JP2009044500A - 画像表示装置、画像処理装置および画像処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表示装置で受信した画像信号に対して、実時間で量子化ノイズを低減することが可能な画像表示装置、画像処理装置および画像処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】画像信号Ａの空間方向における１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量Ｂとして求める変化量算出部５と、変化量算出部５が算出した変化量Ｂの取り得る値の範囲を制限する変化量制限部６と、値が制限された変化量Ｃより画像信号の階調の傾きを求める傾き判定部７と、傾き判定部７で求められた画像信号の階調の傾きＤに基づいて、付加ビットＥを生成する付加ビット生成部８と、画像信号Ａを遅延部９で遅延させた画像信号Ｆに付加ビット生成部８で生成した付加ビットＥを加算し、付加ビットＥを加算した画像信号Ｇを出力するビット加算部１０と、ビット加算部１０が出力する画像信号Ｇを表示する表示部４と、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、画像表示装置、画像処理装置および画像処理方法に関するものである。

液晶、プラズマ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などのように光の反射や透過、あるいは発光によって離散的に配置されたマトリクス状の画素を変調して画像を表示する表示デバイスは、薄型テレビ、プロジェクションテレビの他、プロジェクターやコンピュータ用のモニターなど様々な画像表示装置に用いられている。近年、ハイビジョン放送やコンピュータの処理速度の飛躍により、ディスプレイの高精細化が進むとともにデバイスの改善により高輝度化も急速に進んでいる。ディスプレイの高輝度化に伴い、デジタル化された画像信号を表示した際の量子化ノイズが目立つようになってきた。

アナログの画像信号を受信する場合、アナログ−デジタル変換器の量子化数の増加（たとえば、ビット数を８ビットから１０ビットへ増加）するなどして、量子化ノイズを削減することが行われているが、高精細画像が一般的になった現在では、アナログ−デジタル変換器の量子化数増加は、著しいコストアップとなる。また、デジタル伝送の場合は、送信側と受信側の取り決めにより、一方的に量子化数を変更することができない。同様にＤＶＤやネットワーク上のデジタルコンテンツも量子化数があらかじめ決められているため、コンテンツそのものの量子化数を増やすことは、新しい規格を設ける必要があり困難である。

さらにテレビ等の信号処理において、インパクトのある映像を表示するために受信した画像信号のダイナミックレンジを拡張する処理や、階調−輝度変換特性を変更して、コントラストの高い映像に変換する処理が行われている。このダイナミックレンジの拡張処理や階調−輝度変換特性の変更は、コントラストの高い映像を表示する一方で、階調ジャンプを増やしてしまうことになる。

このような背景の中、画像処理に伴って階調ジャンプの発生する階調の組み合わせを検索し、画像信号の中から当該階調の組み合わせを有する領域を特定し、その画像の領域に対し、階調ジャンプが発生している近傍の画素に対して階調の補間処理を施すことで階調ジャンプを低減する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−８４４８１号（段落００５１〜００５５、第９図）

しかしながら、上述した処理においては、階調ジャンプが発生する階調の組み合わせをあらかじめ検索し、画像信号の中から当該階調ジャンプが発生する階調の組み合わせが隣接する領域を特定し、特定された領域の輪郭周辺に対して階調の補間処理を施していた。量子化ノイズも階調ジャンプと同様の特性を有し、上述した処理により低減することが可能である。しかし、このような処理方法を量子化ノイズや階調ジャンプの低減に用いると、時間的に連続して画像が送られてくる画像信号に対して処理時間が追いつかず、受信した画像信号に対し実時間で処理を行うことができないという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、表示装置で受信した画像信号に対して、実時間で量子化ノイズを低減することが可能な画像表示装置、画像処理装置および画像処理方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる画像処理装置は、時間方向及び空間方向に離散したデータで構成される画像信号を処理する画像信号を表示する画像処理装置であって、画像信号の空間方向における１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量として求める変化量算出部と、前記変化量算出部が算出した変化量の値の取り得る値の範囲を制限する変化量制限部と、前記値が制限された変化量より画像信号の階調の傾きを求める傾き判定部と、前記傾き判定部で求められた画像信号の階調の傾きに基づいて、付加ビットを生成する付加ビット生成部と、前記画像信号に前記付加ビット生成部で生成した付加ビットを加算し、該付加ビットを加算した画像信号を出力するビット加算部と、を備えるものである。

