JP2006295595A - 画像表示装置及び画像処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像をより見えやすくし、後続の画像処理に悪い影響を与えなく、高画質の映像がえられる画像表示装置及び画像処理方法を提供する。
【解決手段】 入力信号により画像を表示する際に、デジタル画像の輝度信号を補正する画像表示装置において、輝度信号を用いてコントロールポイントを生成する手段３と、生成したコントロールポイントに近似する曲線を生成する手段４と、生成した近似曲線により輝度処理を行う手段６とを備える。近似曲線は、スプライン関数を用いて作成する平滑な補正曲線である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像表示装置及び画像処理方法であり、特に液晶、ＰＤＰなどのマトリックス型パネルに表示するデジタル画像処理技術及び装置に関する。

表示内容に応じて画像の輝度信号をそのままで表示することでなく、白黒レベルを伸張し、ダイナミックレンジを強調してからパネルに表示することにより、画像はより鮮明に見える。

特許文献１では、画像の平均輝度とその標準偏差を使って、５つの変曲点を求めることが提案されている。求めた変曲点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ及び原点Ｏ（０，０）とＱ（１０２３，１０２３）を直線で繋げる。出来上がった折れ線ＯＡＢＣＤＥＱは輝度変換関数となる。詳細は図５に示されている。ここで横座標は変換前の入力輝度値であり、縦座標は変換後の出力輝度値である。変換前後の輝度値は１０ビット（０−１０２３）のデジタル信号である。点線ＯＱは輝度変換を行わないことを示す。即ち、出力信号は入力信号と同じである。

図５に示されたように、例えば、変曲点Ａが輝度の最小値としたら、Ａをより０値に近づけることは黒レベル伸張と呼ぶ。また、変曲点Ｅが輝度の最大値としたら、Ｅをより１０２３値に近づけることは白レベル伸張と呼ぶ。

図５において、白黒レベル伸張に合わせて、全ての輝度値に対して処理を施す。ＯＡＢＣ部分は入力信号より小さくなり、ＣＤＥＱ部分は入力信号より大きくなる。従って、画像のダイナミックレンジは大きくなる。画像はより鮮明に見える。
特開２００３−２５９１５４号公報

従来の技術には問題点が２つある。１つは変曲点を直線で繋げるだけであるため、輝度の出力は平滑性を失ってしまう。輝度信号には不連続変化が生じ、後続のエッジ強調やサイズ拡大操作などの画像処理部分に悪い影響を与えて、画質が劣化する。

もう１つは、従来の技術では画像のダイナミックレンジ強調だけを実現することである。変曲点の決め方はダイナミックレンジ強調を目的としていた。しかし、ダイナミックの圧縮も映像機器に求められた機能である。例えば、映画館は暗いため、映画の暗いシーンでも映画館でよく見える。映画をテレビで見る時に、環境が明るいと、暗いシーンが見えなくなることがよくある。従来の技術でダイナミックレンジ伸張を行うと、暗いシーンはより見えにくくなる。

従来技術の１つ目の問題を解決するために、スプライン関数を用いて、平滑な補正曲線を生成することにより、輝度処理を行う。

２つ目の問題点を解決するために、映画シーンの時に、ダイナミックレンジ伸張でなく、黒伸張を行うと同時にシーンの暗い部分を明るくして、ダイナミックレンジを圧縮することで暗いシーンでも見えやすくなる。

すなわち、本発明は、入力信号により画像を表示する際に、デジタル画像の輝度信号を補正する画像表示装置において、前記輝度信号を用いてコントロールポイントを生成する手段と、生成したコントロールポイントに近似する曲線を生成する手段と、生成した近似曲線により輝度処理を行う手段とを備える画像表示装置である。

また、本発明は、前記近似曲線は、スプライン関数を用いて作成する平滑な補正曲線である画像表示装置である。

そして、本発明は、白黒レベル伸張を行ってダイナミックレンジを圧縮する手段を備える画像表示装置である。

更に、本発明は、白黒レベル伸張を行ってダイナミックレンジを伸張する手段を備える画像表示装置である。

また、本発明は、前フレーム情報から計算した補正曲線を現在フレームの輝度補正に適用する手段を備える画像表示装置である。

そして、本発明は、輝度補正と連動して色差補正する手段を備える画像表示装置である。

更に、本発明は、入力信号により画像を表示する際に、デジタル画像の輝度信号を用いてコントロールポイントを生成することと、生成したコントロールポイントに近似する曲線を生成することと、生成した近似曲線により輝度処理を行うことを含む画像処理方法である。

また、本発明は、前記近似曲線は、スプライン関数を用いて作成する平滑な補正曲線である画像処理方法である。

本発明によれば、映像の内容に応じて異なる輝度補正方法を適用することで、画像をより見えやすくなる。スプライン関数で平滑な補正曲線を生成して、後続の画像処理に悪い影響を与えなく、高画質の映像がえられる。提案したコントロール生成方法で柔軟にコントロールポイントを生成できるので、色々な補正効果がえられる。色差を輝度補正と連動して補正することで、色褪せ等を防止することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の画像表示装置及び画像処理方法の概要と実施例について、図面を用いて説明する。

