設定した誤差許容範囲になるかどうかを判断し、誤差許容範囲内にない場合には、先にテーブルに設定した値を出発値として再度請求項１２記載の処理を行い、誤差許容範囲内に入るまでこの処理を継続するようにしたことを特徴としたものである。

第１４の技術手段は、視聴環境に応じてガンマテーブルを切り替えるようにしたことを特徴としたものである。

第１５の技術手段は、第１４の技術手段において、外光センサを有し、照明の種類や明るさに応じて自動的にガンマテーブルを切り替えるようにしたことを特徴としたものである。

本発明によれば、１０ビット級のガンマテーブルと組み合わせて、高速、高精度なホワイトバランス校正・設定を、実用的な時間コストの元で実現することができる。

本発明は、主として回路を８ビットより高階調化した高画質液晶テレビの出荷時のホワイトバランス校正に焦点をあて、次の５つの要素の組み合わせで実現される。１）モデルにマッチするように液晶の発色動作を補償する動作補償ユニット、２）モデルからのずれに対応する補正量を算出する補正ユニット、３）ガンマテーブル、４）モデルからのズレを測定把握し、また、補正の結果を検証するフィードバックユニット、５）対象とする液晶ディスプレイ、である。以下、従来の例は主として８ビットで説明し、本発明の説明は主として１０ビットで説明するが、これに限定されるものではなく、１１ビット以上のテレビや、８ビットの従来液晶テレビに本発明を適用することも可能である。

＜基本動作の説明＞
本発明の構成を図１に示す。図１において、１は動作補償ユニット、２は補正ユニット、３はガンマテーブル、４はフィードバックユニット、５は液晶ディスプレイである。これらのうち、動作補償ユニット１、ガンマテーブル３は液晶テレビ用ＬＳＩに含まれる回路である。この構成図に従って、まず概略動作を説明する。

このシステムは、全体として、ガンマテーブル３を、液晶ディスプレイ５について、ホワイトバランスの観点から、高速に最適化するよう動作する。まず補正ユニット２が動作に必要な各種初期設定を行う。このときガンマテーブル３は初期設定され、出力＝入力 となる。次に補正ユニット２から表示信号が出力され、その信号はガンマテーブル３、動作補償ユニット１を経て、対象となる液晶ディスプレイ５に表示される。このとき表示された色彩をフィードバックユニット４で計測し、この値を補正ユニット２に取り込んで、補正ユニット２内でガンマテーブル３に設定されるべき設定値を演算する。これを別途定める必要回数だけ繰り返し、最終的にガンマテーブル３に値を設定して終了する。

次に動作の詳細を説明する。まず動作補償ユニット１は、文献：Y.Yoshida, Y.Yamamoto：“Precise Color Characterization Model for LCD and It’s Evaluation of Applicability”, 映像情報メディア学会誌,Vol.56, No.8, pp.1279-1290, August 2002 に述べられているような液晶ディスプレイの複雑な発色性能を、単純な性能に補償するように動作する。一言で言うと、液晶ディスプレイの発色を、発色＝Ｆ（Ｒ、Ｇ、Ｂ）と記述せざるを得ないタイプから、発色＝Ｆｒ（Ｒ）＋Ｆｇ（Ｇ）＋Ｆｂ（Ｂ）と記述できるタイプに変更するユニットである。このような例として、特願※※，上野雅史他，“クロストーク解消回路”や、特願※※，近藤尚子，“カラーマネージメント回路”がある。上野や近藤も述べているように、液晶の発色は複雑であり、ＣＲＴのように単純に加法性を満足するものではない。

そこでこのユニットを上野や近藤が述べているような方法で実現することにより、調整すべき項目をＲＧＢの３変数を対象とする関数Ｆから、ＲＧＢそれぞれ一入力を対象とするＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂの３つにする。つまり、発色が、発色＝Ｆｒ（Ｒ）＋Ｆｇ（Ｇ）＋Ｆｂ（Ｂ）という加法式で記述できるように補償する。

これにより、すべての色についてモデルにマッチするように液晶の発色動作を補償するとして、その探索対象をＲ＊Ｇ＊Ｂ通りの組み合わせから、Ｒ＋Ｇ＋Ｂ通りの組み合わせに減ずることができるメリットを生む。たとえば１０ビット回路では、Ｒ＊Ｇ＊Ｂ＝１０＾９通りから、わずか３０００通りに減ずることができる。結果的に探索対象を減らすことで、高速なホワイトバランス設定が可能になるメリットがある。

