JP2007052127A - 画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラム - Google Patents

画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】画質を向上させることができる画像処理装置を提供すること。
【解決手段】動画像に含まれる第1のフレームを液晶表示装置に表示した際に1フレーム期間経過後に各画素が到達する階調の予測値である予測到達階調を記憶するフレームメモリ140と、予測到達階調と第2のフレームの階調である入力階調との差分である第1の差分階調を算出し、強調係数を第1の差分階調に乗じ、強調係数を乗じた第1の差分階調と、予測到達階調との和である強調階調を算出する強調階調算出部120と、強調階調と、予測到達階調との差分である第2の差分階調を算出し、補正係数を第2の差分階調に乗じ、補正係数が乗じられた第2の差分階調と、予測到達階調との和でフレームメモリ140に記憶された予測到達階調の値を更新する予測到達階調算出部130とを備えた。
【選択図】 図1

Description

この発明は、液晶表示装置に表示する動画像を処理する画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラムに関するものである。
近年、液晶表示装置は、PC(Personal Computer)用モニタ、ノートPC、テレビといった広い分野にわたって普及しており、それに伴い、液晶表示装置で動画を見る機会が非常に増えている。しかし、液晶表示装置は、液晶の応答速度が十分に速くはないために、動画を表示した際にボケや残像のような画質劣化が生じる。一般に、液晶表示装置のリフレッシュレートは、60Hzであるため、動画表示に対応するために16.7ms以下の応答速度が目標とされている。
液晶表示装置の応答速度を速くするために、応答速度の速い新規の液晶材料の開発や、従来の液晶材料を用いた液晶表示装置の駆動方法の改良等が行われている。新規の液晶材料としては、スメクチック系の強誘電性液晶、反強誘電性液晶等の開発が行われているが、液晶材料の自発分極の影響による焼き付きの問題、圧力等により液晶の配向状態が破壊されやすい問題など、解決すべき課題は多い。
一方、従来の液晶材料を用いた液晶表示装置の駆動方法を改良することにより、液晶表示装置の応答速度を改善する手法としては、表示されている階調が変化する際の書き込み階調に必要に応じて所定の階調を加算した階調(強調階調)を液晶表示装置に書き込む方法が提案されている(例えば、特許文献1)。特許文献1の方法では、強調階調を比較的簡単な演算により求めているため、ソフトウェアによる高速処理が可能である。
特開2003−264846号公報
しかしながら、特許文献1の方法では、一部の階調間において応答速度の改善効果が不十分であるという問題があった。例えば、0階調から255階調への変化においては、映像データの取りうる階調は、一般に高々255(8ビット)であるため、書き込む階調を強調することはできない。そのため、強調階調も255となるが、この場合、1フレーム後には応答が完了できない。ところが、特許文献1の構成では、次フレームの強調階調を求める際に、現フレームが255に到達したとして次フレームの強調階調を算出するため、アンダーシュート等の応答波形の乱れが生じる。このような液晶表示装置の応答波形の乱れは、液晶表示装置に表示される動画の劣化として視認される。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、比較的簡単な演算により、液晶表示装置に表示する動画像の応答波形の乱れを低減し、画質を向上させることができる画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、液晶表示装置に表示する動画像を処理する画像処理方法において、前記動画像に含まれる第1のフレームを前記液晶表示装置に表示した際に1フレーム期間経過後に各画素が到達する階調の予測値である予測到達階調を記憶する記憶部に記憶された前記予測到達階調と、前記第1のフレームの後に表示する第2のフレームの階調である入力階調との差分である第1の差分階調を算出する第1の差分算出ステップと、強調係数を前記第1の差分階調に乗ずる強調係数乗算ステップと、前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と、前記予測到達階調との和である強調階調を算出する加算ステップと、前記強調階調と、前記予測到達階調との差分である第2の差分階調を算出する第2の差分算出ステップと、補正係数を前記第2の差分階調に乗ずる補正係数乗算ステップと、前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調との和で、前記記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新する更新ステップと、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、液晶表示装置に表示する動画像を処理する画像処理装置において、前記動画像に含まれる第1のフレームを前記液晶表示装置に表示した際に1フレーム期間経過後に各画素が到達する階調の予測値である予測到達階調を記憶する予測到達階調記憶部と、前記予測到達階調記憶部に記憶された前記予測到達階調と、前記第1のフレームの後に表示する第2のフレームの階調である入力階調との差分である第1の差分階調を算出し、算出した前記第1の差分階調に強調係数を乗じ、前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と、前記予測到達階調との和である強調階調を算出する強調階調算出部と、前記強調階調と、前記予測到達階調との差分である第2の差分階調を算出し、補正係数を前記第2の差分階調に乗じ、前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調との和で前記予測到達階調記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新する予測到達階調算出部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、液晶表示装置に表示する動画像を処理する画像処理プログラムにおいて、前記動画像に含まれる第1のフレームを前記液晶表示装置に表示した際に1フレーム期間経過後に各画素が到達する階調の予測値である予測到達階調を記憶する記憶部に記憶された前記予測到達階調と、前記第1のフレームの後に表示する第2のフレームの階調である入力階調との差分である第1の差分階調を算出する第1の差分算出手順と、強調係数を前記第1の差分階調に乗ずる強調係数乗算手順と、前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と、前記予測到達階調との和である強調階調を算出する加算手順と、前記強調階調と、前記予測到達階調との差分である第2の差分階調を算出する第2の差分算出手順と、補正係数を前記第2の差分階調に乗ずる補正係数乗算手順と、前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調との和で前記記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新する更新手順と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