本発明の概要を説明する。本発明は、スプライン関数を用いて、平滑な補正曲線を生成することにより、輝度処理を行う。ｎ点のコントロールポイントＰｉ（ｉ＝０，１，ｎ−１）に対して、次式でその近似曲線を求めることができる。

ここで、ｎはコントロールポイントの数で、Ｐｉ＝｛ｕｉ，ｖｉ｝はコントロールポイントである。ｔは範囲が０−１である正規化入力変数で、輝度値最大値の１０２３に対して、ｔの離散間隔（増分）は１０２４分の１である。この時、｛ｘｔ，ｙｔ｝は１０２４個の出力になる。

演算量を抑えるために、コントロールポイントの数を制限する。平滑な曲線を作るには最低４つのコントロールポイントが必要である。この時のスプライン関数はｔの３次関数となる。ｎ＝４を式（１）に代入して式（２）が得られる。

図２には４つのコントロールポイントＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に基づき、式（２）で生成した曲線は示されている。
ｔ＝０の時に、式（２）から｛ｘｔ，ｙｔ｝＝｛ｕ０，ｖ０｝が解る。ここで、Ｐ０＝｛ｕ０，ｖ０｝である。
ｔ＝１の時に、式（２）から｛ｘｔ，ｙｔ｝＝｛ｕ３，ｖ３｝が解る。ここで、Ｐ３＝｛ｕ３，ｖ３｝である。

従って、式（２）で生成した曲線は両端にあるコントロールポイントに通過する。両端以外のコントロールポイントについては、生成した曲線がこれらのポイントに通らない。両端以外のコントロールポイントは曲線を生成する時に、その形（凹凸具合）を制御する役割を果たす。

白黒伸張とダイナミックレンジ強調を実現するために、コントロールポイント生成方法を提案する。図４はその原理を示す。

画像の最大輝度値をＭａｘとして、最小輝度値をＭｉｎとする。画像のダイナミックレンジはｄ＝Ｍａｘ−Ｍｉｎである。

コントロールポイントＰ０は座標の横軸にしておく。直線の長さＯＰ０はｒ０＝ｋ０＊Ｍｉｎで計算して、コントロールポイントＰ０の位置を決める。ｋ０は制御用係数である。

コントロールポイントＰ１は直線ＯＰ１の長さ、及びＯＰ１と座標横軸との間の角度θ１で決める。ＯＰ１の長さをｒ１と記し、ｒ１＝Ｍｉｎ＋ｋ１＊ｄにする。ここで、θ１とｋ１は制御用係数である。

コントロールポイントＰ２は直線ＱＰ２の長さ、及びＱＰ２とＱＺとの間の角度θ２で決める。ＱＰ２の長さをｒ２と記し、ｒ２＝（１０２３−Ｍａｘ）＋ｋ３＊ｄにする。ここで、θ２とｋ２は制御用係数である。

コントロールポイントＰ３は直線ＱＺにしておく。直線の長さＯＰ３はｒ３＝ｋ３＊（１０２３−Ｍａｘ）で計算して、コントロールポイントＰ３の位置を決める。ｋ３は制御用係数である。

各コントロールポイントの位置を原点Ｏの座標系で統一に次式で表す。

係数ｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，θ１，θ２を調整することにより、生成曲線の形を変えて、白黒レベル伸張とダイナミックレンジ強調の強度を制御することができる。

式（３）で求めたコントロールポイントを式（２）に適用し、図２の曲線Ｐ０Ｐ１Ｐ２Ｐ３を生成することができる。ＯＰ０の部分とＯＰ３の部分は直線で繋げることとする。

また、本発明は、映画シーンの時に、ダイナミックレンジ伸張でなく、黒伸張を行うと同時にシーンの暗い部分を明るくして、ダイナミックレンジを圧縮することで暗いシーンでも見えやすくなる。図３はダイナミックレンジを圧縮する原理を示している。Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は４つのコントロールポイントで、これらのコントロールポイントを式（２）に適用することで輝度変換曲線を生成している。黒白レベルを伸張できた同時に、ダイナミックレンジの圧縮ができて、暗い映画シーンが見えやすくなる。

ダイナミックレンジ圧縮できるように、コントロールポイント生成方法を提案する。ダイナミックレンジ伸張のコントロールポイントを決めるときと同じ用に、図４を参照する。この時に、θ１とθ２に４５度より大きい値を与えておいたら、図３のようなコントロールポイントが得られる。式（３）はそのまま利用できる。