なお動作補償ユニット１は、上野や近藤の発明を参照するものとし、ここでは詳細は述べない。演算が比較的複雑になるため、ソフトウエアで実現するのが容易ではあるが、本発明が対象とする出荷時のホワイトバランス校正時間を短縮する意図から見ると、ソフトウエアで実現するよりハードウエアで実現して、ＬＳＩに含めた構成とする方が実用性が高いことは明らかである。

次に補正ユニット２とフィードバックユニット４の動作について説明する。まず補正ユニット２は、Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂをそれぞれ求めるユニットである。Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂは各々ＲＧＢを入力とする関数であり、図１２のＲＧＢ各チャンネルに独立に挿入したガンマテーブルで実現可能である。以下本発明では、高画質化の観点からこれらのガンマテーブルのビット数を増加したとしても、短い調整設定時間で満足な性能を得ることができるようなホワイトバランス調整方法を提供するという観点から説明する。

フィードバックユニット４は、液晶ディスプレイの表示色を把握する測定装置で構成される。フィードバックユニット４では、液晶ディスプレイ５に印加されるＲ＝Ｇ＝Ｂ値に応じたディスプレイの発色値を測定する。この出力はたとえばＸＹＺ形式であり、前記補正ユニット２に導かれる。ここでは市販の測定器を用いるほか、特願2000−358791，山本洋一他，“透過型液晶表示装置および画像処理方法”の発明を液晶ディスプレイ自体に適用して、表示色測定センサを一体化することも可能である。

このとき、発色は図１２に示したガンマテーブルを通った信号について行われるので、各ユニットはこのガンマテーブルを校正する一連の手順のもとで動作することになる。そこでこの一連の手順について説明しつつ、補正ユニット１の動作を説明する。
一連の手順は、初期設定後、フィードバックユニット４から得られた液晶ディスプレイ５の発色値を指標として、これが目標とする色度点、あるいはその色度点を中心としてあらかじめ設定した誤差範囲に収まるまで、繰り返し、表示、測定、計算のループを繰り返す、一種のフィードバックループをなす。

以下、フィードバック動作について説明するが、そのまえに、フィードバックを行うために必要な初期設定を行う。このときの動作を図２に示す。
初期設定では、
１）計算に必要な各種係数の決定、
２）ガンマテーブルの設定、
を行う。

まず、計算に必要な３×３マトリクスを求める（Ｓ１）。赤青緑それぞれ単色最大値の信号を印加して液晶ディスプレイを発色させ、その発色ＸＹＺをフィードバックユニット４から得て次の演算を行う。たとえば赤緑青を光らせたときのＸＹＺを、添え字ＲＧＢをそえてＸｒ、Ｙｒ、Ｚｒなどとすると、

これを用いると、このディスプレイのある色の測定値がＸＹＺ値であるとき、その色を発色させるＲＧＢ値は、

であると求めることができる。この詳細は後述する。つまり、この式は液晶ディスプレイの発色モデルであるといえる。
Ｃｎの実際の値は、たとえば、ある液晶ディスプレイでは、

となった。
次に、設定すべき白色色度をｘ０、ｙ０とし、ｒ０、ｇ０、ｂ０を求める（Ｓ２）。

また、定数Ｃ０を求める（Ｓ３）。
Ｃ０ ＝ １０２３＾２.２ （式５）

以上の計算は、ホワイトバランス校正対象とする液晶テレビ毎にすべてについて毎回求めても良いが、高速化のためには、あるモデルなど、製品として同じ特性を示すであろう群については、その群を単位として、あらかじめ求めた設定値を共通して用いることにしても良い。

次に、Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂ各ガンマテーブルの出力値として、出力＝入力を設定する（Ｓ４）。これは、ホワイトバランス校正を行う液晶テレビ毎に毎回行う。
これらの初期設定の後、フィードバック動作に入る。フィードバック動作では、次のループを行う。
Ｒ＝Ｇ＝Ｂを表示してＸＹＺを得（Ｓ５）、ＸＹＺから得られる色度が目標とする色度点、あるいはその色度点を中心としてあらかじめ設定した誤差範囲に収まっているかどうかを比較し（Ｓ６）、収まっている場合は終了とし（Ｓ７）、収まっていない場合は次の式（６）による演算を行って（Ｓ８）、この値を再度表示して（Ｓ９）、ＸＹＺを得（Ｓ１０）、これが目標と合致しているか再度比較を行う（Ｓ６）。このループを繰り返し目標に合致するまで続ける。

