JP2006245752A - 画像処理装置、画像処理方法、画像表示装置、および画像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 緩やかに階調が変化するアナログの画像信号をデジタルの画像データに変換する場合、デジタルの画像データでは階調が１だけ階段状に変化するため、量子化による画質劣化が顕著になるという問題がある。
【解決手段】 ｎビットの入力画像データに対して階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号Ｃを生成する階調段差検出部６と、ｎビットの入力画像データをαビットだけ上位にビットシフトし、ｎ＋αビットの画像データを生成するビットシフト処理部５と、ビットシフト処理部５が生成するｎ＋αビットの画像データの階調処理制御信号Ｃが示す階調段差が含まれる領域に対して平滑化処理を行ったｎ＋αビットの画像データを生成する階調処理部７を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像処理装置、画像処理方法、画像表示装置、および画像表示方法に関し、特にデジタル画像を多階調化する技術に関するものである。

画像処理の一種として、画像に対する種々の階調変換が行われる。この際、画像の階調変換に伴って階調のジャンプが発生するという問題がある。「階調のジャンプ」とは隣接する領域の画像レベルが階段状に変化して、少なくとも１つの画像レベルが抜けている現象を言う（特許文献１参照）。

特開平１０−８４４８１号公報（第３頁、第１〜２図）

アナログの画像信号をデジタルの画像データに変換する場合、デジタル画像データでは量子化によって連続的な階調が離散化される。量子化の分解能が低い（ビットが少ない）場合、量子化によって出現しない階調が多くなり、デジタル変換による画質劣化が視認される。また、量子化の分解能を上げれば画質劣化は低減されるが、デジタル変換をおこなうＡ／Ｄ変換器が高価になるという問題がある。

上記した特許文献１によれば、階調のジャンプを肉眼で観察すると、擬似的な輪郭として見えてしまうという問題がある。

アナログ−デジタル変換の背景技術では、特に緩やかに階調が変化するアナログの画像信号をデジタルの画像データに変換する場合、デジタルの画像データでは階調が１だけ階段状に変化するため、量子化による画質劣化が顕著になるという問題がある。例えば、夕焼けや海などの画像信号をデジタルの画像データに変換した場合、デジタルの画像データでは階調が１だけ階段状に変化する領域が擬似的な輪郭のように見えてしまう。

また、デジタルの画像データを非線形の階調変換、例えば、表示装置の入力信号対発光強度の非直線性を補正するガンマ変換などの階調変換を行った場合、その非線形の階調変換後の画像データにおいて出現しない階調が存在するという問題がある。

この発明は、
ｎビットの画像データに対して階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号を生成する階調段差検出部と、
前記ｎビットの画像データをαビットだけビットシフトしたｎ＋αビットの画像データを生成するビットシフト処理部と、
前記ビットシフト処理部が生成するｎ＋αビットの画像データの前記階調処理制御信号が示す階調段差が含まれる領域に対して平滑化処理を行ったｎ＋αビットの画像データを生成する階調処理部と
を備えたことを特徴とする画像処理装置を提供する。

この発明によれば、入力された画像データの階調が緩やかに変化する領域を検出し、検出された領域を平滑化することで、例えば輪郭などの階調の変化が急な領域、あるいは、部分的にダイナミックレンジの高い領域が有する画像の鮮鋭度を損なわずに、画像データの階調数を増やすことができるので、階調変換による画質劣化を低減させることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る画像表示装置の構成を示す図である。実施の形態１に係る画像表示装置は、入力端子１と、受信部２と、多階調化処理部３とを有する画像処理装置と、表示部４とを有する。
アナログの画像信号Ｓａが入力端子１より受信部２に入力され、受信部２は、アナログの画像信号Ｓａをｎビットの画像データＤｉに変換して多階調化処理部３に出力する。多階調化処理部３は、ビットシフト処理部５、階調段差検出部６および階調処理部７により構成され、入力されたｎビットの画像データＤｉをｎ＋αビットの画像データＤｏに変換して表示部４に出力する。表示部４はｎ＋αビットの画像データＤｏに基づいて画像を表示する。

本実施の形態では、受信部２をアナログの画像信号からデジタルの画像データに変換するＡ／Ｄ変換器として説明を行うが、受信部２にチューナーを備え、受信部２の内部でアナログの画像信号を得た後にデジタルの画像データに変換してもよいし、受信部２をデジタルインターフェースとして入力端子１よりデジタルのデータを受信して、ｎビットの画像データＤｉを出力してもよい。

図２は実施の形態１に係る画像表示装置の動作を説明するための図である。図２（ａ）は、入力端子１に入力されるアナログの画像信号Ｓａの一例、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した画像信号Ｓａに対応するｎビットの画像データＤｉ、図２（ｃ）は、ビットシフト処理部５によって図２（ｂ）に示した画像データＤｉをαビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋αビットの画像データＤｂを示している。また、図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示した画像データＤｂに対応した階調処理部７が出力するｎ＋αビットの画像データＤｏを示している。なお、横軸は画素位置を示し、縦軸は図２（ａ）ではアナログの階調、図２（ｂ）〜（ｄ）ではデジタルの階調を示している。

図１および図２を用いて、実施の形態１に係る画像表示装置の詳細な動作を説明する。

図２（ａ）に示したアナログの画像信号Ｓａが、入力端子１より受信部２に入力される。受信部２は、図２（ａ）に示した画像信号Ｓａを図２（ｂ）に示したｎビットの画像データＤｉに変換して、ビットシフト処理部５と階調段差検出部６に出力する。

図２（ａ）に示した画像信号Ｓａの領域ｐ１は、階調が緩やかに変化している場合を示しているが、階調の変化に対するデジタル画像データＤｉの量子化の分解能が低い（ビット数が少ない）ため、図２（ｂ）に示した画像データＤｉでは、画像信号Ｓａの領域ｐ１が２値の階調に変換されている。図２（ｂ）で示した領域ｐ１のようにある幅を持った領域、即ち連続する所定数の画素から成る領域で階調が１だけ階段状に変化する部分を階調段差と定義する。

階調段差は、画素数に対する階調の変化が小さい場合、すなわち、画素数をＸ、量子化後の階調の変化をＹとすると、Ｙ／Ｘ＜１の条件で単調に増加、あるいは単調に減少している場合として表すこともできる。

図２（ａ）に示した画像信号Ｓａの領域ｐ２は、階調の変化が急な場合を示しており、図２（ｂ）に示した領域ｐ２の画像データＤｉではＹ／Ｘ＞１となるため、階調段差は発生しない。

ビットシフト処理部５は、図２（ｂ）に示した画像データＤｉをαビットだけ上位にビットシフトし、図２（ｃ）に示したようなｎ＋αビットの画像データＤｂを出力する。

階調段差検出部６は、図２（ｂ）に示した画像データＤｉに対して階調段差の検出を行う。図２（ｂ）の画像データＤｉに対して階調段差の検出を行った場合、領域ｐ１では階調段差が検出され、領域ｐ２では階調段差が検出されない。階調段差検出部６は、階調段差が検出された領域、すなわち、図２（ｃ）に示した画像データＤｂの領域ｐ１に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号Ｃを階調処理部７に出力する。

階調処理部７は、階調処理制御信号Ｃが示す階調段差が含まれる領域に対して平滑化処理を行い、それ以外の領域に対しては画像データＤｂをそのまま出力する。従って、図２（ｃ）に示した画像データＤｂの領域ｐ１に対してのみ平滑化処理された図２（ｄ）の画像データＤｏが出力される。

階調処理部７は、低域通過フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）を用いて平滑化処理を行う。本実施の形態では、ＬＰＦとしてＫ個の画素の平均値を対象画素の階調とする１次元の平均値フィルタ
Ｄｏ（ｉ）＝(Ｄｂ(ｉ−(Ｋ＋１)／２)＋…＋Ｄｂ(ｉ＋(Ｋ＋１)／２))／Ｋ…（式１）
を用いて説明を進めるが、もちろん、その他のＬＰＦを用いて平滑化処理を行っても同様の効果を得ることができる。

入力された画像データの階調が緩やかに変化する領域を検出し、検出された領域を平滑化することで、例えば輪郭などの階調の変化が急な領域、あるいは部分的にダイナミックレンジの高い領域が有する画像の鮮鋭度を損なわずに、画像データの階調数を増やすことができるので、量子化による画質劣化を低減させることができる。

次に、一次微分データを用いて階調段差を検出する階調段差検出部６について説明する。

図３は一次微分データを用いて階調段差を検出する階調段差検出部６の構成を示す図である。階調段差検出部６は、一次微分算出部８および階調段差条件判定部９により構成される。画像データＤｉが一次微分算出部８に入力され、一次微分算出部８は、画像データＤｉの一次微分データを算出し、一次微分データΔＤｉを階調段差条件判定部９に出力する。階調段差条件判定部９は、一次微分データΔＤｉに対して階調段差条件の判定を行い、階調処理制御信号Ｃを出力する。