本発明によれば、比較的簡単な演算により、液晶表示装置の遅い応答速度に起因する動画のボケや、応答波形の乱れによる画質の劣化が生じない、めりはりのある映像を利用者に提示することができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラムの最良な実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態にかかる画像処理装置は、前のフレームの表示の際に到達すべき階調(到達階調)の予測値である予測到達階調を算出し、算出した予測到達階調と、次に表示する階調として入力された入力階調とから強調階調を算出するものである。
ここで、強調階調とは、1フレームの時間内に到達階調に達するために、液晶表示装置の応答遅延を考慮して予め定められた階調を加算して強調した階調をいう。以下では、予測到達階調を予測到達映像データ、入力階調を入力映像データ、強調階調を強調映像データという。
図1は、第1の実施の形態にかかる画像処理装置100の構成を示すブロック図である。同図に示すように、画像処理装置100は、強調階調算出部120と、強調階調修正部121と、予測到達階調算出部130と、フレームメモリ140とを備えている。
最初に、画像処理装置100における画像処理の概要を説明する。まず、Nフレーム(表示を行う現在のフレーム)の入力映像データが強調階調算出部120に入力され、フレームメモリ140から出力されたN−1フレーム(前のフレーム)の予測到達映像データを用いて、フレームの各画素の階調について、強調階調が算出され、強調階調修正部121による修正の後、Nフレームの強調映像データとして出力される。Nフレームの強調映像データは、液晶ディスプレイ200に出力され、画面に表示される。
また、Nフレームの強調映像データは、予測到達階調算出部130に入力される。予測到達階調算出部130では、フレームメモリ140から出力されるN−1フレーム予測到達映像データと、Nフレームの強調映像データを用いて、Nフレームの予測到達映像データを算出して出力する。Nフレームの予測到達映像データは、フレームメモリ140に入力され、N−1フレームの予測到達映像データから、Nフレームの予測到達映像データに更新される。このようにして、強調映像データおよび予測到達映像データの算出処理がフレームごとに繰り返し実行される。
次に、図1に示した画像処理装置100を構成する各構成要件の機能について説明する。フレームメモリ140は、予測到達階調算出部130が算出した予測到達映像データを記憶するものである。
強調階調算出部120は、入力されたNフレームの入力映像データと、N−1フレームの予測到達映像データとを用いてNフレームの強調映像データ(強調階調)を算出するものである。強調階調算出処理の詳細は後述する。
強調階調修正部121は、強調階調算出部120が算出した強調映像データの値を、液晶ディスプレイ200で取り扱える範囲内の値に修正するものである。また、強調階調修正部121は、Nフレームの入力階調と、N−1フレームの予測到達階調との差分の絶対値が閾値未満の場合に、Nフレームの入力階調をそのまま出力する閾値処理を実行するように構成してもよい。強調階調修正処理の詳細は後述する。
予測到達階調算出部130は、Nフレームの強調映像データとN−1フレームの予測到達映像データを用いてNフレームの予測到達映像データを算出し、フレームメモリ140に保持されているN−1フレームの予測到達映像データを、算出したNフレームの予測到達映像データに更新するものである。予測到達階調算出処理の詳細は後述する。
次に、強調階調算出部120による強調階調算出処理、強調階調修正部121による強調階調修正処理の詳細について説明する。
強調階調算出部120は、以下の(1)式に従い強調映像データを算出する。
Figure 2007052127
ここで、LI(N)、LR(N)、LE(N)はそれぞれ、Nフレームの入力映像データの階調、予測到達映像データの階調、強調映像データの階調を示しており、αは、強調係数と呼ぶ、液晶ディスプレイ200に固有の値である。
なお、入力映像の先頭フレームでは、フレームメモリ140に前フレームの予測到達映像データが保持されていないが、この場合は、予めフレームメモリ140を0にリセットした値(LR(0)=0)、または、先頭フレームの値を用いて(LR(0)=LI(N))、強調映像データを算出すればよい。
例えば、フレームメモリ140を0にリセットした値を用いる場合は、(1)式にLR(N−1)=0を代入して得られるαLI(N)、すなわち、入力映像データと強調係数との積が強調階調として算出される。
また、先頭フレームの値を用いる場合は、(1)式にLR(N−1)=LI(N)を代入して得られるLI(N)、すなわち、入力映像データそのものが強調階調として算出される。これは、フレーム間に差分が存在しない静止画を表示している場合と同じとなる。
ここで、強調係数αについて説明する。図2は、強調係数の算出方法を示す説明図である。同図に示すように、横軸に到達階調と初期階調の差分、縦軸に強調階調と初期階調の差分をとり、最小二乗誤差法等を用いて近似して得られた直線201の傾きの値が、強調係数αに相当する。
すなわち、液晶ディスプレイ200を、ある初期階調からある到達階調に変化させる場合に、1フレーム期間後(一般に16.7ms後)に到達階調に変化するために必要となる強調階調(実際に液晶ディスプレイ200に書き込む階調)を測定し、それらの関係から強調係数αを算出することができる。
なお、初期階調とは、表示されているフレーム(前のフレーム)の階調であり、次に表示するフレームの階調である到達階調に対する基準となる階調をいう。また、強調係数αは、簡易的に、以下の(2)式より算出することができる。