表示値 ＝ （Ｒ＋ΔＲ、Ｇ、Ｂ＋ΔＢ） 式（６）
ここに、

また、Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１は、手順（Ｓ５）などで測定したＸＹＺに対応して都度式（２）を利用して求めた値である。

以上が補正ユニット２とフィードバックユニット４の動作であり、たとえば１０ビットのガンマテーブルを用いる場合には、０―１０２３すべてのＲ＝Ｇ＝Ｂの値に対し、上記手順（Ｓ５）―（Ｓ１０）を行う。

そして、図２の処理によって、０―１０２３のすべてのＲ＝Ｇ＝Ｂに対応して求めた最終的な表示値を、図１に示したＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂの各ガンマテーブル３のＲ＝Ｇ＝Ｂ番地に焼きこむことで（Ｓ１１）、ホワイトバランステーブルＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂを得る。

図２の処理において、初期設定の他、補正ユニットで実際のフィードバックループをなす手順（Ｓ６）〜（Ｓ８）の操作は、コンピュータなどの上にソフトウエアで構成するのが実用的でよい。

次にこれらの式（１）〜（７）の理論的な意味合いについて説明し、色彩学的、数学的な側面からこの発明の特徴を明らかにする。
本発明は、モデルにマッチする発色性能を有する液晶ディスプレイのホワイトバランスの調整を、コンピュータ等の装置上に形成した液晶ディスプレイの発色予測式を用いて短時間で行うことができるようアルゴリズムを構成したことが特徴である。つまりそのポイントは、発色モデルをコンピュータ上にどのように形成するか、またそのモデルを用いてどのようにしてホワイトバランスを追い込んでいくか、となる。

本発明では、液晶ディスプレイは加法性が成り立つと仮定して、各種のモデルを用いているものの、加法性が成り立たない液晶ディスプレイもあるので、加法性を保証する回路として特に動作補償ユニット１を用いている。
そして、式（２）などに述べる発色モデルにもとづく計算式を利用して、ホワイトバランスのループを行う。ループは、テイラー近似を用いたニュートン法にしたがって進められる。

各式の説明を行う。
式（１）、（２）は、先に述べたようにディスプレイの発色のモデルであり、加法性が成り立つディスプレイではよく成立する。つまり、下記のごとくである。
１．ディスプレイでは、各原色の色度がＲＧＢ値に依存せず不変であるので、比例則（三原色それぞれについて測定した三刺激値が、各原色の任意の値に対して比例関係にあること）が成り立つ。よって、たとえば赤について、任意のＲ（ＣＶｒ）（ただし、(Ｒ：Ｇ：Ｂ＝ＣＶｒ：０：０)） を入力して測色計で測定した赤原色の三刺激値を（ＸＹＺ）_R（CVr）とするとき、次の係数（ｋ_Xｋ_Yｋ_Z）：

は任意のＣＶｒ＝０〜１０２３に対して不変である。

２．一方加法則が成立するとき、任意の色Ｗについて測定した三刺激値（ＸＹＺ）_Wは、三原色に分解して測定した三刺激値ＸＹＺ_R,G,Bの和で表せるので、

式（８）、（９）より、任意ＣＶに対応する色Ｗの発色三刺激値（ＸＹＺ）_Wは、

で求められる。Ｍ₁は、式(８)の記述を利用すると、

で示される３×３色変換マトリクスである。k は比例常数である。
式（１０）と式（２）を比較すると、行列演算が左右逆の関係にあるものの、結果は同様である。つまり、ディスプレイで比例則、加法則が成り立つとして求めた発色式（１０）が、先の式（２）であるといえ、そのマトリクスは理論的には式（１１）で求められ、実際には式（１）で示した方法で求めることができるものである。本発明では、このモデルを基本のモデルとして用いている。

次に式（３）は、式（１）や式（１１）で求めたマトリクスを、白色の目標とする色度座標に適用したもので、いわば、ディスプレイのＲＧＢ表色系における目標の白色色度をモデルを用いて求めたものといえる。