図４は一次微分データを用いて階調段差を検出する方法を説明するための図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、階調段差を含む領域の画像データＤｉであり、図４（ｃ）および図４（ｄ）は、図４（ａ）および図４（ｂ）それぞれに対応する一次微分データΔＤｉを示している。

階調段差は、図４（ａ）および図４（ｂ）のように階調が１だけ階段状に変化するので、階調が１だけ変化する領域ｂと、その領域ｂの左右に階調が変化しない領域ａおよび領域ｃに分けられる。

図３および図４を用いて、一次微分データを用いて階調段差を検出する階調段差検出部６の詳細な動作を説明する。

一次微分算出部８は、一次微分の式
ΔＤｉ（ｉ）＝Ｄｉ（ｉ＋１）−Ｄｉ（ｉ−１） …（式２）
を用いて図４（ａ）に示した画像データＤｉの一次微分データを算出し、図４（ｃ）に示した一次微分データΔＤｉを出力する。また、図４（ｂ）に示した画像データＤｉについても同様に（式２）を用いて一次微分データを算出し、図４（ｄ）に示した一次微分データΔＤｉを出力する。式中の変数ｉは一次微分の対象となる画素の位置（画素の列の一端から他端へと言う順で付された番号）を示す。

図４（ａ）に示したような階調が１だけ増加する階調段差を含む画像データＤｉを一次微分した場合、階調が変化しない領域ａおよび領域ｃの一次微分データΔＤｉ（ｉ）は０となり、領域ｂの一次微分データΔＤｉ（ｉ）は１となる。また、図４（ｂ）に示したような階調が１だけ減少する階調段差を含む画像データＤｉを一次微分した場合、階調が変化しない領域ａおよび領域ｃの一次微分データΔＤｉ（ｉ）は０となり、領域ｂの一次微分データΔＤｉ（ｉ）は−１となる。

以上のように、階調段差条件判定部９は、連続する２画素の一次微分データΔＤｉ（ｉ）がともに１、または、ともに−１である階調段差と、その階調段差の左右がΔＤｉ（ｉ）＝０となる領域を段差領域として判定し、判定された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号Ｃを出力する。

次に、具体的な例を用いて多階調化処理部３の動作を説明する。

図５は階調段差を含む画像データに対する多階調化処理の具体例を示す図である。図５（ａ）は画像データＤｉ、図５（ｂ）は、一次微分算出部８によって算出された図５（ａ）に示した画像データＤｉの一次微分データΔＤｉ、図５（ｃ）は、ビットシフト処理部５によって図５（ａ）に示した画像データＤｉを２ビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋２ビットの画像データＤｂを示している。また、図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示した画像データＤｂに対応した階調処理部７が出力するｎ＋２ビットの画像データＤｏを示している。

図１、図３および図５を用いて具体例を説明する。具体例ではα＝２と設定し、多階調化処理部３は、ｎビットの画像データＤｉをｎ＋２ビットの画像データＤｏに変換して出力する。

図５（ａ）に示した画像データＤｉの画素位置を０〜７とし、階調をそれぞれＤｉ（０）＝Ｄ、Ｄｉ（１）＝Ｄ、Ｄｉ（２）＝Ｄ、Ｄｉ（３）＝Ｄ、Ｄｉ（４）＝Ｄ＋１、Ｄｉ（５）＝Ｄ＋１、Ｄｉ（６）＝Ｄ＋１、Ｄｉ（７）＝Ｄ＋１とする。

画像データＤｉはビットシフト処理部５および階調段差検出部６に入力され、ビットシフト処理部５は、図５（ａ）に示した画像データＤｉを２ビット上位にビットシフトし、図５（ｃ）に示した画像データＤｂを階調処理部７に出力する。画素位置０〜７の階調はそれぞれ、Ｄｂ（０）＝４Ｄ、Ｄｂ（１）＝４Ｄ、Ｄｂ（２）＝４Ｄ、Ｄｂ（３）＝４Ｄ、Ｄｂ（４）＝４（Ｄ＋１）、Ｄｂ（５）＝４（Ｄ＋１）、Ｄｂ（６）＝４（Ｄ＋１）、Ｄｂ（７）＝４（Ｄ＋１）となる。

階調段差検出部６では画像データＤｉが一次微分算出部８に入力され、一次微分算出部８は、（式２）を用いて図５（ａ）に示した画像データＤｉの一次微分データを算出し、図５（ｂ）に示した一次微分データΔＤｉを階調段差条件判定部９に出力する。画素位置１〜６の一次微分データΔＤｉ（ｉ）はそれぞれ、
ΔＤｉ（１）＝Ｄｉ（２）−Ｄｉ（０）＝Ｄ−Ｄ＝０、
ΔＤｉ（２）＝Ｄｉ（３）−Ｄｉ（１）＝Ｄ−Ｄ＝０、
ΔＤｉ（３）＝Ｄｉ（４）−Ｄｉ（２）＝（Ｄ＋１）−Ｄ＝１、
ΔＤｉ（４）＝Ｄｉ（５）−Ｄｉ（３）＝（Ｄ＋１）−Ｄ＝１、
ΔＤｉ（５）＝Ｄｉ（６）−Ｄｉ（４）＝（Ｄ＋１）−（Ｄ＋１）＝０、
ΔＤｉ（６）＝Ｄｉ（７）−Ｄｉ（５）＝（Ｄ＋１）−（Ｄ＋１）＝０
となる。

階調段差条件判定部９は、ΔＤｉ（１）＝０、ΔＤｉ（２）＝０、ΔＤｉ（３）＝１、ΔＤｉ（４）＝１、ΔＤｉ（５）＝０、ΔＤｉ（６）＝０より、画素位置３と４の画素がΔＤｉ（ｉ）＝１である階調段差となり、画素１、２、５、６の画素が、階調段差の左右がΔＤｉ（ｉ）＝０である領域となるので、図５（ａ）の画素位置１〜６を段差領域と判定し、図５（ｃ）に示した画像データＤｂに対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号Ｃを階調処理部７に出力する。

階調処理部７は、階調処理制御信号Ｃが図５（ｃ）に示した画像データＤｂに対して階調段差が含まれることを示しているので、図５（ｃ）に示した領域の画像データＤｂに対して平均値フィルタを用いて平滑化処理を行い、図５（ｄ）に示した画像データＤｏを出力する。画素位置１〜６の画像データＤｏ（ｉ）は（式１）においてＫ＝３とした平均値フィルタ
Ｄｏ（ｉ）＝（Ｄｂ（ｉ−１）＋Ｄｂ（ｉ）＋Ｄｂ（ｉ＋１））／３
より、
Ｄｏ（１）＝（Ｄｂ（０）＋Ｄｂ（１）＋Ｄｂ（２））／３
＝（４Ｄ＋４Ｄ＋４Ｄ）／３
＝４Ｄ、
Ｄｏ（２）＝（Ｄｂ（１）＋Ｄｂ（２）＋Ｄｂ（３））／３
＝（４Ｄ＋４Ｄ＋４Ｄ）／３
＝４Ｄ、
Ｄｏ（３）＝（Ｄｂ（２）＋Ｄｂ（３）＋Ｄｂ（４））／３
＝（４Ｄ＋４Ｄ＋４（Ｄ＋１））／３
＝４Ｄ＋１、
Ｄｏ（４）＝（Ｄｂ（３）＋Ｄｂ（４）＋Ｄｂ（５））／３
＝（４Ｄ＋４（Ｄ＋１）＋４（Ｄ＋１））／３
＝４Ｄ＋３、
Ｄｏ（５）＝（Ｄｂ（４）＋Ｄｂ（５）＋Ｄｂ（６））／３
＝（４（Ｄ＋１）＋４（Ｄ＋１）＋４（Ｄ＋１））／３
＝４（Ｄ＋１）、
Ｄｏ（６）＝（Ｄｂ（５）＋Ｄｂ（６）＋Ｄｂ（７））／３
＝（４（Ｄ＋１）＋４（Ｄ＋１）＋４（Ｄ＋１））／３
＝４（Ｄ＋１）
となる。具体例では、小数部分が０．５未満の場合は切り下げとし、０．５以上の場合は切り上げとして計算を行った。

図６乃至図８は階調段差を含まない画像データに対して多階調化処理を行っている具体例を示す図である。図６は、画像データＤｉ、図７は、一次微分算出部８によって算出された図６の画像データＤｉの一次微分データΔＤｉ、図８は、ビットシフト処理部５によって図６に示した画像データＤｉを２ビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋２ビットの画像データＤｂを示している。