Figure 2007052127
ここで、τは、液晶ディスプレイ200の0−90%応答速度、Δtは、1フレーム期間(一般に16.7ms)を示している。(2)式は、液晶ディスプレイ200の透過率と時間の近似式である以下の(3)式から算出することができる。
Figure 2007052127
なお、T(t)は時刻tにおける液晶パネルの透過率(液晶ディスプレイ200の明るさに相当)であり、液晶パネルの透過率がT0からT1に変化する場合の時間応答を表している。
ここで、1フレーム期間Δt(一般に16.7ms)後に、液晶ディスプレイ200の階調がL0(透過率でT0に相当)から所望の階調L1(透過率でT(1/60)に相当)に到達するために必要な強調階調LE(透過率でT1に相当)の関係を(3)式に当てはめると、以下の(4)式が得られる。
Figure 2007052127
(4)式を強調階調LEについて解くと、(1)式の関係が得られ、強調係数αが(2)式に相当することが得られる。さらに、強調係数αをα´=α−1と置き直すと、(1)式は、以下の(5)式のように書き換えることができるため、強調階調算出部120は、(5)式を用いて強調階調を算出するように構成してもよい。
Figure 2007052127
この際、強調階調修正部121が、閾値処理による強調の適用、非適用の判定を行うように構成してもよい。すなわち、(1)式または(5)式を用いて決定した強調階調に対し、強調階調修正部121が、以下の(6)式で示すような強調階調の修正処理を行う。
Figure 2007052127
ここで、Lthは、強調の適用、非適用を決める閾値であり、Nフレームの入力階調と、N−1フレームの予測到達階調の差分の絶対値が閾値未満の場合は、Nフレームの入力階調をそのまま出力することとなる。これにより、入力映像がノイズを多く含んでいる場合のノイズの強調の防止や、予測到達階調の予測誤差による強調階調の誤差を低減する効果が得られる。
入力映像の色空間がRGBの三原色である場合、(1)式は、以下の(7)式のように表される。
Figure 2007052127
ここで、R、G、Bは、映像データの三原色の各階調を示しており、添え字は、(1)式と同様である。同様に、(5)式は、以下の(8)式のように表される。
Figure 2007052127
このとき、強調階調修正部121は、(6)式で表される閾値処理を各RGBの階調に対し適用してもよいが、RGBの階調から輝度成分Yを計算し、Yに対して閾値処理を行い、RGBの階調に対する強調の適用、非適用を決定するように構成してもよい。すなわち、強調階調修正部121は、以下の(9)式のような閾値処理を行う。
Figure 2007052127
ここで、Ythは、強調の適用、非適用を決める閾値であり、RI、GI、BIから計算されるYIと、RR、GR、BRから計算されるYRの差分の絶対値がYth未満の時は、入力映像データのRI、GI、BIをそのまま出力する。
R、G、BからYへの変換は、いくつかの係数が存在するが、第1の実施の形態では、以下の(10)式のような係数を用いた。なお、係数はこれに限るものではなく、RGB色空間からYUV色空間への変換の際に一般的に用いられているあらゆる係数を使用することができる。
Figure 2007052127
(7)式では、色空間をRGBの三原色としたが、(7)式を線形変換することで、輝度、色差成分より構成されるYUV色空間に対応することもできる。すなわち、RGB色空間とYUV色空間の相互の変換は、線形変換であり、変換マトリックスをMとすると、(7)式の関係は、以下の(11)式のように表される。
Figure 2007052127
ここで、Y、U、Vは、入力映像データのYUV色空間における階調を示している。変換マトリックスMは、様々な係数を取りうるが、第1の実施の形態では、以下の(12)式のような係数を用いた。なお、変換マトリックスはこれに限るものではなく、RGB色空間からYUV色空間への変換の際に一般的に用いられているあらゆる変換マトリックスを使用することができる。
Figure 2007052127
(11)式の中央の2項について、MおよびM-1の行列の内積は1であるため、以下の(13)式のような関係が得られる。
Figure 2007052127
(8)式についても同様に、以下の(14)式のような関係が得られる。
Figure 2007052127
また、輝度、色差成分であるYCbCr色空間に対しても、YUV色空間と同様に変換することができる。さらに、RGB色空間からの線形変換により変換可能なその他のあらゆる色空間についても、同様の式変形で対応することができる。
このように、第1の実施の形態では、YUV色空間などの、PC上で保存・再生される映像やデジタル放送の圧縮された映像(MPEG−2、MPEG−4、H.264など)に広く用いられ、輝度・色差成分により構成される色空間から、RGB色空間に変換することなく、直接YUV色空間において強調された階調を算出することができる。
なお、YUV色空間では、(13)式を以下の(15)式ように簡略化してもよい。
Figure 2007052127
(15)式は、入力映像の輝度成分であるYにのみ強調を行い、色差成分であるU、Vには強調を行わず入力映像データの階調をそのまま出力することを意味している。一般に、輝度成分の周波数感度は、色差成分の周波数感度に比べ高いため、輝度成分のみが強調されて液晶ディスプレイ200の応答特性が改善されるだけであっても、視覚上、応答特性が改善されるからである。
(15)式を用いる構成では、フレームメモリ140に保持するN−1フレームの予測到達映像データがYのみとなるため、YUV色空間全体を保持する場合に比べメモリを削減することが可能となる。また、計算量およびメモリへのアクセス回数も削減することが可能となり、処理量(処理時間)を軽減することができる。同様に、(14)式についても、以下の(16)式のように表すことができる。
Figure 2007052127
YUV色空間における閾値処理による強調の適用、非適用については、各YUVの階調について、(6)式のような閾値処理を行ってもよいし、(9)式と同様に、Y値の閾値処理により以下の(17)式に従い処理してもよい。
Figure 2007052127
強調階調算出部120で算出する強調映像データは、いずれの色空間においても、階調の取りうるデータの範囲に制限がある。一般に映像データは8ビットで表現されるため、階調の取りうるデータの範囲は0〜255である。しかし、上記に示したような強調階調算出の演算を行った場合、階調の値や強調係数によっては、強調階調が0未満となる場合や、255を超える場合が発生する。この場合、以下の(18)式に示すように、強調階調修正部121が、強調階調を飽和処理しなければならない。