次に式（７）について説明する。
式（７）は、ニュートン法を用いて目標とする白色色度と実際に表示された色度の差を最小化する最適演算を行うために、ガンマ関数をテイラー近似した式である。
関数ｆ（ｘ）のテイラー近似は、良く知られているように、
ｆ（ｘ）＝ｆ（ａ）＋（ｘ−ａ）＊ｆ’（ａ） 式（１２）

本発明では、関数ｆとして、テレビのガンマ関数を仮定し、これを次のように変形している。

ここでｘを、目標とする白色色度をモデル化したディスプレイのＲＧＢ表色系におけるＲＧＢ値、またａを、実際に表示された色度をモデル化したディスプレイのＲＧＢ表色系におけるＲＧＢ値とすると、右辺のｘ−ａで、ディスプレイのＲＧＢ値表色系におけるＲＧＢ値それぞれの補正量が直接求まる。
つまり、式（７）は、目標とする白色と表示された白色のｘ、ｙそれぞれの色度誤差を、式（２）を用いて一旦ＲＧＢの差に変換し、ｘ、ｙの誤差を最小化する補正量をニュートン法によって求める式であるといえる。

簡単のため、Ｒのチャンネルを例にとって具体的に説明する。
式（７）のｒ０／ｇ０は、ディスプレイのＲＧＢ表色系における目標の白色色度であるから、すべてのＲＧＢ値に対して一定で、

であるので、式（７）は、

と変形できる。ここに、Ｒｆ、Ｇｆ、Ｂｆは、ディスプレイのＲＧＢ表色系において目標の白色色度を得る、最大振幅の表示値であると考えると理解しやすい。
式（１５）の括弧の中は、第２項は、値ＲＧＢを表示したときに測定したＸＹＺから、式（２）を利用して求めたＲ１である。また第１項は、表示値ＲＧＢに対応して、ディスプレイのＲＧＢ表色系において目標の白色色度を得るための計算で、緑チャンネルの値Ｇ１の最大振幅Ｇｆに対する信号振幅比Ｇ１／ＧｆをもとにＲｆを分割して求めた値で、いわば緑チャンネルの輝度を変化させないようにこれを基準として求めたＲのあるべき数値であるといえる。

つまり括弧の中は、これらの、測定値から求めたＲ１と、あるべきＲの数値の差であり、式（１３）でいうと、左辺分子のｆ（ｘ）−ｆ（ａ）に相当する。
さらに、括弧の外で係数倍して、補正すべきΔＲを求めている。この係数の意味について説明する。

まず、分子のＣ０は、式（１０）や式（１１）の定数ｋに相当し、式（８）のＣｖの最大値が１０２３であることから、式（５）の様に求まる。値としては、４１８５２９８になる。
分母の２.２＊Ｒ＾１.２は、テレビのγを２.２であると仮定して、Ｒ＾２.２を微分して求めたもので、式（１３）のｆ’（ａ）に相当する。
これらの係数は、いずれもテレビのγが２.２であることに基づいており、

となる。結局ΔＲは、

となる。
液晶ディスプレイの実際のガンマが２.２と異なるときは、１９０２４０８や１.２といった数値を変化させる必要がある。また、８ビットの場合には、Ｃ０は１９６９６５となる。
ガンマが単純なべき乗関数として記述できない場合は式（７）右辺第１項分母はＲ＾１.２と記述できない。この場合は分母全体をあらかじめ計算して求め、ルックアップテーブルなどで実現するなどの対応をとる。
また、この説明ではＲチャンネルを例に説明したが、ＢチャンネルやＧチャンネルについても同様である。チャンネル毎にガンマが異なる場合はチャンネル毎に実際の状況にあわせた関数を用いることが望ましい。これらにより校正の高速化が期待できる。

最後に式（６）で、式（１７）等のΔＲ、ΔＢをもとのＲの値に加算することで、モデル上でガンマテーブルのあるべき値を求めている。

以上のように、本発明の方法は、色彩理論を応用して液晶ディスプレイに表示するＲＧＢ値と表示ＸＹＺの関係式を計算式（モデル）としてコンピュータ上に形成して、この式と、表示したＲＧＢ値に対応して実際に測定したＸＹＺを利用して、ニュートン法に基づき、表示された色に対応するＲＧＢ値Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１と補正すべき量ΔＲ、ΔＧ、ΔＢを求め、これをベースにループを形成して誤差を最小化するように追い込んでいく方法であるといえる。