また、本発明にかかる画像表示装置は、前記画像処理装置と、画像信号を受信し、前記画像処理装置に画像信号を出力する画像受信部と、前記画像処理装置が出力する画像信号を表示する表示部と、を備えるものである。

また、本発明にかかる画像処理方法は、時間方向及び空間方向に離散したデータで構成される画像信号を処理する画像信号処理方法であって、画像信号の空間方向における１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量として求め、該求められた変化量が取り得る値の範囲を制限し、前記変化量が連続して０となる前記１次元方向における画素数と、前記値が制限された変化量とから階調の傾きを求め、該求められた階調の傾きに基づいて生成された付加ビットを前記画像信号に加算することにより、前記画像信号の量子化誤差より小さな量子化誤差の画像信号を発生するように構成するものである。

本発明によれば、画像信号の空間方向における１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量として求め、該求められた変化量が所定の範囲となるように値を制限し、値が制限された階調の変化量より、画像信号の一方向での階調の傾きを求め、当該階調の傾きに基づいて、入力された画像信号の量子化数を増やすことにより、実時間で画像信号の量子化数を増やすことができるので、輝度の高い表示デバイスで画像を表示した際にもＡＤ変換の際に生じる量子化ノイズが低減され、滑らかで高品位な画像を表示することができる画像処理装置、画像表示装置、および画像処理方法が得られる。

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１００の構成を示すブロック図である。図１に示される画像表示装置１００は、受信した画像信号の画素を構成する階調データに応じた明るさの画像を表示するものである。以下、図１を用いて画像表示装置１００の動作の概要を説明する。

外部よりアナログまたはデジタルの画像信号が、入力端子１に入力される。入力端子１への画像信号の入力は、電気的なケーブルを用いて画像信号を伝送するものであっても良く、また、電波や光等を用いて画像信号を伝送するものであっても良い。入力端子１に入力された画像信号は、受信部２で受信され、以降の処理に用いられる画像信号の形式に変換される。例えば、入力端子１に入力された画像信号がアナログ信号の場合は、アナログ−デジタル変換器によってデジタルの画像信号に変換され、シリアルのデジタル画像信号の場合は、シリアル−パラレル変換によって所定の画像信号に変換されるなど、伝送方式に合わせた処理を行う。画像信号には、輝度と色度で表される形式や赤、緑、青などの原色信号で表される形式があるが、階調処理部３は、いずれの信号も同様に処理することができる画像処理装置である。

受信部２から出力された画像信号Ａは、画像処理装置である階調処理部３の変化量算出部５と遅延部９に入力される。変化量算出部５は、入力された画像信号Ａの空間方向における一方向で隣接する画素間の階調値の差分を変化量Ｂとして算出し、変化量制限部６に出力する。変化量制限部６は、入力された変化量Ｂが最大値である＋１と最小値であるで−１に規定した範囲内に入るように値を制限する。変化量制限部６は、値が制限された変化量Ｃを傾き判定部７に出力する。

傾き判定部７は、変化量制限部６から入力された変化量Ｃを用いて、画像信号Ａの１次元方向での階調の変化の傾きを判定する。変化量Ｃは、−１と＋１の範囲に制限されているので、求められる階調の変化の傾きは−１から＋１の間の値となる。

傾き判定部７で求められた階調の傾きＤは、付加ビット生成部８に出力される。付加ビット生成部８は、入力された階調の傾きＤから、隣接する画素間の階調値の実質的な変化量を求め、付加ビットＥとしてビット加算部１０に出力する。ここで求められた実質的な変化量は、画像信号Ａの階調値に対して小数の値を含んだ変化量となる。

一方、遅延部９は、受信部２から出力された画像信号Ａを所定の時間だけ遅延して、後段のビット加算部１０で画像信号Ａに対して付加ビットＥが正しく付加されるように画像信号Ａを遅延した画像信号Ｆを出力する。

遅延部９で所定の時間だけ遅延された画像信号Ｆは、ビット加算部１０に入力される。ビット加算部１０は、遅延部９から出力された画像信号Ｆに付加ビット生成部８から出力された付加ビットＥを加算し、新たな画像信号Ｇを出力する。ビット加算部１０から出力（画像処理装置から出力）された画像信号Ｇは、表示部４に入力され、画像が表示される。

以下、図２を用いて、階調処理部３（画像処理装置）内での動作を詳細に説明する。
図２のＡは、受信部２から出力された画像信号Ａの水平方向に並んだ画素の一部を示している。縦方向が階調、横方向が水平の画素位置を示している。最も左にある段差が画像信号Ａの１階調の差を示しているものとする。