Figure 2007052127
RGB色空間やYUV色空間についても同様である。このようにして、強調階調修正部121により飽和処理がなされた強調階調LE´は、Nフレームの強調映像データとして液晶ディスプレイ200に出力される。
次に、予測到達階調算出部130による予測到達階調算出処理の詳細について説明する。予測到達階調算出部130は、以下の(19)式に従い予測到達階調を算出する。
Figure 2007052127
ここで、βは補正係数と呼ぶ値である。補正係数βは、強調係数αと以下の(20)式に示すような関係であることが望ましい。
Figure 2007052127
(20)式は、以下に示す関係より導くことができる。まず、液晶ディスプレイ200の応答特性は、(1)式および(4)式より、以下の(21)式のように表すことができる。
Figure 2007052127
N−1フレームの予測到達階調からNフレームの入力階調に変化する際に(1)式により求められる強調階調を書き込んだ場合、(21)式は、以下の(22)式のように書き換えられる。
Figure 2007052127
しかし、実際には、強調階調は、(18)式に従いLE´に修正されているため、Nフレームの入力階調には到達することができず、実際にNフレームで到達する階調をNフレームの予測到達階調LR(N)とすると、(22)式は、以下の(23)式のように書き換えられる。
Figure 2007052127
(23)式をLR(N)について解くと以下の(24)式が得られる。
Figure 2007052127
(24)式と(19)式から、上述の(20)式の関係が導かれる。ただし、(20)式の関係は、厳密に成立する必要はなく、補正係数が強調係数の逆数に近い値であればよい。また、α´=α−1と置き直して以下の(25)式によりNフレームの予測到達階調LR(N)を算出してもよい。
Figure 2007052127
この場合、補正係数βはα´に対して、以下の(26)式に示すような関係にある。
Figure 2007052127
入力映像がRGB色空間の三原色である場合は、強調階調算出処理と同様に、(19)式は以下の(27)式のように表される。
Figure 2007052127
入力映像がYUV色空間の輝度、色差成分から構成される場合も、同様に(19)式は以下の(28)式のように表される。
Figure 2007052127
いずれの色空間においても、補正係数βは、(20)式または(26)式を満たしていることが望ましい。YUV色空間において(15)式のように輝度成分のみを用いて強調階調を算出した場合は、予測到達階調算出部130も同様に以下の(29)式ように輝度成分のみを処理する構成とすることができる。
Figure 2007052127
以上説明したように、Nフレームの強調映像データとN−1フレームの予測到達映像データを用いてNフレームの予測到達映像データが算出され、算出された予測到達映像データが、次の処理で参照するためにフレームメモリ140に入力され更新される。
次に、このように構成された第1の実施の形態にかかる画像処理装置100による画像処理について説明する。図3は、第1の実施の形態における画像処理の全体の流れを示すフローチャートである。
まず、強調階調算出部120が、入力映像データを取得する(ステップS301)。次に、強調階調算出部120が、入力映像データと、前のフレームにおける予測到達映像データとから、強調映像データを算出する(ステップS302)。
具体的には、上述の(1)式のLI(N)に入力映像データを、LR(N−1)に前のフレームにおける予測到達映像データを代入し、LE(N)を算出して強調映像データとする。
次に、強調階調修正部121が、強調映像データが予め定められた範囲外であるか否かを判断する(ステップS303)。範囲外である場合は(ステップS303:YES)、強調階調修正部121は、強調映像データを予め定められた範囲内の値に修正する(ステップS304)。
具体的には、強調階調修正部121は、(18)式に示すように、算出した強調映像データが予め定められた範囲の最小値(例えば0)より小さい場合、強調映像データを0に修正し、予め定められた範囲の最大値(例えば255)より大きい場合は、強調映像データを255に修正する。
次に、予測到達階調算出部130は、算出した強調映像データと前のフレームの予測到達映像データとから次フレームの予測到達映像データを算出する(ステップS305)。
具体的には、予測到達階調算出部130は、上述の(19)式のLE´(N)に、強調階調修正部121により修正された強調映像データを、LR(N−1)に前のフレームにおける予測到達映像データを代入し、LR(N)を算出して予測到達映像データとする。
次に、強調階調修正部121が、修正された強調映像データを液晶ディスプレイ200に出力し(ステップS306)、画像処理を終了する。なお、予測到達映像データの算出処理と、液晶ディスプレイ200への出力処理は独立した処理であるため、ステップS305とステップS306の順序を入れ替えてもよいし、同時に実行するように構成してもよい。
次に、第1の実施の形態にかかる画像処理装置100における画像処理の具体例について説明する。強調係数αが1.42の液晶ディスプレイ200に、0フレームまで0階調、1フレームで255階調、2フレーム以降で80階調が表示される場合を考える。0フレームから1フレームの変化では、0フレーム(N−1フレーム)の予測到達階調は0階調、1フレーム(Nフレーム)の入力階調は255階調であるため、強調階調算出部120では、(1)式を用いて以下の(30)式のような計算により強調階調が算出される。
Figure 2007052127
ただし、映像データは8ビット、すなわち255階調までの値しか取れないため、(18)式に従い、強調階調修正部121により強調階調は修正され、255階調に飽和処理された後、液晶ディスプレイ200に表示される。予測到達階調算出部130では、1フレーム(Nフレーム)の強調階調255と、0フレーム(N−1フレーム)の予測到達階調0を用いて、(19)式により以下の(31)式のように1フレーム(Nフレーム)の予測到達階調を算出する。
Figure 2007052127
なお、ここで、補正係数は(20)式の関係を用いた。(31)式の結果は、1フレームの入力階調255と、1フレームの予測到達階調180が異なる値であること、すなわち、1フレーム期間で液晶ディスプレイ200の応答が完了しないことを示している。
次のフレームでは、1フレーム(N−1フレーム)の予測到達階調は180階調、2フレーム(Nフレーム)の入力階調は80階調であるため、強調階調算出部120では、(1)式を用いて以下の(32)式のような計算により強調階調が算出される。