この動作では、式（７）やその元となる式（２）が、Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂをもちいたモデルに即した色彩学的な最適求解式になっているため、式（６）で求めた表示値は、理論的には最適表示値となり、実際のディスプレイでも最適値に近い予測値になる。そのため、一度演算を行って表示すれば、多くの場合、目標とする白色色度に極めて近い色度が得られる。未だ許容する範囲に入っていない場合は再度ループを繰り返すことになるが、場当たり的に次の表示値を求めては検証するループを繰り返すといった総当たり式ホワイトバランス校正に比較して、本発明の方式ではループ回数を減ずることが可能となり、高速にガンマテーブル設定を行ってホワイトバランス校正を行うことができる利点がある。

また、これにより、ガンマテーブル回路を１０ビットにした場合にさえ実用的な時間内でホワイトバランス校正が可能になり、１０ビット化の結果として当然のこととして生ずるホワイトバランスの高精度化とあいまって、高画質を現実可能な低コストで実用化することが可能となる。

なお上記の説明では、解の最適性を保証するためテイラー近似によるニュートン法を利用しているが、本発明のポイントは、ｘｙの誤差をモデルを利用してＲＧＢの誤差として取り扱うことと、その最小化を理論的に保証する演算を行うことの組み合わせにあるので、求解法としてのニュートン法にこだわる必要はなく、同様の目的を達する他の同様の理論的最適性を保証できる近似法を使用してもかまわない。

＜校正時間をより短くする工夫＞
これまでの説明では、ループの演算は、０−１０２３すべてのＲ＝Ｇ＝Ｂ値について設定を行うように述べたが、もちろん、数点の代表値についてループ演算を行い、それ以外の点については何らかの内挿によってガンマテーブルの最終値を求めるようにすることも可能であることは言うまでもない。この場合、すべてを測定する場合に比較してよりはるかに高速化が図れる。

内挿方法としては正確な校正を期すためには曲線補間を用いるのが望ましいが、曲線の特徴をあらかじめうまくとらえることができるような測定点を選ぶ必要がある。

このとき、測定点は、図３に示すように、最終的に得られたＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂと、初期設定した出力＝入力との差をすべてのＲ＝Ｇ＝Ｂ毎にとり、その傾きが零になる点に選ぶのが望ましい。傾きが零になる点は、最終的に得られたＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂと初期設定した出力＝入力との差が極大、もしくは極小をとる点であるから、この点を測定点とすることでＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂの初期設定値からの大きな変化を余すところ無くとらえることができ、これ以外の点を内挿したとしても、０−１０２３すべての信号に対する大きな変化を失うことはなく、全体の観点から見て、平均的に精度の高い内挿が可能となる。図３の例では、測定点１、測定点２に選ぶ。

尚ここでは曲線補間を行うとしているが、これに限ることはなく、上述のように大きな変化を余すところなくとらえることさえできれば直線補間でも充分な性能が得られる場合が多い。

このようにして測定点を決定するためには、あらかじめ上述の手順（Ｓ１）〜（Ｓ１１）にいたる過程を一旦行う必要があるが、先に述べたように、同じ性能を示すと考えられる群を単位として一度行うだけでよいことは言うまでもない。

また、本発明で述べている方法は、一般的に解釈すると、量子化されたデジタル信号を用いたフィードバック系の一種であると考えられるが、系全体として内部に積分要素を持たない零次の制御系であるため、有効制御分解能以下の量子化誤差が蓄積され、最終的に発散、もしくは発散状態に近づき、誤差許容範囲内に収まるまでに長い時間を要するようになる可能性がある。

このような発散は、フィードバック理論でいうところの系のゲインを１より低下させることで防止することが可能である。このためには、たとえば、式（７）で求めたΔＲ、ΔＧ、ΔＢに、式で求めた値にさらに１以下の係数を乗じて用いるようにするとよい。０.７倍、あるいは、０.８倍程度の値を用いるのが実用的である。

＜実際の実現方法＞
また上記手順（Ｓ９）の表示の操作は、演算等の目的で用いているコンピュータから信号を実際に液晶ディスプレイに転送して表示させることになるが、一般に用いられるディジタルインターフェースは８ビットであることが多く、１０ビット以上の回路でこの設定を行う場合には困難を伴うことが予想される。そこでここでは、これを解決する方法を３つ示す。いずれも実際の回路を想定した内容であり、１０ビットのガンマテーブルを搭載したＬＳＩなどに採用して好適な解決方法である。