図１、図３、図６、図７および図８を用いて具体例を説明する。図６に示した画像データＤｉの画素位置を０〜７とし、階調はそれぞれＤｉ（０）＝Ｄ、Ｄｉ（１）＝Ｄ、Ｄｉ（２）＝Ｄ、Ｄｉ（３）＝Ｄ、Ｄｉ（４）＝Ｄ＋４、Ｄｉ（５）＝Ｄ＋４、Ｄｉ（６）＝Ｄ＋４、Ｄｉ（７）＝Ｄ＋４とする。

画像データＤｉはビットシフト処理部５および階調段差検出部６に入力され、ビットシフト処理部５は、図６に示した画像データＤｉを２ビットだけ上位にビットシフトし、図８に示した画像データＤｂを階調処理部７に出力する。画素位置０〜７の階調はそれぞれ、Ｄｂ（０）＝４Ｄ、Ｄｂ（１）＝４Ｄ、Ｄｂ（２）＝４Ｄ、Ｄｂ（３）＝４Ｄ、Ｄｂ（４）＝４（Ｄ＋４）、Ｄｂ（５）＝４（Ｄ＋４）、Ｄｂ（６）＝４（Ｄ＋４）、Ｄｂ（７）＝４（Ｄ＋４）となる。

階調段差検出部６では画像データＤｉが一次微分算出部８に入力され、一次微分算出部８は、（式２）を用いて図６に示した画像データＤｉの一次微分データを算出し、図７に示した一次微分データΔＤｉを階調段差条件判定部９に出力する。画素位置１〜６の一次微分データΔＤｉ（ｉ）はそれぞれ、
ΔＤｉ（１）＝Ｄｉ（２）−Ｄｉ（０）＝Ｄ−Ｄ＝０、
ΔＤｉ（２）＝Ｄｉ（３）−Ｄｉ（１）＝Ｄ−Ｄ＝０、
ΔＤｉ（３）＝Ｄｉ（４）−Ｄｉ（２）＝（Ｄ＋４）−Ｄ＝４、
ΔＤｉ（４）＝Ｄｉ（５）−Ｄｉ（３）＝（Ｄ＋４）−Ｄ＝４、
ΔＤｉ（５）＝Ｄｉ（６）−Ｄｉ（４）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋４）＝０、
ΔＤｉ（６）＝Ｄｉ（７）−Ｄｉ（５）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋４）＝０
となる。

階調段差条件判定部９は、ΔＤｂ（１）＝０、ΔＤｂ（２）＝０、ΔＤｂ（３）＝４、ΔＤｂ（４）＝４、ΔＤｂ（５）＝０、ΔＤｂ（６）＝０より、画素位置１〜６にはΔＤｉ（ｉ）＝１もしくは−１となる連続する２画素がないので、図６の画像データＤｉに対して階調段差が含まれないと判定する。

階調処理制御信号Ｃは、図６に示した画像データＤｉに対して、階調段差が含まれていないことを示しているので、階調処理部７は、図８に示した画像データＤｂをそのまま画像データＤｏとして出力する。

以上説明したように、入力された画像データの一次微分データを用いることにより、階調段差を検出することができる。

これまで水平方向の画像データの多階調化処理について説明を行ってきたが、同様に垂直方向の画像データについて多階調化処理を行ってもよい。

また、水平方向の多階調化処理と垂直方向の多階調化処理を順次行うことによって、水平および垂直の両方向について多階調化処理を行うことができる。

図９は水平および垂直の両方向について多階調化処理を行う画像表示装置の構成を示す図である。水平および垂直の両方向について多階調化処理を行う画像表示装置は、入力端子１、受信部２、水平多階調化処理部３Ｈ、垂直多階調化処理部３Ｖおよび表示部４により構成される。アナログの画像信号Ｓａが入力端子１より受信部２に入力され、受信部２は、アナログの画像信号Ｓａをｎビットの画像データＤｉに変換して水平多階調化処理部３Ｈおよび垂直多階調化処理部３Ｖに出力する。水平多階調化処理部３Ｈは、ビットシフト処理部５、水平階調段差検出部６Ｈおよび水平階調処理部７Ｈにより構成され、入力されたｎビットの画像データＤｉをｎ＋αビットの画像データＤＨｏに変換して垂直多階調化処理部３Ｖに出力する。垂直多階調化処理部３Ｖは、垂直階調段差検出部６Ｖおよび垂直階調処理部７Ｖにより構成され、ｎビットの画像データＤｉに対して階調段差を検出し、ｎ＋αビットの画像データＤＨｏに対して平滑化処理を行ったｎ＋αビットの画像データＤｏを表示部４に出力する。垂直多階調化処理部３Ｖは、水平多階調化処理部３Ｈにおいてすでに上位にビットシフトを行っているためビットシフト処理部の機能を含まない。表示部４はｎ＋αビット画像データＤｏに基づいて画像を表示する。

図９を用いて水平および垂直の両方向について多階調化処理を行う画像表示装置の動作を説明する。

アナログの画像信号Ｓａが、入力端子１より受信部２に入力される。受信部２は、画像信号Ｓａをｎビットの画像データＤｉに変換してビットシフト処理部５および水平階調段差検出部６Ｈ、垂直階調段差検出部６Ｖに出力する。

ビットシフト処理部５は、画像データＤｉをαビット分上位にビットシフトし、ｎ＋αビットの画像データＤｂを水平階調処理部７Ｈに出力する。

水平階調段差検出部６Ｈは、画像データＤｉの水平方向の画素に対して階調段差を検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す水平階調処理制御信号ＣＨを水平階調処理部７Ｈに出力する。

水平階調処理部７Ｈは、画像データＤｂの水平階調処理制御信号ＣＨが示す階調段差が含まれる領域に対してのみ平滑化処理したｎ＋αビットの画像データＤＨｏを垂直階調処理部７Ｖに出力する。

垂直階調段差検出部６Ｖは、画像データＤｉの垂直方向の画素に対して階調段差を検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す垂直階調処理制御信号ＣＶを垂直階調処理部７Ｖに出力する。

垂直階調処理部７Ｖは、垂直階調処理制御信号ＣＶが示す階調段差が含まれる領域に対してのみ平滑化処理したｎ＋αビット画像データＤｏを表示部４に出力する。

また、垂直方向の多階調化処理を行ってから水平方向の多階調化処理を行ってもよい。

多階調化処理を水平方向および垂直方向あるいは垂直方向および水平方向の順に実施することによって、入力された画像データの水平および垂直の両方向について例えば輪郭などの階調の変化が急な領域、あるいは部分的にダイナミックレンジの高い領域が有する画像の鮮鋭度を損なわずに、画像データの階調数を増やすことができるので、水平および垂直の両方向について量子化による画像劣化を低減させることができる。

図１０は、以上に説明した本実施の形態に係る画像表示装置の処理工程を示すフローチャートである。

まず、画像信号Ｓａが入力端子１に入力され、受信部２は、画像信号Ｓａを受信してｎビットの画像データＤｉを出力する（ｓ１）。受信部２が出力する画像データＤｉは、多階調化処理部３のビットシフト処理部５と階調段差検出部６に入力され、ビットシフト処理部５では画像データＤｉをαビットだけ上位にビットシフトしてｎ＋αビットの画像データＤｂを出力する（ｓ２）。階調段差検出部６では画像データＤｉに対して階調段差の検出を行い、階調段差が含まれる領域かどうかを示す階調処理制御信号Ｃを出力する（ｓ３）。階調処理部７には、ビットシフト処理部５が出力する画像データＤｂと階調段差検出部６が出力する階調処理制御信号Ｃが入力され、階調処理部７は、画像データＤｂの階調処理制御信号Ｃが示す階調段差が含まれる領域に対してのみ平滑化処理を行い、画像データＤｏを出力する（ｓ４）。階調処理部７が出力する画像データＤｏは表示部４に入力され、表示部４は画像データＤｏに基づいて画像を表示する（ｓ５）。

実施の形態２．
図１１は本発明の実施の形態２に係る画像表示装置の構成を示す図である。実施の形態２に係る画像表示装置は、入力端子１と、受信部２と、画像処理部１０とを有する画像処理装置と、表示部４とを有する。アナログの画像信号Ｓａが入力端子１より受信部２に入力され、受信部２は、アナログの画像信号Ｓａをｎビットの画像データＤｉに変換して画像処理部１０に出力する。画像処理部１０は、非線形階調変換部１１および多階調化処理部３により構成され、入力されたｎビットの画像データＤｉに対して非線形の階調変換、多階調化処理などの画像処理を行い、ｎ＋αビットの画像データＤｏを表示部４に出力する。非線形階調変換部１１は、入力された画像データＤｉに対して非線形の階調変換を行い、ｎビットの画像データＤｊを多階調化処理部３に出力する。多階調化処理部３は、ビットシフト処理部５、階調段差検出部６および階調処理部７により構成され、ｎビットの画像データＤｊをｎ＋αビットの画像データＤｏに変換して表示部４に出力する。表示部４はｎ＋αビットの画像データＤｏに基づいて画像を表示する。