Figure 2007052127
算出された強調階調は、液晶ディスプレイ200に表示される。予測到達階調算出部130では、2フレーム(Nフレーム)の強調階調38と、1フレーム(N−1フレーム)の予測到達階調180を用いて、(19)式により以下の(33)式のように2フレーム(Nフレーム)の予測到達階調を算出する。
Figure 2007052127
(33)式の結果は、2フレームの入力階調と2フレームの予測到達階調が等しいこと、すなわち、液晶ディスプレイ200の応答が1フレーム期間で完了していることを示している。
一方、従来の技術のように、1フレームの予測到達階調180を用いず、液晶ディスプレイ200の応答が完了しているとして、1フレームの入力階調255を用いて、2フレームの強調階調を算出すると、以下の(34)式のように計算される。
Figure 2007052127
図4は、液晶ディスプレイ200の応答波形の一例を示す説明図である。同図において、波形401が予測到達階調を用いた場合の応答波形、波形402が予測到達階調を用いない場合の応答波形を表している。
従来の技術のように、予測到達階調を用いない場合、液晶ディスプレイ200が1フレームで255階調に到達していないにもかかわらず、255に到達しているとして、2フレームの強調階調である7階調が求められ、液晶ディスプレイ200に表示されるため、過強調となり、同図の波形402に示すように応答波形にアンダーシュートが発生する。
一方、第1の実施の形態のように、予測到達階調を用いた場合は、1フレームの実際の到達階調である180階調を用いて2フレームの強調階調である38階調が求められ液晶ディスプレイ200に表示されるため、同図の波形401に示すように1フレーム期間で80階調に到達している。
このように、第1の実施の形態にかかる画像処理装置100では、前のフレームの予測到達階調を算出し、算出した予測到達階調と入力階調とから強調階調を算出して液晶表示装置に出力することができるため、比較的簡単な演算により、液晶表示装置の遅い応答速度に起因する動画のボケや、応答波形の乱れによる画質の劣化が生じない、めりはりのある映像を利用者に提示することができる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態にかかる画像処理装置は、予測到達階調と入力階調との差分の絶対値が予め定められた値より小さい場合に、予測到達階調として入力階調の値を使用するものである。
図5は、第2の実施の形態にかかる画像処理装置500の構成を示すブロック図である。同図に示すように、画像処理装置500は、強調階調算出部120と、強調階調修正部121と、予測到達階調算出部130と、予測到達階調修正部531と、フレームメモリ140とを備えている。
第2の実施の形態においては、予測到達階調修正部531を追加したことが第1の実施の形態と異なっている。その他の構成および機能は、第1の実施の形態にかかる画像処理装置100の構成を表すブロック図である図1と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。
予測到達階調修正部531は、予測到達階調算出部130が算出した予測到達映像データの値と、入力映像データの値の、差分の絶対値が予め定められた閾値より小さい場合に、予測到達映像データの値を入力映像データの値に修正するものである。
具体的には、予測到達階調修正部531は、以下の(35)式に示すような閾値処理により、予測到達階調を入力階調に修正する。
Figure 2007052127
ここで、Lth2は、予測到達階調を入力階調に修正するかどうかを決める閾値である。すなわち、Nフレームの入力階調とN−1フレームの予測到達階調の差分の絶対値が所定の閾値Lth2未満であれば、Nフレームの予測到達階調をNフレームの入力階調に修正する。これにより、Nフレームの入力階調とN−1フレームの予測到達階調の差分が十分小さくなった場合に、予測到達階調を入力階調とすることで、予測到達階調に現れる誤差をリセットし、誤差がフレーム間を伝播していくことを防止することができる。
また、RGB色空間の場合、予測到達階調修正部531は、各RGBの階調について、(35)式のような閾値処理を行ってもよいし、RGBの階調からYを求め、以下の(36)式ように閾値処理を行ってもよい。
Figure 2007052127
ここで、Yth2は、予測到達階調を入力階調に修正するかどうかを決める閾値である。
また、YUV色空間の場合、予測到達階調修正部531は、各YUVについて閾値処理を行ってもよいし、以下の(37)式に示すように、Y値についてのみ比較を行い、閾値処理を行うように構成してもよい。
Figure 2007052127
次に、このように構成された第2の実施の形態にかかる画像処理装置500による画像処理について説明する。図6は、第2の実施の形態における画像処理の全体の流れを示すフローチャートである。
ステップS601からステップS605までの、強調階調算出・修正処理は、第1の実施の形態にかかる画像処理装置100におけるステップS301からステップS305までと同様の処理なので、その説明を省略する。
ステップS605において、予測到達階調算出部130が予測到達映像データを算出した後、予測到達階調修正部531が、入力映像データと前のフレームの予測到達映像データの差が予め定められた閾値より小さいか否かを判断する(ステップS606)。
閾値より小さいと判断された場合は(ステップS606:YES)、予測到達階調修正部531は、入力映像データを次フレームの予測到達映像データとして設定する(ステップS607)。具体的には、(35)式に示すように、LI(N)とLR(N−1)との差分を算出し、その値が予め定められた閾値Lth2より小さい場合には、予測到達映像データLR(N)にLI(N)を代入する。
予測到達映像データを修正した後、または、ステップS606において予め定められた閾値以上であると判断された場合は(ステップS606:NO)、強調階調修正部121が、修正された強調映像データを液晶ディスプレイ200に出力し(ステップS608)、画像処理を終了する。
このように、第2の実施の形態にかかる画像処理装置500では、予測到達階調と入力階調との差分が予め定められた値より小さい場合に、予測到達階調として入力階調の値を使用するため、予測到達階調の算出時に生じる誤差を排除し、誤差がフレーム間を伝播することを防止することができる。