＜方法１＞
ＬＳＩにテストモードを持ち、テストモード時には、図４のように、他の使用しないピンを含めて１０ビット×３チャンネルのデジタル入力端子に割り当てることで１０ビットの信号転送を可能にする。この場合、８ビット×３の端子は通常備えているから、同図のように６本の信号を新たに入力できるようにさえできればよい。たとえば子画面用に備えている信号端子や、他の目的に用いている制御端子などをこの用途に割り当てることで実現可能である。

しかしこの方法では、高速信号を扱うためタイミング的な問題等をおこしやすく、結局ＬＶＤＳなど何らかのエンコードされた信号を扱う必要があるものの、ＬＶＤＳを用いる範囲では、ＬＶＤＳがサポートしているのは８ビット信号までであるという課題に逆戻りする可能性が高い。

＜方法２＞
ＬＳＩ内部に信号発生器をもつ方法。図５のように、ＬＳＩ内部に信号発生器６を持つことが考えられる。この信号発生器６は、たとえば外部ＣＰＵからアクセス可能なレジスタを持ち、レジスタ７の設定に応じてＯＮ／ＯＦＦされるほか、発生する信号レベル自体もレジスタ７から指定するようにする。このようにすれば、図２の手順（Ｓ８）でもとめた表示すべき値をレジスタ７を通してＬＳＩに伝達すれば、ＬＳＩ自体で手順（Ｓ９）の表示を行うことが可能になる。

この場合、信号発生器は、各チャンネル毎に独立して１０ビットなど必要とする精度でレベルを設定できるものであることが望ましく、レジスタ７もそれに見合って準備することが望ましい。結果として１０ビットのデジタル信号インターフェースを介する必要が無くなり、８ビットを越える構成でも扱うことができるようになるばかりでなく、回路要素をすべてＬＳＩ内部に実現して１０ビット信号を発生しガンマテーブルを直接設定することが可能になるため、非常に高速に、安定して設定を行うことができる利点がある。

＜方法３＞
フィードバックユニットによる液晶ディスプレイの測定は１画素を単位として行われるわけではなく、通常大面積で行われるため、表示を、面積や時間に応じて平均的に高階調状態にすることで、８ビットインターフェースでも１０ビット相当の信号を表示することが可能になる。
表示を平均的に高階調化する技術としては、ディザリングやブルーノイズ法、誤差拡散法などの面積階調技術（参照書籍：”Digital Color Halftoning” ，Henry R.Kang著，IEEE Press（IEEE ISBN 0-7803-4741-2））を用いる方法の他、ＦＲＣ技術（参照特許文献：“疑似階調回路”，特開昭63-128483，シャープ）を用いる時間階調化処理技術などが知られている。

あるいは、単純な縦線や横線を、４本単位でＰＷＭすると、８ビットでも１０ビット相当の表示が可能になる。このような処理を、図２の手順（Ｓ８）と（Ｓ９）の間に挿入してコンピュータ側で表示すべき信号に加工を施すことで、８ビットインターフェースでも等価的に１０ビット相当の測定を行うことができるようになる。
この場合の構成を図６に示す。高階調化処理部８を追加する。

また、ＬＳＩ内部にこのような処理回路を持つことも可能である。この回路は、たとえば、特許文献：上野諭他、“画像処理装置及びその画像処理方法”，特願2004-064370、の回路でよく、８ビットの信号を１０ビット相当に改善できる回路であればよい。この場合、ＬＳＩは、図７の構成になる。この回路と、たとえば上記したＰＷＭなどコンピュータ側の処理や信号発生器とを組み合わせて用いることもできる。

以上、ディジタルインターフェースの制約にかかわる課題を解決する方法を３つ述べたが、いずれの方法でもここに述べた実現の方法に限定するものではなく、たとえば方法２の高階調化部を外付けのハードウエアで実現し高速化を図るなど、種々の変形が考えられる。
また、最終的なテーブルは、上記の手順（Ｓ１０）でデータを転送して完成するようにしているが、０−１０２３の各々のデータを得る毎に都度転送しても構わない。