図１２は実施の形態２に係る画像表示装置の動作を説明するための図である。図１２（ａ）は、受信部２が出力するｎビットの画像データＤｉ、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示した画像データＤｉに対応した非線形階調変換部１１が出力する画像データＤｊ、図１２（ｃ）は、ビットシフト処理部５によって図１２（ｂ）に示した画像データＤｊをαビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋αビットの画像データＤｂを示している。また、図１２（ｄ）は、図１２（ｃ）に示した画像データＤｂに対応した階調処理部７が出力する画像データＤｏを示している。なお、横軸は画素位置を示し、縦軸は階調を示している。

図１１および図１２を用いて、実施の形態２に係る画像表示装置の詳細な動作を説明する。

受信部２は、アナログの画像信号Ｓａを図１２（ａ）に示したｎビットの画像データＤｉに変換して、非線形階調変換部１１に出力する。

図１３は非線形階調変換部１１の入出力関係の一例の一部を表すグラフである。横軸は非線形階調変換部１１の入力画像データＤｉの階調、縦軸は出力画像データＤｊの階調を示している。

非線形階調変換部１１は、図１２（ａ）に示した画像データＤｉを、図１３のグラフに示された入出力関係に基づいて図１２（ｂ）に示した画像データＤｊのように変換し、多階調化処理部３に出力する。図１３のグラフに示したように、非線形階調変換部１１は、画像データＤｉの階調ｋを階調ｍ、階調ｋ＋１を階調ｍ＋２、階調ｋ＋２を階調ｍ＋３に変換し、画像データＤｊとして多階調化処理部３に出力する。

図１２（ａ）に示した画像データＤｉの領域ｐ１では、階調が０または１ずつ緩やかに変化しているが、非線形階調変換部１１が画像データＤｉの階調ｋ＋１をｍ＋２に変換するため、図１２（ｂ）に示した画像データＤｊでは階調ｍ＋１が出力されず、階調ｍから階調ｍ＋２まで階調が２変化している。

図１２（ｂ）に示した画像データＤｊでは、非線形の階調変換によって緩やかに変換する領域に２階調の階調差が発生する場合について説明したが、非線形階調変換部１１が出力する画像データＤｊに連続して２階調出力されない階調がある場合、３階調の階調差が発生する。本実施の形態では、図１２（ｂ）で示した領域ｐ１のようにある幅を持った領域、即ち連続する所定数の画素から成る領域で階調が緩やかに変化する途中で階調がＤｓ変化する部分を階調段差と定義する。（Ｄｓは２以上Ｄｓmax以下、Ｄｓ、Ｄｓmaxは正の整数）

実施の形態１では、ある幅を持った領域、即ち連続する所定数の画素から成る領域で階調が１だけ階段状に変化する部分を階調段差として定義したが、Ｄｓ＝１とし、本実施の形態で定義した階調段差の一つとして考えてもよい。

階調段差は、実施の形態１で定義した階調段差と同様に、画素数に対する階調の変化が小さい場合、すなわち、画素数をＸ、量子化後の階調の変化をＹとするとＹ／Ｘ＜１の条件で単調に増加、あるいは単調に減少している場合に発生する。

図１２（ａ）に示した画像データＤｉの領域ｐ２は、階調の変化が急な場合を示しており、図１２（ｂ）に示した領域ｐ２の画像データＤｊではＹ／Ｘ≧１となるため、階調段差は発生しない。

ビットシフト処理部５は、図１２（ｂ）に示した画像データＤｊをαビットだけ上位にビットシフトし、図１２（ｃ）に示したようなｎ＋αビットの画像データＤｂを出力する。

階調段差検出部６は、図１２（ｂ）に示した画像データＤｊに対して階調段差の検出を行う。図１２（ｂ）の画像データＤｊに対して階調段差の検出を行った場合、領域ｐ１では階調段差が検出され、領域ｐ２では階調段差が検出されない。階調段差検出部６は、階調段差が検出された領域、すなわち、図１２（ｃ）に示した画像データＤｂの領域ｐ１に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号Ｃを階調処理部７に出力する。

階調処理部７は、階調処理制御信号Ｃが示す階調段差が含まれる領域に対して平滑化処理を行い、それ以外の領域に対しては画像データＤｂをそのまま出力する。従って、図１２（ｃ）に示した画像データＤｂの領域ｐ１に対してのみ平滑化処理された図１２（ｄ）に示した画像データＤｏを出力する。

階調処理部７は、低域通過フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）を用いて平滑化処理を行う。本実施の形態では、実施の形態１と同様に、１次元の平均値フィルタ（式１）を用いて説明を進めるが、もちろん、その他のＬＰＦを用いて平滑化処理を行っても同様の効果を得ることができる。

非線形の階調変換を行った後の画像データの階調が緩やかに変化する領域を検出し、検出された領域を平滑化することで、例えば輪郭などの階調の変化が急な領域、あるいは部分的にダイナミックレンジの高い領域が有する画像の鮮鋭度を損なわずに、画像データの階調数を増やすことができるので、非線形の階調変換による画質劣化を低減させることができる。

次に、一次微分を用いて階調段差を検出する階調段差検出部６について説明する。

図１４は一次微分データを用いて階調段差を検出する方法を説明するための図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、階調段差を含む領域の画像データＤｊ、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は、図１４（ａ）および図１４（ｂ）それぞれに対応する一次微分データΔＤｊを示している。

階調段差は、図１４（ａ）および図１４（ｂ）のように階調が緩やかに変化する途中で階調がＤｓ変化するので、階調がＤｓ変化する領域ｂとその領域ｂの前後に階調が緩やかに変化する領域ａおよび領域ｃに分けられる。

図３および図１４を用いて、一次微分データを用いて階調段差を検出する階調段差検出部６の詳細な動作を説明する。

一次微分算出部８は、実施の形態１でも説明したように（式２）を用いて図１４（ａ）に示した画像データＤｊの一次微分データを算出し、図１４（ｃ）に示した一次微分データΔＤｊを出力する。また、図１４（ｂ）についても同様に（式２）を用いて一次微分データを算出し、図１４（ｄ）に示した一次微分データΔＤｊを出力する。

図１４（ａ）に示した階調が緩やかに増加する途中で階調がＤｓ変化する画像データＤｊを一次微分した場合、階調が緩やかに増加する領域ａおよび領域ｃの一次微分データΔＤｊ（ｉ）は０または１となり、領域ｂの一次微分データΔＤｊ（ｉ）はＤｓとなる。また、図１４（ｂ）に示した階調が緩やかに減少する途中で階調が−Ｄｓ変化する画像データＤｊを一次微分した場合、階調が緩やかに減少する領域ａおよび領域ｃの一次微分データΔＤｊは０または−１となり、領域ｂの一次微分データΔＤｊ（ｉ）は−Ｄｓとなる。

以上のように、階調段差条件判定部９は、連続する２画素の一次微分データΔＤｊ（ｉ）がともにＤｓである階調段差と、その階調段差の左右の一次微分データΔＤｊ（ｉ）が０または１である領域、または、連続する２画素の一次微分データΔＤｊ（ｉ）がともに−Ｄｓである階調段差と、その階調段差の左右の一次微分データΔＤｊ（ｉ）が０または−１となる領域を段差領域として判定し、判定された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号Ｃを出力する。

次に、具体的な例を用いて多階調化処理部３の動作を説明する。

図１５乃至図１８は階調段差を含む画像データに対する多階調化処理の具体例を示す図である。図１５は、非線形階調変換部１１が出力する画像データＤｊ、図１６は、一次微分算出部８によって算出された図１５に示した画像データＤｊの一次微分データΔＤｊ、図１７は、ビットシフト処理部５によって図１５に示した画像データＤｊを３ビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋３ビットの画像データＤｂを示している。また、図１８は、図１７に示した画像データＤｂに対応した階調処理部７が出力するｎ＋３ビットの画像データＤｏを示している。

図１１、図３、および図１５乃至図１８を用いて具体例を説明する。具体例ではα＝３と設定し、多階調化処理部３は、ｎビットの画像データＤｊをｎ＋３ビットの画像データＤｏに変換して出力する。また、Ｄｓmax＝３と設定し、２以上３以下の階調段差に対して平滑化処理を行う。