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態にかかる画像処理装置は、入力された圧縮動画をデコードし、デコードした映像データに対して予測到達階調と強調階調を算出し、強調階調の色空間を液晶表示装置が表示できる形式に変換して出力するものである。すなわち、第3の実施の形態は、本発明を通常のPCに適用し、PC上で一般的に扱われる圧縮動画を画像処理して液晶表示装置に出力する構成の一例を示している。
図7は、第3の実施の形態にかかる画像処理装置700の構成を示すブロック図である。同図に示すように、画像処理装置700は、強調階調算出部120と、強調階調修正部121と、予測到達階調算出部130と、予測到達階調修正部531と、フレームメモリ140と、デコーダ部710と、色空間変換部750とを備えている。
第3の実施の形態においては、デコーダ部710と、色空間変換部750とを追加したことが第2の実施の形態と異なっている。その他の構成および機能は、第2の実施の形態にかかる画像処理装置500の構成を表すブロック図である図5と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。
図7に示すように、第3の実施の形態は、デコーダ部710と、強調階調算出部120と、強調階調修正部121と、予測到達階調算出部130と、予測到達階調修正部531とを含むソフトウェア構成部と、フレームメモリ140と、色空間変換部750とを含むハードウェア構成部から構成されている。
デコーダ部710は、入力された圧縮映像データ(圧縮動画)をデコードするソフトウェアデコーダであり、デコードした入力映像データを強調階調算出部120に出力するものである。
PC上で一般に扱われる動画は、MPEG−2、MPEG−4、H.264などの圧縮された動画である。これらの圧縮動画は、デコーダ部710によりデコードされるが、上記のような圧縮動画は、一般に輝度および色差により構成されるYUV形式の映像であるため、デコーダ部710によるデコード結果はYUV形式の映像データとなる。
なお、第3の実施の形態では圧縮映像を入力しているが、例えばPC上のTVチューナー等で受信される映像データでも構わないし、キャプチャボードでキャプチャされた映像データでも構わない。このとき、デコーダ部710は、コンポジット映像信号から映像データを取り出すチューナー部や入力映像データをキャプチャするキャプチャ部として機能する。いずれの場合でも、PC上で扱われる入力映像データは、通常YUV形式である。従って、デコーダ部710でデコードされた入力映像データは、YUV形式で強調階調算出部120に出力される。
強調階調算出部120は、第1の実施の形態で述べたように、入力されたYUV形式の入力映像データを、RGB色空間に変換することなく、直接YUV色空間において強調された強調階調を算出する。強調階調算出部120で算出され、強調階調修正部121で修正された強調階調は、予測到達階調算出部130および色空間変換部750に入力される。
予測到達階調算出部130の動作は、第1および第2の実施の形態と同様であり、予測到達階調算出部130で算出された予測到達階調は、フレームメモリ140に入力される。フレームメモリ140は、PCのビデオカード上に搭載されたビデオメモリを使用することができる。
色空間変換部750は、YUV形式の映像データをRGB形式の映像データに変換するものである。色空間変換部750は、通常PCのビデオカード上のGPU(Graphics Processing Unit)に組み込まれており、ハードウェアにより高速に色空間を変換する。液晶ディスプレイ200は、RGB形式の映像データを表示するよう設計されているため、PCで扱われるYUV形式の映像データは、色空間変換部750によりRGB形式に変換され、液晶ディスプレイ200に出力される。液晶ディスプレイ200は、RGB形式の強調映像データを表示する。
なお、強調映像データは、PC上で動作するウインドウシステムによって割り当てられた画面上の表示領域である映像再生用のウインドウに合成され、合成後の画面全体の映像データがGPU内の色空間変換部750によりRGB形式に変換されて液晶ディスプレイ200に表示される。すなわち、映像再生用のウインドウのみに対して選択的に強調階調算出処理を実行することができる。
上記構成では、通常のPCの構成以外の構成は、強調階調算出部120と予測到達階調算出部130のみであり、これらは、第1の実施の形態において説明したように、非常に簡単な演算のみを行うため、ソフトウェアにより十分高速に(実時間で)動作する。すなわちPCのハードウェア構成を変更せずにPC上で再生する動画の画質を向上させることができる。
なお、第3の実施の形態では、デコーダ部710、強調階調算出部120、強調階調修正部121、予測到達階調算出部130、予測到達階調修正部531をソフトウェアにより構成したが、その一部または全部をハードウェアにより構成してもよい。
このように、第3の実施の形態にかかる画像処理装置700では、通常のPCを用いた構成においても、比較的簡単な演算により、液晶表示装置の遅い応答速度に起因する動画のボケや、応答波形の乱れによる画質の劣化を低減し、液晶表示装置に表示される動画の画質を向上させることができる。
第1〜第3の実施の形態にかかる画像処理装置は、CPU(Central Processing Unit)などの制御装置と、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などの記憶装置と、HDD(Hard Disk Drive)、CD(Compact Disc)ドライブ装置などの外部記憶装置と、キーボードやマウスなどの入力装置を備えた、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成とすることができる。
第1〜第3の実施の形態にかかる画像処理装置で実行される画像処理プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでCD−ROM(Compact Disk Read Only Memory)、フレキシブルディスク(FD)、CD−R(Compact Disk Recordable)、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。
また、第1〜第3の実施の形態にかかる画像処理装置で実行される画像処理プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、第1〜第3の実施の形態にかかる画像処理装置で実行される画像処理プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。
また、第1〜第3の実施の形態の画像処理プログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