本発明の以上の説明では、コンピュータ上に構成したモデルが実際の液晶ディスプレイの発色に近いことを保証する目的で、動作補償ユニットを用いることを前提としてきた。しかし、動作補償ユニットは、先に説明したように、液晶ディスプレイの発色の基本モデルとして、従来、発色＝Ｆ（ＲＧＢ）と記述せざるを得なかったものを、発色＝Ｆｒ（Ｒ）＋Ｆｇ（Ｇ）＋Ｆｂ（Ｂ）と記述できるようにして、モデル上の演算を簡単化し、かつモデル精度を高めることを目的としており、もし、もともと、発色＝Ｆｒ（Ｒ）＋Ｆｇ（Ｇ）＋Ｆｂ（Ｂ）と記述できるような液晶ディスプレイを開発することができれば、本発明の目的とする、高速、高精度なホワイトバランス設定でも動作補償ユニットを用いる必要はなくなる。

従来、ＣＲＴやプラズマディスプレイなどは発色＝Ｆｒ（Ｒ）＋Ｆｇ（Ｇ）＋Ｆｂ（Ｂ）と記述できるディスプレイとして知られており、本発明や、本発明を搭載したＬＳＩをこれらのディスプレイと組み合わせる際には、必ずしも動作補償ユニットは必要としない。

液晶ディスプレイの発色は、たとえば、文献：吉田育弘, 山本洋一：“明環境下に設置した液晶ディスプレイのカラーマネージメント”, 電子情報通信学会，論文誌Ａ分冊， Vol.J85-A， No.7， July 2002，に述べられているように設置環境の照明の影響を受ける。従って、本発明で述べたフィードバックユニットを用いた測定も、暗室、もしくは実使用状態に近い環境で行うことが望ましい。そのようにすることで、実使用状態を仮定した最適なホワイトバランス設定が可能になる。

最近の液晶テレビで画質的に課題視されるのは、暗環境で映画等を視聴したときの暗い部位のホワイトバランスの変動である。この問題はこれから述べるように、１０ビット回路など精度の高い回路を、暗環境で精度よく設定することで解決できる。
ガンマテーブルを設定する際の測定環境が明るい環境であると、周囲光が液晶ディスプレイの表面で反射して、この光と液晶ディスプレイから放射される光の合成光を測定してしまうため、液晶ディスプレイからの放射強度が相対的に低い暗い部位を測定する際には、液晶ディスプレイ単独でのホワイトバランス精度を高めることができない可能性がある。これに対し暗室で設定すると、周囲環境光の影響を受けないため、暗い部位でも十分な精度でホワイトバランスを設定することが可能となる。たとえば測定環境の影響を無視できるようにするためには、測定環境光の液晶表面の反射光強度が、ホワイトバランスを保証する最低輝度時の光強度に比較して十分低い必要がある。一般的には、液晶表面の照度が数ルクス程度以下である必要があるといえる。

そこで、１０ビットなどの精度の高い回路とともに暗環境で本発明のホワイトバランス設定を動作させると、暗い部位でのホワイト点の変動をよく抑制することができるようになる利点がある。このことは、従来の８ビット回路を用いても、測定環境さえ改善すれば達成可能のようにも思えるが、８ビットなどの低分解能の回路では、特に暗い部位では、１レベル可変しただけで目標とする収束範囲を逸脱してしまい、そもそも収束する値が存在しないといった問題があり、達成すること自体が不可能であるという課題があった。また単に１０ビットにしただけでは、設定時間が長くかかって経済性から見て実用的でなく、本発明の目標とするところの高速、高精度の測定なしには実用化自体が困難であった。このように、暗環境で精度のよいホワイトバランスを実現することは、本発明の方法があってはじめて実用化できる利点であるといえる。

なお、ここでは、暗環境で映画を視聴する場合を例に取ったが、実使用状態が複数存在すると予想される場合には、複数の照明環境についてガンマテーブルを設定し、図８のように照明環境毎にガンマテーブル９，１０，１１を切り替える手段を用いても良い。環境光センサを用いて、環境光に適応して切り替え自体が自動的に行われるようにしても良いことはいうまでもない。

本発明に係わるシステム構成図である。 本発明を実行するアルゴリズムを説明する動作手順図である。 本発明に係わる代表点の選定に関する説明図である。 本発明に係わるテストモードを備えたＬＳＩのシステム構成図である。 本発明に係わる信号発生器を備えたＬＳＩのシステム構成図である。 本発明に係わる多階調化技術を備えたＬＳＩのシステム構成図である。 本発明に係わる８ビットの信号を１０ビット化する回路を用いる場合のＬＳＩのシステム構成図である。 本発明に係わる視聴環境に応じてガンマテーブルを切り替える場合のＬＳＩの構成図である。 代表的な液晶ディスプレイの白色色度の信号値に応じた移動を示す図である。 代表的な液晶ディスプレイの白色色度の信号値に応じた移動を示す他の図である。 ホワイトバランスで目標とすべき性能を示す図である。 従来から用いられているＲＧＢ独立ガンマ補正の構成図である。