実施例を説明する。図１は本発明の実施例を示す。入力信号は輝度値Ｙと色差Ｃとする。ここで、ＣはＣｒ、Ｃｂを指す。輝度最大値Ｍａｘ、最小値Ｍｉｎ検出部１では、画像輝度の最大最小値を検出する。ｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，θ１，θ２（パラメータ）記憶部２は関連パラメータを記憶する。これらのパラメータは例えば、テレビのリモーコンからメニュー画面から選択設定できる。コントロールポイント生成部３は検出したＭｉｎ，Ｍａｘ及びｋ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，θ１，θ２で式（３）を用いてコントロールポイントを生成する。輝度補正曲線生成部４は生成したコントロールポイントで補正曲線を生成する。ＬＵＴ記憶部５は生成した補正曲線を記憶する。輝度補正処理部６は入力輝度信号を記憶したＬＵＴ（輝度変換入出力対応テーブル）の内容で処理して出力する。

テレビの場合は、メモリを節約するために、現在フレーム画像を処理する際に、前のフレームのＭｉｎ，Ｍａｘを使って生成したＬＵＴを使用する。更新制御信号は計算した補正曲線をＬＵＴ記憶部５に書くタイミングを指示する。フレームとフレームの間のブランキング期間（画像データの無い時間）を更新期間として使うことが多い。

輝度補正処理して、色差信号をそのまま使うと、原画像に対して処理後の画像に色が褪せるなどの現象が生じるので、輝度補正に合わせて色補正を行う必要がある。色補正は、色差補正処理部７が行う。色補正は式（４）で行う。

図６は動画像の場合に輝度処理のシミュレーション結果を示す。輝度信号に対して白黒レベル伸張とダイナミックレンジ伸張を行う。制御パラメータはｋ０＝０．５，ｋ１＝０．２５，ｋ２＝０．２５，ｋ３＝０．５，θ１＝０，θ２＝０を使用する。

輝度の最小値はＭｉｎ０、最大値Ｍａｘ０の時に、４つのコントロールポイントは式（３）で計算され、Ｐ００，Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ３０となる。これらのコントロールポイントに対応する補正曲線はＬ０である。

輝度の最小値はＭｉｎ１、最大値Ｍａｘ１の時に、４つのコントロールポイントは式（３）で計算され、Ｐ０１，Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ３１となる。これらのコントロールポイントに対応する補正曲線はＬ１である。

輝度の最小値はＭｉｎ２、最大値Ｍａｘ２の時に、４つのコントロールポイントは式（３）で計算され、Ｐ０２，Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ３２となる。これらのコントロールポイントに対応する補正曲線はＬ２である。

輝度の最小値はＭｉｎ３、最大値Ｍａｘ３の時に、４つのコントロールポイントは式（３）で計算され、Ｐ０３，Ｐ１３，Ｐ２３，Ｐ３３となる。これらのコントロールポイントに対応する補正曲線はＬ３である。

このシミュレーションから動画像のＭｉｎとＭａｘの変化に対して輝度が適応補正されることが分かる。

映画シーンに対してダイナミックレンジ圧縮機能は同じ仕組みで実現できる。ここで省略する。

以上実施例で説明したように、本発明によれば、画像をより見えやすくし、高画質の映像を得ることができる。

実施例における輝度補正処理の説明図。 実施例の補正曲線生成技術の説明図。 実施例におけるダイナミック圧縮技術の説明図。 実施例におけるコントロールポイント計算の説明図。 従来の技術の説明図。 動画像の適応型輝度補正の説明図。

符号の説明

１ 輝度最大値最小値検出部
２ パラメータ記憶部
３ コントロールポイント生成部
４ 輝度補正曲線生成部
５ ＬＵＴ記憶部
６ 輝度補正処理部
７ 色差補正処理部

Claims (8)

1. 入力信号により画像を表示する際に、デジタル画像の輝度信号を補正する画像表示装置において、
   前記輝度信号を用いてコントロールポイントを生成する手段と、生成したコントロールポイントに近似する曲線を生成する手段と、生成した近似曲線により輝度処理を行う手段とを備えることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記近似曲線は、スプライン関数を用いて作成する平滑な補正曲線である請求項１記載の画像表示装置。
3. 白黒レベル伸張を行ってダイナミックレンジを圧縮する手段を備える請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 白黒レベル伸張を行ってダイナミックレンジを伸張する手段を備える請求項１又は２に記載の画像表示装置。
5. 前フレーム情報から計算した補正曲線を現在フレームの輝度補正に適用する手段を備える請求項３又は４に記載の画像表示装置。
6. 輝度補正と連動して色差補正する手段を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 入力信号により画像を表示する際に、デジタル画像の輝度信号を用いてコントロールポイントを生成することと、生成したコントロールポイントに近似する曲線を生成することと、生成した近似曲線により輝度処理を行うことを含むことを特徴とする画像処理方法。
8. 前記近似曲線は、スプライン関数を用いて作成する平滑な補正曲線である請求項７記載の画像処理方法。
   
   

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