第1〜第3の実施の形態にかかる画像処理装置で実行される画像処理プログラムは、上述した各部(強調階調算出部、強調階調修正部、予測到達階調算出部、予測到達階調修正部、デコーダ部)を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはCPU(プロセッサ)が上記記憶媒体から画像処理プログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、上述した各部が主記憶装置上に生成されるようになっている。
以上のように、本発明にかかる画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラムは、書き込む階調に所定の階調を加算した強調階調を液晶表示装置に出力する処理を行う画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラムに適している。
第1の実施の形態にかかる画像処理装置の構成を示すブロック図である。 強調係数の算出方法を示す説明図である。 第1の実施の形態における画像処理の全体の流れを示すフローチャートである。 液晶ディスプレイの応答波形の一例を示す説明図である。 第2の実施の形態にかかる画像処理装置の構成を示すブロック図である。 第2の実施の形態における画像処理の全体の流れを示すフローチャートである。 第3の実施の形態にかかる画像処理装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
100、500、700 画像処理装置
120 強調階調算出部
121 強調階調修正部
130 予測到達階調算出部
140 フレームメモリ
200 液晶ディスプレイ
201 直線
401 波形
402 波形
531 予測到達階調修正部
710 デコーダ部
750 色空間変換部

Claims (27)

  1. 液晶表示装置に表示する動画像を処理する画像処理方法において、
    前記動画像に含まれる第1のフレームを前記液晶表示装置に表示した際に1フレーム期間経過後に各画素が到達する階調の予測値である予測到達階調を記憶する記憶部に記憶された前記予測到達階調と、前記第1のフレームの後に表示する第2のフレームの階調である入力階調との差分である第1の差分階調を算出する第1の差分算出ステップと、
    強調係数を前記第1の差分階調に乗ずる強調係数乗算ステップと、
    前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と、前記予測到達階調との和である強調階調を算出する加算ステップと、
    前記強調階調と、前記予測到達階調との差分である第2の差分階調を算出する第2の差分算出ステップと、
    補正係数を前記第2の差分階調に乗ずる補正係数乗算ステップと、
    前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調との和で、前記記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新する更新ステップと、
    を備えたことを特徴とする画像処理方法。
  2. 前記強調係数乗算ステップは、前記強調係数から1を減算した係数を前記第1の差分階調に乗じ、
    前記加算ステップは、前記強調係数から1を減算した係数を乗じた前記第1の差分階調と、前記入力階調との和を前記強調階調として算出することを特徴とする請求項1に記載の画像処理方法。
  3. 前記補正係数は、前記強調係数の逆数に相当することを特徴とする請求項1に記載の画像処理方法。
  4. 前記補正係数は、前記強調係数に1を加算した値の逆数に相当することを特徴とする請求項2に記載の画像処理方法。
  5. 前記強調階調が予め定められた範囲外の値であるか否かを判断し、予め定められた範囲外の値である場合に、前記強調階調を予め定められた範囲内の値に修正する強調階調修正ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の画像処理方法。
  6. 前記強調階調修正ステップは、前記第1の差分階調の絶対値と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記強調階調を前記入力階調の値に修正することを特徴とする請求項5に記載の画像処理方法。
  7. 前記第1の差分階調の絶対値と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記予測到達階調を前記入力階調の値に修正する予測到達階調修正ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の画像処理方法。
  8. 前記予測到達階調、前記入力階調、前記第1の差分階調、前記強調階調、および、前記第2の差分階調の各々は、輝度情報の成分と色差情報の成分とを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の画像処理方法。
  9. 前記強調階調修正ステップは、前記第1の差分階調に含まれる輝度情報と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記強調階調を前記入力階調の値に修正することを特徴とする請求項8に記載の画像処理方法。
  10. 前記第1の差分値算出ステップが算出した前記第1の差分階調に含まれる輝度情報と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記予測到達階調を前記入力階調の値に修正する予測到達階調修正ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項8に記載の画像処理方法。
  11. 前記第1の差分算出ステップは、前記予測到達階調と前記入力階調との輝度情報の差分である第1の差分階調を算出し、
    前記加算ステップは、前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と前記予測到達階調の輝度情報との和である輝度情報と、前記入力階調に含まれる色差情報とを含む強調階調を算出し、
    前記第2の差分算出ステップは、前記強調階調と前記予測到達階調との輝度情報の差分である第2の差分階調を算出し、
    前記更新ステップは、前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調の輝度情報との和で前記記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新することを特徴とする請求項8に記載の画像処理方法。