符号の説明

１…動作補償ユニット、２…補正ユニット、３…ガンマテーブル、４…フィードバックユニット、５…液晶ディスプレイ、６…信号発生器、７…レジスタ、８…高階調処理部、９，１０，１１…ガンマテーブル、１２…赤ガンマテーブル、１３…緑ガンマテーブル、１４…青ガンマテーブル、１５…液晶ディスプレイ。

Claims (15)

1. ディスプレイの発色モデルに合致した補正信号を発生する補正ユニットと、前記ディスプレイの発色を計測して前記補正ユニットにフィードバックするフィードバックユニットとを有することを特徴としたホワイトバランス補正回路の設定システム。
2. 発色モデルに合致する発色性能を有するようにディスプレイの発色性能を補償する回路を有することを特徴とした請求項１記載のシステムに使用するＬＳＩ回路。
3. テストモードを持ち、該テストモード時にはＲＧＢ一チャンネル当たり各１０ビットの信号入力ピンが得られるようにしたことを特徴とする請求項１記載のシステムに使用するＬＳＩ回路。
4. レジスタからデータを与えることで８ビットより多階調の信号を発生することができる信号発生器をもつことを特徴とした請求項１記載のシステムに使用するＬＳＩ回路。
5. ８ビット回路でありながら１０ビット相当の階調性を生む階調性拡大回路を持つことを特徴とした請求項１記載のシステムに使用するＬＳＩ回路。
6. 面積階調技術を用いて８ビットより多階調の補正信号を生成することを特徴とした請求項１記載のシステム。
7. 前記フィードバックユニットを用いたループ演算による校正時間を短縮するために、フィードバックを行うための初期設定値に対する最終設定値の誤差の極大値、及び極小値に測定点を選ぶことを特徴とした請求項１記載のシステム。
8. 前記フィードバックユニットを用いたループ演算による校正時間を短縮するために、フィードバックを行う値を求める関数演算のうち液晶テレビのガンマを近似する部分をルックアップテーブルを用いることを特徴とする請求項１記載のシステム。
9. 前記フィードバックユニットを用いたループ演算による校正時間を短縮するために、フィードバックを行う値を求める関数演算のうち液晶テレビのガンマを近似する部分を、液晶テレビのＲ、Ｇ、Ｂ各チャンネルのガンマ特性にあわせるように、各チャンネル毎に別々の関数を用いることを特徴とした請求項１記載のシステム。
10. 前記フィードバックユニットを用いたループ演算による校正を安定して行うために、算出した設定信号を１以下の係数倍することを特徴とした請求項１記載のシステム。
11. ディスプレイの表面反射が最低輝度に比較して無視できるような暗室環境に設置したことを特徴とする請求項１記載のシステム。
12. ディスプレイに表示するＲＧＢ値と表示ＸＹＺの関係式を計算式（モデル）としてコンピュータ上に形成して、表示したＲＧＢ値に対応して測定機から得られたＸＹＺをモデル上でＲＧＢ値に変換し、実際にディスプレイに印加したＲＧＢ値と比較して補正すべきΔＲ、ΔＧ、ΔＢを求め、もともと表示したＲＧＢにこれを加算してホワイトバランステーブルのＲＧＢアドレス上の値とすることを特徴とする、ホワイトバランス補正回路の設定方法。
13. 請求項１２記載のホワイトバランス補正回路の設定方法であって、測定したＸＹＺから得たｘｙ色度が目標とする色度を中心にして設定した誤差許容範囲になるかどうかを判断し、該誤差許容範囲内にない場合には、先にテーブルに設定した値を出発値として再度請求項１２記載の処理を行い、誤差許容範囲内に入るまでこの処理を継続するようにしたことを特徴とするホワイトバランス補正回路の設定方法。
14. 視聴環境に応じてガンマテーブルを切り替えるようにしたことを特徴とする液晶テレビ。
15. 外光センサを有し、照明の種類や明るさに応じて自動的にガンマテーブルを切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１４記載の液晶テレビ。

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