図１５に示した画像データＤｊの画素位置を０〜９とし、階調をそれぞれＤｊ（０）＝Ｄ、Ｄｊ（１）＝Ｄ、Ｄｊ（２）＝Ｄ＋１、Ｄｊ（３）＝Ｄ＋１、Ｄｊ（４）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（５）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（６）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（７）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（８）＝Ｄ＋５、Ｄｊ（９）＝Ｄ＋５とする。

画像データＤｊはビットシフト処理部５および階調段差検出部６に入力され、ビットシフト処理部５は、図１５に示した画像データＤｊを３ビット上位にビットシフトし、図１７に示した画像データＤｂを階調処理部７に出力する。画素位置０〜９の階調はそれぞれ、Ｄｂ（０）＝８Ｄ、Ｄｂ（１）＝８Ｄ、Ｄｂ（２）＝８（Ｄ＋１）、Ｄｂ（３）＝８（Ｄ＋１）、Ｄｂ（４）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（５）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（６）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（７）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（８）＝８（Ｄ＋５）、Ｄｂ（９）＝８（Ｄ＋５）となる。

階調段差検出部６では画像データＤｊが一次微分算出部８に入力され、一次微分算出部８は（式２）を用いて図１５に示した画像データＤｊの一次微分データを算出し、図１６に示した一次微分データΔＤｊを階調段差条件判定部１３に出力する。画素位置１〜８の一次微分データΔＤｊ（ｉ）はそれぞれ、
ΔＤｊ（１）＝Ｄｊ（２）−Ｄｊ（０）＝（Ｄ＋１）−Ｄ＝１、
ΔＤｊ（２）＝Ｄｊ（３）−Ｄｊ（１）＝（Ｄ＋１）−Ｄ＝１、
ΔＤｊ（３）＝Ｄｊ（４）−Ｄｊ（２）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋１）＝３、
ΔＤｊ（４）＝Ｄｊ（５）−Ｄｊ（３）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋１）＝３、
ΔＤｊ（５）＝Ｄｊ（６）−Ｄｊ（４）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋４）＝０、
ΔＤｊ（６）＝Ｄｊ（７）−Ｄｊ（５）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋４）＝０、
ΔＤｊ（７）＝Ｄｊ（８）−Ｄｊ（６）＝（Ｄ＋５）−（Ｄ＋４）＝１、
ΔＤｊ（８）＝Ｄｊ（９）−Ｄｊ（７）＝（Ｄ＋５）−（Ｄ＋４）＝１
となる。

階調段差条件判定部９は、ΔＤｊ（１）＝１、ΔＤｊ（２）＝１、ΔＤｊ（３）＝３、ΔＤｊ（４）＝３、ΔＤｊ（５）＝０、ΔＤｊ（６）＝０、ΔＤｊ（７）＝１、ΔＤｊ（８）=１より、画素位置３と４の画素がΔＤｊ（ｉ）＝Ｄｓ（２≦Ｄｓ≦Ｄｓmax＝３）である階調段差となり、画素位置１、２、５、６、７、８の画素が、ΔＤｊ（ｉ）＝０または１である領域となるので、図１５の画素位置１〜８を段差領域と判定し、図１７に示した画像データＤｂに対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号Ｃを階調処理部７に出力する。

階調処理制御信号Ｃが図１５に示した画像データＤｊに階調段差が含まれることを示しているので、階調処理部７は、図１７に示した画像データＤｂに対して平滑化処理を行い、図１８に示した画像データＤｏを出力する。画素位置１〜８の画像データＤｏ（ｉ）は（式１）においてＫ＝３とした平均値フィルタ
Ｄｏ（ｉ）＝（Ｄｂ（ｉ−１）＋Ｄｂ（ｉ）＋Ｄｂ（ｉ＋１））／３
より、
Ｄｏ（１）＝（Ｄｂ（０）＋Ｄｂ（１）＋Ｄｂ（２））／３
＝（８Ｄ＋８Ｄ＋８（Ｄ＋１））／３
＝８Ｄ＋３、
Ｄｏ（２）＝（Ｄｂ（１）＋Ｄｂ（２）＋Ｄｂ（３））／３
＝（８Ｄ＋８（Ｄ＋１）+８（Ｄ＋１））／３
＝８Ｄ＋５、
Ｄｏ（３）＝（Ｄｂ（２）＋Ｄｂ（３）＋Ｄｂ（４））／３
＝（８（Ｄ＋１）＋８（Ｄ＋１）＋８（Ｄ＋４））／３
＝８（Ｄ＋２）、
Ｄｏ（４）＝（Ｄｂ（３）＋Ｄｂ（４）＋Ｄｂ（５））／３
＝（８（Ｄ＋１）＋８（Ｄ＋４）＋８（Ｄ＋４））／３
＝８（Ｄ＋３）、
Ｄｏ（５）＝（Ｄｂ（４）＋Ｄｂ（５）＋Ｄｂ（６））／３
＝（８（Ｄ＋４）＋８（Ｄ＋４）＋８（Ｄ＋４））／３
＝８（Ｄ＋４）、
Ｄｏ（６）＝（Ｄｂ（５）＋Ｄｂ（６）＋Ｄｂ（７））／３
＝（８（Ｄ＋４）＋８（Ｄ＋４）＋８（Ｄ＋４））／３
＝８（Ｄ＋４）、
Ｄｏ（７）＝（Ｄｂ（６）＋Ｄｂ（７）＋Ｄｂ（８））／３
＝（８（Ｄ＋４）＋８（Ｄ＋４）＋８(Ｄ＋５)）／３
＝８（Ｄ＋４）＋３
Ｄｏ（８）＝（Ｄｂ（７）＋Ｄｂ（８)＋Ｄｂ（９））／３
＝（８（Ｄ＋４）＋８（Ｄ＋５）＋８（Ｄ＋５））／３
＝８（Ｄ＋４）＋５
となる。

図１９乃至図２１は階調段差を含まない画像データに対して多階調化処理を行っている具体例を示す図である。図１９は、非線形階調変換部１１が出力する画像データＤｊ、図２０は、一次微分算出部８によって算出された図１９に示した画像データＤｊの一次微分データΔＤｊ、図２１は、ビットシフト処理部５によって図１９に示した画像データＤｊを３ビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋３ビットの画像データＤｂを示している。

図１１、図３、および図１９乃至図２１を用いて具体例を説明する。図１９に示した画像データＤｊの画素位置を０〜９とし、階調をそれぞれＤｊ（０）＝Ｄ、Ｄｊ（１）＝Ｄ、Ｄｊ（２）＝Ｄ、Ｄｊ（３）＝Ｄ、Ｄｊ（４）＝Ｄ、Ｄｊ（５）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（６）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（７）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（８）＝Ｄ＋４、Ｄｊ（９）＝Ｄ＋４とする。

画像データＤｊはビットシフト処理部５および階調段差検出部６に入力され、ビットシフト処理部５は、図１９に示した画像データＤｊを３ビットだけ上位にビットシフトし、図２１に示した画像データＤｂを階調処理部７に出力する。画素位置０〜９の階調はそれぞれ、Ｄｂ（０）＝８Ｄ、Ｄｂ（１）＝８Ｄ、Ｄｂ（２）＝８Ｄ、Ｄｂ（３）＝８Ｄ、Ｄｂ（４）＝８Ｄ、Ｄｂ（５）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（６）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（７）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（８）＝８（Ｄ＋４）、Ｄｂ（９）＝８（Ｄ＋４）となる。

階調段差検出部６では画像データＤｊが一次微分算出部８に入力され、一次微分算出部８は、（式２）を用いて図１９に示した画像データＤｊに対して一次微分データを算出し、図２０に示した一次微分データΔＤｊを階調段差条件判定部９に出力する。画素位置１〜８の一次微分データΔＤｊ（ｉ）はそれぞれ、
ΔＤｊ（１）＝Ｄｊ（２）−Ｄｊ（０）＝Ｄ−Ｄ＝０、
ΔＤｊ（２）＝Ｄｊ（３）−Ｄｊ（１）＝Ｄ−Ｄ＝０、
ΔＤｊ（３）＝Ｄｊ（４）−Ｄｊ（２）＝Ｄ−Ｄ＝０、
ΔＤｊ（４）＝Ｄｊ（５）−Ｄｊ（３）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋１）＝４、
ΔＤｊ（５）＝Ｄｊ（６）−Ｄｊ（４）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋１）＝４、
ΔＤｊ（６）＝Ｄｊ（７）−Ｄｊ（５）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋４）＝０、
ΔＤｊ（７）＝Ｄｊ（８）−Ｄｊ（６）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋４）＝０、
ΔＤｊ（８）＝Ｄｊ（９）−Ｄｊ（７）＝（Ｄ＋４）−（Ｄ＋４）＝０
となる。