  12. 液晶表示装置に表示する動画像を処理する画像処理装置において、
    前記動画像に含まれる第1のフレームを前記液晶表示装置に表示した際に1フレーム期間経過後に各画素が到達する階調の予測値である予測到達階調を記憶する予測到達階調記憶部と、
    前記予測到達階調記憶部に記憶された前記予測到達階調と、前記第1のフレームの後に表示する第2のフレームの階調である入力階調との差分である第1の差分階調を算出し、算出した前記第1の差分階調に強調係数を乗じ、前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と、前記予測到達階調との和である強調階調を算出する強調階調算出部と、
    前記強調階調と、前記予測到達階調との差分である第2の差分階調を算出し、補正係数を前記第2の差分階調に乗じ、前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調との和で前記予測到達階調記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新する予測到達階調算出部と、
    を備えたことを特徴とする画像処理装置。
  13. 前記強調階調算出部は、前記強調係数から1を減算した係数を前記第1の差分階調に乗じ、前記強調係数から1を減算した係数を乗じた前記第1の差分階調と、前記入力階調との和を前記強調階調として算出することを特徴とする請求項12に記載の画像処理装置。
  14. 前記補正係数は、前記強調係数の逆数に相当することを特徴とする請求項12に記載の画像処理装置。
  15. 前記補正係数は、前記強調係数に1を加算した値の逆数に相当することを特徴とする請求項13に記載の画像処理装置。
  16. 前記強調階調が予め定められた範囲外の値であるか否かを判断し、予め定められた範囲外の値である場合に、前記強調階調を予め定められた範囲内の値に修正する強調階調修正部をさらに備えたことを特徴とする請求項12〜15のいずれか1つに記載の画像処理装置。
  17. 前記強調階調修正部は、前記第1の差分階調の絶対値と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記強調階調を前記入力階調の値に修正することを特徴とする請求項16に記載の画像処理装置。
  18. 前記第1の差分階調の絶対値と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記予測到達階調を前記入力階調の値に修正する予測到達階調修正部をさらに備えたことを特徴とする請求項12〜17のいずれか1つに記載の画像処理装置。
  19. 前記予測到達階調、前記入力階調、前記第1の差分階調、前記強調階調、および、前記第2の差分階調の各々は、輝度情報の成分と色差情報の成分とを含むことを特徴とする請求項12または13に記載の画像処理装置。
  20. 前記強調階調修正部は、前記第1の差分階調に含まれる輝度情報と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記強調階調を前記入力階調の値に修正することを特徴とする請求項19に記載の画像処理装置。
  21. 前記強調階調算出部が算出した前記第1の差分階調に含まれる輝度情報と予め定められた閾値とを比較し、前記閾値より小さい場合に、前記予測到達階調を前記入力階調の値に修正する予測到達階調修正部をさらに備えたことを特徴とする請求項19に記載の画像処理装置。
  22. 前記強調階調算出部は、前記予測到達階調と前記入力階調との輝度情報の差分である第1の差分階調を算出し、算出した前記第1の差分階調に前記強調係数を乗じ、前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と前記予測到達階調の輝度情報との和である輝度情報と、前記入力階調に含まれる色差情報とを含む強調階調を算出し、
    前記予測到達階調算出部は、前記強調階調と前記予測到達階調との輝度情報の差分である第2の差分階調を算出し、算出した前記第2の差分階調に前記補正係数を乗じ、前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調の輝度情報との和で前記予測到達階調記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新することを特徴とする請求項19に記載の画像処理装置。
  23. 液晶表示装置に表示する動画像を処理する画像処理プログラムにおいて、
    前記動画像に含まれる第1のフレームを前記液晶表示装置に表示した際に1フレーム期間経過後に各画素が到達する階調の予測値である予測到達階調を記憶する記憶部に記憶された前記予測到達階調と、前記第1のフレームの後に表示する第2のフレームの階調である入力階調との差分である第1の差分階調を算出する第1の差分算出手順と、
    強調係数を前記第1の差分階調に乗ずる強調係数乗算手順と、
    前記強調係数が乗じられた前記第1の差分階調と、前記予測到達階調との和である強調階調を算出する加算手順と、
    前記強調階調と、前記予測到達階調との差分である第2の差分階調を算出する第2の差分算出手順と、
    補正係数を前記第2の差分階調に乗ずる補正係数乗算手順と、
    前記補正係数が乗じられた前記第2の差分階調と、前記予測到達階調との和で前記記憶部に記憶された前記予測到達階調の値を更新する更新手順と、
    をコンピュータに実行させる画像処理プログラム。
  24. 前記強調係数乗算手順は、前記強調係数から1を減算した係数を前記第1の差分階調に乗じ、
    前記加算手順は、前記強調係数から1を減算した係数を乗じた前記第1の差分階調と、前記入力階調との和を前記強調階調として算出することを特徴とする請求項23に記載の画像処理プログラム。
  25. 前記補正係数は、前記強調係数の逆数に相当することを特徴とする請求項23に記載の画像処理プログラム。
  26. 前記補正係数は、前記強調係数に1を加算した値の逆数に相当することを特徴とする請求項24に記載の画像処理プログラム。
  27. 前記強調階調が予め定められた範囲外の値であるか否かを判断し、予め定められた範囲外の値である場合に、前記強調階調を予め定められた範囲内の値に修正する強調階調修正手順をさらに備えたことを特徴とする請求項23〜26のいずれか1つに記載の画像処理プログラム。
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