なお、本発明の説明においては、ＡＤ変換により生じたノイズを量子化ノイズ、画像処理によって生じたノイズを階調ジャンプと称して区別しているが、前者はアナログ的に連続していた値がデジタル化によって離散的になり、後者は、デジタル的に連続した数値が画像処理によって更に離散化するもので、入力された値に対して、出力が離散化するという点で共通している。

図２のＢは、変化量算出部５が算出した画像信号Ａにおける隣接画素間の階調値の差分を示している。水平位置ｘにおける画素の階調値をＰ（ｘ）とすると、水平位置ｘにおける画素間の差分はＰ（ｘ）−Ｐ（ｘ−１）で表すことができる。このようにして各画素に対して求めた１次元方向における隣接画素間の階調値の差分を、変化量Ｂとして変化量算出部５から変化量制限部６に出力される。

図２のＣは、変化量制限部６で値が−１と＋１の範囲に制限された変化量Ｃを示している。すなわち、変化量制限部６から出力される変化量Ｃは、値が＋１、０、−１の３値で構成される。ここでは、変化量Ｂのうち、−１から＋１の範囲の外にある左から４番目と最も右の変化量が、それぞれ＋１と−１に制限されている。

図２のＤは、傾き判定部７の動作の概念を示すもので、傾き判定部７は、変化量制限部６から入力された変化量Ｃから連続している０の数（画素数）、すなわち、階調が変化しなかった画素の幅を検出する。次に、検出した幅（距離）と変化量Ｃの値から階調の微細な傾きＤを算出し、付加ビット生成部８に出力する。例えば、変化量Ｃが０となる部分が７画素連続している場合、階調が変化しなかった距離は７＋１＝８となり、その後の変化量Ｃの値を１とすると、その区間における階調の変化の傾きは１／８となる。また、変化量Ｃが０となる部分が１０画素分連続している場合、その距離は１０＋１＝１１となり、その後の変化量Ｃの値を−１とすると、その区間における階調の変化の傾きは−１／１１となる。

付加ビット生成部８は、傾き判定部７から入力された傾きＤに基づいて、画像信号Ａの階調値に対して少数部に相当するビット列を含む付加ビットＥを生成し、ビット加算部１０に出力する。ここで、付加ビットＥは、傾き判定部７で算出された傾きと変化量Ｃで変化のあった画素からの距離（画素数）を元に生成される。

付加ビット生成部８で求められた付加ビットＥは、ビット加算部１０に出力される。ビット加算部１０は、付加ビット生成部８が出力した階調値に対して小数部に対応するビット列を含む付加ビットＥと遅延部９が出力する画像信号Ｆを加算して、画像信号Ｇを生成する。付加ビットＥは、画像信号Ｆ（あるいは画像信号Ａ）の階調値に対して、小数部を含むことになるので、加算された後の画像信号Ｇは、画像信号Ｆに対して小数部を有した精度の画像信号となる。すなわち、画像信号Ｇのビット数は、画像信号Ｆのビット数に対して多くなるので、表現できる階調数が増えるだけでなく、階調の分解能が増加したことになり、より滑らかな階調の変化を表現できるようになる。このビット数が増えた画像信号Ｇは、表示部４に出力され、表示部４によって画像として表示される。

図３は、付加ビット生成部８が出力する付加ビットＥと、遅延部９が出力する画像信号Ｆ、およびビット加算部１０が出力する画像信号Ｇのビット列の関係を示す図である。ここでは、画像信号Ｆが８ビット、付加ビットＥが３ビット、画像信号Ｇが１１ビットの場合で説明する。図３に示したとおり、付加ビットＥは、画像信号Ｆに対して小数部に対応するビット列となるので、ビット加算部１０では、画像信号Ｆの下に付加ビットＥを結合するように付加することで、１１ビットの画像信号Ｇを生成する。画像信号Ｇは、画像信号Ｆに対して、ビット列が下に伸びている、すなわち元の画像信号Ｆに対して小数部を延伸するようにビット列が長くなるので、画像信号Ｇの１階調の分解能は、画像信号Ｆより３ビット分高くなり、ＡＤ変換に伴う量子化ノイズの少ない（精度の高い）画像を表現できるようになる。

図４は、画像信号Ａの一部を表示したもので、この図を用いて画像処理装置である階調処理部３のより詳細な動作の説明を行う。
図４には、３つの階調で構成される画像信号Ａの一部が示されている。画像信号Ａは、左の画素から順に、階調値１の画素が８画素、階調値２の画素が８画素、階調値３の画素が１画素並んでいる。すなわち、画像信号Ａが８ビットで構成されていたとすると、この８ビットの画像信号に対して、左から右に１階調ずつ明るくなる画像の一部が示されている。