階調段差条件判定部９は、ΔＤｊ（１）＝０、ΔＤｊ（２）＝０、ΔＤｊ（３）＝０、ΔＤｊ（４）＝４、ΔＤｊ（５）＝４、ΔＤｊ（６）＝０、ΔＤｊ（７）＝０、ΔＤｊ（８）＝０より、画素位置１〜８にはΔＤｊ（ｉ）＝Ｄｓ（２≦Ｄｓ≦Ｄｓmax＝３）もしくは−Ｄｓとなる連続する２画素がないので、図１９の画像データＤｊに対して階調段差が含まれないと判定する。

階調処理制御信号Ｃが図２１に示した画像データＤｂに対して階調段差が含まれないことを示しているので、階調処理部７は画像データＤｂをそのまま画像データＤｏとして出力する。

以上説明したように、非線形階調処理部１１から出力された画像データの一次微分データを用いることにより、階調段差を検出することができる。

これまで水平方向の画像データの多階調化処理について説明を行ってきたが、同様に垂直方向の画像データについて多階調化処理を行ってもよい。

また、実施の形態１と同様に、水平方向の多階調化処理と垂直方向の多階調化処理を順次行うことによって、水平および垂直の両方向について多階調化処理を行うことができる。

図２２は、以上に説明した本実施の形態に係る画像処理装置の処理工程を示すフローチャートである。

まず、画像信号Ｓａが入力端子１に入力され、受信部２は、画像信号Ｓａを受信してｎビットの画像データＤｉを出力する（ｓ１）。受信部２が出力する画像データＤｉは、非線形階調変換部１１に入力され、非線形階調変換部１１は、非線形の階調変換を行った画像データＤｊを出力する（ｓ２）。非線形階調変換部１１が出力する画像データＤｊは多階調処理部３のビットシフト処理部５と階調段差検出部６に入力され、ビットシフト処理部５では画像データをαビットだけ上位にビットシフトして画像データＤｂを出力する（ｓ３）。階調段差検出部６では画像データＤｊに対して階調段差の検出を行い、階調段差が含まれる領域かどうかを示す階調処理制御信号Ｃを出力する（ｓ４）。階調処理部７は、階調処理制御信号Ｃが階調段差を含むことを示す領域に対してのみ平滑化処理を行い画像データＤｏとして出力する（ｓ５）。階調処理部７が出力する画像データＤｏは表示部４に入力され、表示部４では画像データＤｏに基づいて画像を表示する（ｓ６）。

実施の形態３．
図２３は本発明の実施の形態３に係る画像表示装置の構成を示す図である。実施の形態３に係る画像表示装置は、入力端子１と、受信部２と、画像処理部１０とを有する画像処理装置と、表示部４とを有する。アナログの画像信号Ｓａが入力端子１より受信部２に入力され、受信部２は、アナログの画像信号Ｓａをｎビットの画像データＤｉに変換して画像処理部１０に出力する。画像処理部１０は、多階調化処理部３およびディザ処理部１２により構成され、ｎビットの画像データＤｉに対して多階調化処理やディザ処理などの画像処理を行いｎビットの画像データＤｐを表示部４に出力する。多階調化処理部３は、ビットシフト処理部５、階調段差検出部６および階調処理部７により構成され、ｎビットの画像データＤｉをｎ＋αビットの画像データＤｏに変換してディザ処理部１２に出力する。ディザ処理部１２は、ディザ処理によってｎ＋αビットの画像データＤｏをｎビットの画像データに変換し、ｎビットの画像データＤｐを表示部４に出力する。表示部４はｎビットの画像データＤｐに基づいて画像を表示する。

実施の形態１で説明したように、多階調化処理部３は、受信部２から出力されるｎビットの画像データＤｉに含まれる階調段差を検出し、検出された領域に対して平滑化処理を行ったｎ＋αビットの画像データＤｏをディザ処理部１２に出力する。

図２４はディザ処理部１２の動作を説明するための図である。図２４（ａ）は、ディザ処理を行う領域（２×２画素）、図２４（ｂ）はディザパターンの一例を示している。

ディザ処理部１２は、図２４（ａ）に示したｎ＋αビットの画素Ａ〜Ｄに図２４（ｂ）に示したディザパターンのそれぞれの位置に対応する値を加算後、量子化を行いｎビットの画像データを出力する。ディザ処理は、広い意味での量子化の一種と言える。

ｎ＋αビットの画像データＤｏの全ての画素に対して、図２４（ａ）に示した領域ごとにディザパターンを加算後、量子化を行い、ｎビットの画像データＤｐを出力する。

ディザ処理として図２４（ｂ）に示したディザパターンを加算する方法を示したが、ディザパターンのサイズや値など変えた他のディザ処理を用いてもよい。

次に具体的な例を用いてディザ処理部１２の動作を説明する。

図２５はディザ処理の具体例を示す図である。図２５（ａ）は、画像データＤｏのある領域（２×２画素）の画素Ａ〜Ｄの階調、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示した領域の画素に図２４（ｂ）のディザパターンのそれぞれの位置に対応する値を加算した後の階調、図２５（ｃ）は、図２５（ｂ）の階調を量子化した場合の階調を示している。

ディザ処理によってｎ＋２ビットの画像データＤｏをｎビットの画像データＤｐに変換する具体例を説明する。

ディザ処理部１２は、多階調化処理部３より画像データＤｏが入力される。図２５（ａ）に示すように、入力された画像データＤｏのある領域の階調をＤｏ（Ａ）＝１７、Ｄｏ（Ｂ）＝２１、Ｄｏ（Ｃ）＝３、Ｄｏ（Ｄ）＝９とする。

図２５（ａ）に示した画素Ａ〜Ｄに図２４（ｂ）に示したディザパターンのそれぞれの位置に対応する値を加算する。図２５（ｂ）に示すように画素Ａ〜Ｄのそれぞれの階調は、Ａ：１７＋０＝１７、Ｂ：２１＋１＝２２、Ｃ：３＋２＝５、Ｆ：９＋３＝１２となる。

図２５（ｂ）に示した画素Ａ〜Ｄのそれぞれの階調を２ビット分量子化し、画像データＤｐとして出力する。すなわち、Ａ：１７／４＝４、Ｂ：２２／４＝５、Ｃ：５／４＝１、Ｄ：１２／４＝３となる。

ディザ処理を用いて多階調化処理後のｎ＋αビットの画像データをｎビットの画像データに変換することにより、階調段差が平滑化処理された画像を擬似的な中間階調を使ってｎビットの表示部に表示することができる。

図２６に示すようにディザ処理の代わりに誤差拡散処理を用いてｎ＋αビットの画像データＤｏをｎビットの画像データＤｐに変換する処理を行ってもよい。誤差拡散処理も、広い意味での量子化の一種と言える。

誤差拡散処理部１３は、ｎ＋αビットの画像データＤｏをｎビットに量子化する際の量子化誤差をそれぞれの画素の周辺の画素に加算した画像データＤｐを出力する。

また、量子化誤差を周辺の画素に重み付け加算するような他の誤差拡散処理を用いてもよい。

具体例を用いて誤差拡散処理部１３の動作を説明する。

図２７は誤差拡散処理の具体例を示す図である。図２７（ａ）は、画像データＤｏのある領域（２×２画素）の画素Ａ〜Ｄの階調、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）に示した領域の画素の階調を量子化した場合の階調、図２７（ｃ）は、画素Ａの量子化誤差を画素Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれに加算した場合の階調、図２７（ｄ）は、図２７（ｃ）に示した階調を量子化した場合の階調を示している。

誤差拡散処理によってｎ＋２ビットの画像データＤｏをｎビットの画像データＤｐに変換する具体例を説明する。

誤差拡散処理部１３は、多階調化処理部３により画像データＤｏが入力される。図２７（ａ）に示すように、入力された画像データＤｏのある領域の階調をＤｏ（Ａ）＝１７、Ｄｏ（Ｂ）＝２１、Ｄｏ（Ｃ）＝３、Ｄｏ（Ｄ）＝９とする。

まず、図２７（ｂ）に示すように、図２７（ａ）に示した領域の画素を量子化する。すなわち、Ａ：１７／４＝４、Ｂ：２１／４＝５、Ｃ：３／４＝０、Ｄ：９／４＝２となる。

図２７（ｂ）で画素Ａを量子化した際の量子化誤差は１７−４×４＝１となり、量子化誤差１を画素Ｂ、Ｃ、Ｄにそれぞれ加算する。すなわち、Ｂ：２１＋１＝２２、Ｃ：３＋１＝４、Ｄ：９＋１＝１０となる。

図２７（ｃ）で示した量子化誤差を加算した階調を量子化し画像データＤｐとして出力する。すなわち、Ａ：１７／４＝４、Ｂ：２２／４＝５、Ｃ：４／４＝１、Ｄ：１０／４＝２となる。

誤差拡散を用いて多階調化後のｎ＋αビットの画像データをｎビットの画像データに変換することにより、階調段差が平滑化処理された画像を擬似的な中間階調を使ってｎビットの表示部に表示することができる。

実施の形態４．
図２８は本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の構成を示す図である。実施の形態４に係る画像表示装置は、入力端子１と、受信部２と、画像処理部１０とを有する画像処理装置と、表示部４とを有する。アナログの画像信号Ｓａが入力端子１より受信部２に入力され、受信部２は、アナログの画像信号Ｓａをｎビットの画像データＤｉに変換して画像処理部１０に出力する。画像処理部１０は、非線形階調変換部１１および多階調化処理部３、量子化処理部１４により構成され、ｎビットの画像データＤｉに対して非線形の階調変換や多階調化処理、量子化処理などの画像処理を行いｎビットの画像データＤｐを表示部４に出力する。非線形階調変換部１１は、画像データＤｉに対して非線形の階調変換を行い、ｎビットの画像データＤｊを多階調化処理部３に出力する。多階調化処理部３は、ビットシフト処理部５、階調段差検出部６および階調処理部７により構成され、ｎビットの画像データＤｊをｎ＋αビットの画像データＤｏに変換して量子化処理部１４に出力する。量子化処理部１４は、ｎ＋αビットの画像データＤｏを量子化によってｎビットの画像データに変換し、ｎビットの画像データＤｐを表示部４に出力する。表示部４はｎビットの画像データＤｐに基づいて画像を表示する。

実施の形態２で説明したように、多階調化処理部３は、非線形階調変換部１１より出力されるｎビットの画像データＤｊに含まれる階調段差を検出し、検出された領域に対して平滑化処理を行ったｎ＋αビットの画像データＤｏを量子化処理部１４に出力する。

次に具体的な例を用いて量子化処理部１４の動作を説明する。

図２９および図３０は量子化処理の具体例を示す図である。図２９は、図１５乃至図１８の具体例で示した多階調化処理部３が出力する画像データＤｏ、図３０は、量子化処理部２２によって図２９に示したｎ＋３ビットの画像データＤｏをｎビットに量子化した画像データＤｐを示している。

図２８乃至図３０を用いて量子化処理部１４の動作を説明する。

多階調化処理部３は、図１５乃至図１８の具体例で説明したように非線形階調変換部１１から出力される画像データＤｊに含まれる階調段差を検出し、検出された領域に対して平滑化処理を行った図２９のｎ＋３ビットの画像データＤｏを量子化処理部１４に出力する。量子化処理部１４は、ｎ＋３ビットの画像データＤｏをｎビットに量子化する。画素位置０〜９の階調はそれぞれ、Ｄｐ（０）＝Ｄ、Ｄｐ（１）＝Ｄ、Ｄｐ（２）＝Ｄ＋１、Ｄｐ（３）＝Ｄ＋２、Ｄｐ（４）＝Ｄ＋３、Ｄｐ（５）＝Ｄ＋４、Ｄｐ（６）＝Ｄ＋４、Ｄｐ（７）＝Ｄ＋４、Ｄｐ（８）＝Ｄ＋５、Ｄｐ（９）＝Ｄ＋５となる。

多階調処理後のｎ＋αビットの画像データを量子化することによって、階調段差が平滑化処理された画像をｎビットの表示部に表示することができる。

また、量子化処理部１４の代わりに、実施の形態３で説明したディザ処理部１２や誤差拡散部１３を用いてｎ＋αビットの画像データＤｏをｎビットの画像データＤｐに変換してもよい。なお、ディザ処理や誤差拡散は上記のように広い意味での量子化処理の一種である。

実施の形態５．
図３１は本発明の実施の形態５に係る画像表示装置の構成を示す図である。実施の形態５に係る画像表示装置は、入力端子１と、受信部２と、画像処理部１０とを有する画像処理装置と、表示部４とを有する。アナログの画像信号Ｓａが入力端子１より受信部２に入力され、受信部２は、アナログの画像信号Ｓａをｎビットの画像データＤｉに変換して画像処理部１０に出力する。画像処理部１０は、多階調化処理部３および非線形階調変換部１１により構成され、入力されたｎビットの画像データＤｉに対して多階調化処理や階調変換などの画像処理を行い、ｎビットの画像データＤｐを表示部４に出力する。多階調化処理部３は、ビットシフト処理部５、階調段差検出部６および階調処理部７により構成され、ｎビットの画像データＤｉをｎ＋αビットの画像データＤｏに変換して非線形階調変換部１１に出力する。非線形階調変換部１１はｎ＋αビットの画像データＤｏに対して非線形の階調変換を行い、ｎビットの画像データＤｐを表示部４に出力する。表示部４はｎビットの画像データＤｐに基づいて画像を表示する。

図３２は実施の形態５に係る画像表示装置の動作を説明するための図である。図３２（ａ）は受信部２が出力するｎビットの画像データＤｉ、図３２（ｂ）は、多階調化処理部３によって図３２（ａ）に示した画像データＤｉに対して多階調化処理を行ったｎ＋αビットの画像データＤｏ、図３２（ｃ）は、非線形階調変換部１１によって図３２（ｂ）に示した画像データに対して階調変換を行ったｎビットの画像データＤｐを示している。

図３１および図３２を用いて、実施の形態５に係る画像表示装置の詳細な動作を説明する。

受信部２は、アナログの画像信号Ｓａを図３２（ａ）に示したｎビットの画像データＤｉに変換して、多階調化処理部３に出力する。

多階調化処理部３は、図３２（ａ）に示した画像データＤｉの領域ｐ１と領域ｐ２を階調段差として検出し、検出された領域ｐ１と領域ｐ２に対して平滑化処理を行い、図３２（ｂ）に示した画像データＤｏを非線形階調変換部１１に出力する。

図３３は非線形階調変換部１１の入出力関係の一例の一部を表すグラフである。横軸は非線形階調変換部１１のｎ＋αビットの入力画像データＤｏの階調、縦軸はｎビットの出力画像データＤｐの階調を示している。

非線形階調変換部１１は、図３２（ｂ）に示した画像データＤｏを、図３３のグラフに示された入出力関係に基づいて図３２（ｃ）に示した画像データＤｐのように変換し、表示部４に出力する。図３３のグラフは、出力画像データＤｐの階調に合わせて量子化されるため、図３３のグラフ上に黒点でプロットしたようになる。図３３に示した量子化後のグラフに基づいて非線形階調変換部１１は、画像データＤｏの階調４ｋを階調ｍ、階調４ｋ＋１〜４ｋ＋３を階調ｍ＋１、階調４（ｋ＋１）〜４（ｋ＋１）＋１を階調ｍ＋２、４（ｋ＋１）＋２〜４（ｋ＋２）をｍ＋３に変換し、画像データＤｐとして出力する。

非線形階調変換部１１に入力される画像データを多階調化処理することにより、非線形の階調変換後の画像データにおいて出現しない階調を低減することができる。

上記した受信部２や、多階調処理部３の処理或いは多階調処理部３を含む画像処理部の処理は、ソフトウエアにより、即ちプログラムされたコンピュータにより実現することもできる。