変化量算出部５は、この画像信号Ａの階調値の並びに対して、隣接する画素間の階調値の差分を変化量Ｂとして求める。図４では、階調値１に隣接する階調値２の画素と、階調値２に隣接する階調値３の画素で変化量が＋１となり、その他の画素の変化量は０である。この変化量Ｂは、変化量制限部６に出力される。

変化量制限部６は、−１と＋１の範囲に収まるように変化量Ｂの値を制限する。値が制限された変化量Ｃは、傾き判定部７に出力される。図４では、変化量Ｂは、０と＋１の値で構成されているので、値が制限されることは無い。値が制限される場合の動作については、他の図を用いて後に説明を行う。

傾き判定部７は、計数器等で構成され、値が制限された変化量Ｃの連続する０の数を計数する。すなわち、変化量Ｃが０の数を計数し、０以外の場合にその時点の計数値を記憶して、計数器の値を０に戻す。図４では、一番左の画素で計数値Ｎが０に戻り、以降、変化量Ｃが＋１になるまで計数を行う。ここでは、計数値Ｎは７まで計数された後、０に戻り、再度計数が始まっている状態が示されている。この計数値７は、０が連続している区間（階調値Ａが１の区間）の画素数が７＋１＝８であることを示しており、傾き判定部７は、当該区間の階調の傾きＫを１／８として判定する。同様に階調値Ａが２の区間も計数値Ｎは７となるので、当該区間の階調の傾きＫは１／８である（１／（７＋１））と判定する。傾き判定部７は、この傾きＫと計数値Ｎを、判定結果Ｄとして付加ビット生成部８に出力する。

付加ビット生成部８は、傾き判定部７より入力された判定結果Ｄに含まれる傾きＫと計数値Ｎを用いて、画像信号Ａに対して付加すべき階調値を求め、その階調値を示すビット列を付加ビットＥとして、ビット加算部１０に出力する。図４では、画像信号Ａに対して、付加すべき階調値を付加値ｅとして示している。ここでは、画像信号Ａの最小階調を１として表しているので、付加値ｅは、１以下の小数として表現される。

付加値ｅは、計数値Ｎと傾きＫより、Ｎ＊Ｋで表すことができる。図４では、左から０／８、１／８、２／８・・・というように、求められた傾き１／８の変化をもった付加値の列が得られる。

この付加値ｅを示す付加ビットＥがビット加算部１０で画像信号Ｆに付加されることで、付加後の階調値Ａｅで示したように１以下の精度を持った階調値を得ることができる。

図３に示したように、実際には、この付加値ｅもビット列として表され、ビット加算部１０では、画像信号Ｆの下に付加ビットＥを結合する形で加算する。このとき、画像信号Ｆの整数部に対するビットには、付加ビットＥの符号ビットが用いられる。そして、図４に示すように、例えば階調値１と２の１段階で表現されていた画像信号Ｆは、階調値８から階調値１６までの８段階で表現することが可能な画像信号Ｇを生成する。

図３では、付加ビットＥのビット数が４（符号ビット１ビットを含む）の場合を示しているが、これに限るものでは無く、より多くのビット数で付加値を表現することで、精度の高い画像信号を得ることができる。例えば、図４では、傾きが１／８の場合を示したので、付加ビットＥは３ビットで構成されれば、誤差無く表現できるが、１／７の場合は、より多くのビットを用いることで、少ない誤差で付加値ｅを表現できる。言い換えれば、計数器が計数できる数を大きく取り、さらに、計数値Ｎより求められた傾きを表現するビット数を多く取ることで、より精度（階調の分解能）の高い画像を得ることができる。例えば、計数器を構成するビット数と傾きを表すビット数を１増やすごとに２倍の精度で表現することができるので、例えば、８ビット（２５６階調の画像）から１６ビット（６５５３６階調の画像）のデータを得る場合であっても、計数器および傾きを表現するビット数は、小数部に対応する８ビットで済むので、少ない回路規模で、高い精度の画像を得ることができる。

図５は、他の階調値の組み合わせにおける、階調処理部３の動作を説明するための図である。
図５には、３つの階調で構成される画像信号Ａの一部が示されている。画像信号Ａは、左の画素から順に、階調値１の画素が４画素、階調値２の画素が４画素、階調値６の画素が５画素並んでいる。ここで、階調値２から６の変化は輪郭、階調値１から２の変化は連続的に明るくなっている画像の一部を表しているものとする。