本発明は、液晶テレビやプラズマテレビなどの画像表示装置に適用できる。

実施の形態１に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る画像表示装置の動作を説明するための図である。 実施の形態１に係る階調段差検出部の構成を示す図である。 実施の形態１に係る階調段差検出部の動作を説明するための図である。 実施の形態１に係る多階調化処理の具体例を説明するための図である。 実施の形態１に係る多階調化処理の具体例における画像データＤｉを示す図である。 実施の形態１に係る多階調化処理の具体例における、一次微分算出部８によって算出された図６の画像データＤｉの一次微分データΔＤｉを示す図である。 実施の形態１に係る多階調化処理の具体例における、ビットシフト処理部５によって図６に示した画像データＤｉを２ビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋２ビットの画像データＤｂを示す図である。 実施の形態１に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る画像処理装置の処理工程を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る画像表示装置の動作を説明するための図である。 実施の形態２に係る非線形階調変換部の動作を説明するための図である。 実施の形態２に係る階調段差検出部の動作を説明するための図である。 実施の形態２に係る多階調化処理の具体例を示す図であり、非線形階調変換部１１が出力する画像データＤｊを示す図である。 実施の形態２に係る多階調化処理の具体例における、一次微分算出部８によって算出された図１５に示した画像データＤｊの一次微分データΔＤｊを示す図である。 実施の形態２に係る多階調化処理の具体例における、ビットシフト処理部５によって図１５に示した画像データＤｊを３ビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋３ビットの画像データＤｂを示す図である。 実施の形態２に係る多階調化処理の具体例における、図１７に示した画像データＤｂに対応した階調処理部７が出力するｎ＋３ビットの画像データＤｏを示す図である。 実施の形態２に係る多階調化処理の具体例を示す図であり、非線形階調変換部１１が出力する画像データＤｊを示す図である。 実施の形態２に係る多階調化処理の具体例における、一次微分算出部８によって算出された図１９に示した画像データＤｊの一次微分データΔＤｊを示す図である。 実施の形態２に係る多階調化処理の具体例における、ビットシフト処理部５によって図１９に示した画像データＤｊを３ビットだけ上位にビットシフトしたｎ＋３ビットの画像データＤｂを示す図である。 実施の形態２に係る画像処理装置の処理工程を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態３に係るディザ処理部の動作を説明するための図である。 実施の形態３に係るディザ処理の具体例を示す図である。 実施の形態３に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態３に係る誤差拡散処理の具体例を示す図である。 実施の形態４に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態４に係る量子化処理の具体例における、図１５乃至図１８の具体例で示した多階調化処理部３が出力する画像データＤｏを示す図である。 実施の形態４に係る量子化処理の具体例における、量子化処理部２２によって図２９に示したｎ＋３ビットの画像データＤｏをｎビットに量子化した画像データＤｐを示している。 実施の形態５に係る画像表示装置の構成を示す図である。 実施の形態５に係る画像表示装置の動作を説明するための図である。 実施の形態５に係る非線形階調変換部の動作を示す図である。

符号の説明

１ 入力端子、 ２ 受信部、 ３ 多階調化処理部、 ４ 表示部、 ５ ビットシフト処理部、 ６ 階調段差検出部、 ７ 階調処理部、 ８ 一次微分算出部、 ９ 階調段差条件判定部、 １０ 画像処理部、 １１ 非線形階調変換部、 １２ ディザ処理部、 １３ 誤差拡散処理部、 １４ 量子化処理部。

Claims (21)

1. ｎビットの画像データに対して階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号を生成する階調段差検出部と、
   前記ｎビットの画像データをαビットだけビットシフトしたｎ＋αビットの画像データを生成するビットシフト処理部と、
   前記ビットシフト処理部が生成するｎ＋αビットの画像データの前記階調処理制御信号が示す階調段差が含まれる領域に対して平滑化処理を行ったｎ＋αビットの画像データを生成する階調処理部と
   を備えたことを特徴とする画像処理装置。
2. 前記階調段差検出部が、画素数をＸ、階調の変化をＹとすると、Ｙ／Ｘ＜１の条件で単調に増加、あるいは単調に減少する領域を検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記階調段差検出部が、連続する所定数の画素から成る領域で階調が１だけ階段状に変化するかどうかを検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の画像処理装置。
4. 前記階調段差検出部が、連続する所定数の画素から成る領域で階調が緩やかに変化する途中で階調がＤｓ（Ｄｓは２以上Ｄｓmax以下、Ｄｓ、Ｄｓmaxは正の整数）変化するかどうかを検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の画像処理装置。
5. 前記階調段差検出部が、ｎビットの画像データの一次微分データを算出する一次微分算出部と、連続する２画素の一次微分データがともに１、または、ともに−１である階調段差と、前記階調段差の左右の一次微分データが０である領域を段差領域として判定し、判定された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調段差制御信号を生成する階調段差条件判定部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の画像処理装置。
6. 前記階調段差検出部が、ｎビットの画像データの一次微分データを算出する一次微分算出部と、連続する２画素の一次微分データがともにＤｓ（Ｄｓは２以上Ｄｓmax以下、Ｄｓ、Ｄｓmaxは正の整数）である階調段差と一次微分データＤｓである階調段差の左右の一次微分データが０または１である領域、または、連続する２画素の一次微分データがともに−Ｄｓである階調段差と一次微分データが−Ｄｓである階調段差の左右の一次微分データが０または−１である領域を段差領域として判定し、判定された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調段差制御信号を生成する階調段差条件判定部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の画像処理装置。
7. 受信したアナログの画像信号をデジタルの画像データに変換し、ｎビットの画像データを生成する受信部をさらに有し、
   前記階調段差検出部が、前記受信部から出力されるｎビットの画像データに対して階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、
   前記ビットシフト処理部が、前記受信部から出力されるｎビットの画像データに対して前記ビットシフトを行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
8. 受信したアナログ画像信号をデジタルの画像データに変換し、ｎビットの画像データを生成する受信部と、
   前記受信部が生成するｎビットの画像データに対して非線形の階調変換を行い、ｎビットの画像データを生成する非線形階調変換部と
   をさらに備え、
   前記階調段差検出部が、前記非線形階調変換部から出力されるｎビットの画像データに対して階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、
   前記ビットシフト処理部が、前記非線形階調変換部から出力されるｎビットの画像データに対して前記ビットシフトを行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
9. 前記階調処理部が生成するｎ＋αビットの画像データに対して量子化を行い、ｎビットの画像データを生成する量子化処理部をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の画像処理装置。
10. 前記量子化処理部が、前記階調処理部が生成するｎ＋αビットの画像データにディザパターンを加算することで擬似的な中間階調を生成するディザ処理を用いて量子化を行うことを特徴とする請求項９に記載の画像処理装置。
11. 前記量子化処理部が、量子化誤差を周辺の画素に加算することで擬似的な中間階調を生成する誤差拡散処理を用いて量子化を行うことを特徴とする請求項９に記載の画像処理装置。
12. 前記階調処理部が生成するｎ＋αビットの画像データに対して量子化を行い、ｎビットの画像データを生成する量子化処理部をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の画像処理装置。
13. 前記量子化処理部が、前記階調処理部が生成するｎ＋αビットの画像データにディザパターンを加算することで擬似的な中間階調を生成するディザ処理を用いて量子化を行うことを特徴とする請求項１２に記載の画像処理装置。
14. 前記量子化処理部が、量子化誤差を周辺の画素に加算することで擬似的な中間階調を生成する誤差拡散処理を用いて量子化を行うことを特徴とする請求項１２に記載の画像処理装置。
15. 前記階調処理部が生成するｎ＋αビットの画像データに対して非線形の階調変換を行い、ｎビットの画像データを生成する非線形階調変換部をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の画像処理装置。
16. 請求項１乃至８のいずれかに記載の画像処理装置と、
    前記画像処理装置が生成するｎ＋αビットの画像データに基づいて画像を表示する表示部と
    を備えたことを特徴とする画像表示装置。
17. 請求項９乃至１５のいずれかに記載の画像処理装置と、
    前記画像処理装置が生成するｎビットの画像データに基づいて画像を表示する表示部と
    を備えたことを特徴とする画像表示装置。
18. ｎビットの画像データに対して階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、検出された領域に対して階調段差が含まれることを示す階調処理制御信号を生成する階調段差検出ステップと、
    前記ｎビットの画像データをαビットだけビットシフトしたｎ＋αビットの画像データを生成するビットシフト処理ステップと、
    前記ビットシフト処理ステップが生成するｎ＋αビットの画像データの前記階調処理制御信号が示す階調段差が含まれる領域に対して平滑化処理を行った画像データを生成する階調処理ステップと
    を備えたことを特徴とする画像処理方法。
19. 受信したアナログの画像信号をデジタルの画像データに変換し、ｎビットの画像データを生成する画像受信ステップをさらに有し、
    前記階調段差検出ステップが、前記受信ステップにより生成されたｎビットの画像データを受けて、階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、
    前記ビットシフト処理ステップが、前記受信ステップにより生成されたｎビットの画像データを受けて、ビットシフトを行う
    ことを特徴とする請求項１８に記載の画像処理方法。
20. 受信したアナログの画像信号をデジタルの画像データに変換し、ｎビットの画像データを生成する画像受信ステップと、
    前記画像受信ステップが生成するｎビットの画像データに対して非線形の階調変換を行い、ｎビットの画像データを生成する非線形階調変換ステップと
    をさらに有し、
    前記階調段差検出ステップが、前記非線形階調変換ステップで生成されたｎビット画像データに対して階調が緩やかに変化するかどうかを検出し、
    前記ビットシフト処理ステップが、前記非線形階調変換ステップで生成されたｎビットの画像データに対してビットシフトを行う
    ことを特徴とする請求項１８に記載の画像処理方法。
21. 請求項１８乃至２０のいずれかに記載の画像処理方法を用いて、
    前記画像処理方法により生成されたｎ＋αビットの画像データに基づいて画像を表示する表示ステップを備えたことを特徴とする画像表示方法。

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