変化量算出部５は、この画像信号Ａの階調値の並びに対して、隣接する画素間の差分を変化量Ｂとして求める。図５では、階調値１に隣接する階調値２の画素で変化量が＋１、階調値２に隣接する階調値６の画素で変化量が＋４となる。その他の画素の変化量は０である。この変化量Ｂは、変化量制限部６に出力される。

変化量制限部６は、変化量Ｂが−１から＋１の範囲に収まるように、変化量Ｂの値を制限する。値が制限された変化量Ｃは、傾き判定部７に出力される。図５では、階調値１に隣接する階調値２の画素の変化量は、＋１のままで、階調値２に隣接する階調値６の画素の変化量は、＋４から＋１に制限される。この値が制限された変化量Ｃは、傾き判定部７に出力される。

傾き判定部７は、計数器等で構成され、変化量Ｂが連続して０となる数として、値が制限された変化量Ｃの連続する０の数を計数する。すなわち、計数器は、変化量Ｃが０の場合に計数し、０以外の場合にその時点の計数値Ｎを記憶して、計数器の値を０に戻す。図５では、一番左の画素で計数値Ｎが０に戻り、以降、変化量Ｃが＋１になるまで計数を行う。図５では、計数値Ｎが３まで計数された後、０に戻り、再度計数が始まっている状態が示されている。この計数値３は、０が連続している区間（階調値Ａが１の区間）の画素数が３＋１＝４であることを示しており、また、次に続く変化量Ｃが＋１であるので、傾き判定部７は、当該区間の階調の傾きＫを１／４として判定する。同様に階調値Ａが２の区間も計数値Ｎは３、次に続く変化量Ｃは＋１となるので、当該区間の階調の傾きＫも１／４と判定する。傾き判定部７は、この傾きＫと計数値Ｎを、判定結果Ｄとして付加ビット生成部８に出力する。

付加ビット生成部８は、傾き判定部７より入力された判定結果Ｄに含まれる傾きＫと計数Ｎを用いて、画像信号Ａに対して付加すべき付加値ｅを求め、その付加値ｅを示すビット列を付加ビットＥとして、ビット加算部１０に出力する。図５では、画像信号Ａに対して、付加すべき階調値を付加値ｅとして示している。ここでは、画像信号Ａの最小階調を１として表しているので、付加値ｅは、１以下の値として表現する。

付加値ｅは、計数値Ｎと傾きＫより、Ｎ＊Ｋで表すことができる。図５では、左から０／４、１／４、２／４、３／４というように、求められた傾き１／４の変化をもった付加値の列が得られる。また、変化量Ｂが４以降の画素では、変化量Ｃが連続して０となる数が１６個以上続いており、傾きＫが付加ビットＥの分解能（１／８）以下となるため、０とみなされる。

この付加値ｅを示す付加ビットＥがビット加算部１０で画像信号Ｆに付加されることで、付加後の階調値Ａｅで示したように１以下の精度を持った階調値を得ることができる。以降の動作は、図４の場合と同様であるので、説明を省略する。

以上説明したように、入力された画像信号の一方向で隣接する画素の階調値の差分の列を用いて、階調が変化しない画素の数を計数し、この計数結果と隣接する画素の差分に基づいて各画素に付加する小数部に対応する階調を発生して元の画像信号に付加することにより、元の画像信号より精度の高い画像を生成することになり、より滑らかな画像信号を表示することができるようになる。

つまり、本実施の形態１によれば、画像信号Ａの空間方向における１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量Ｂとして求める変化量算出部５と、変化量算出部５が算出した変化量Ｂの取り得る値の範囲を制限する変化量制限部６と、値が制限された変化量Ｃより画像信号の階調の傾きを求める傾き判定部７と、傾き判定部７で求められた画像信号の階調の傾きＤに基づいて、付加ビットＥを生成する付加ビット生成部８と、画像信号Ａを遅延部９で遅延させた画像信号Ｆに付加ビット生成部８で生成した付加ビットＥを加算し、付加ビットＥを加算した画像信号Ｇを出力するビット加算部１０と、ビット加算部１０が出力する画像信号Ｇを表示する表示部４と、を備えるように画像処理装置を構成したので、一方向の階調の傾きに基づいて、入力された画像信号の量子化数を増やすことにより、実時間で画像信号の量子化数を増やすことができるので、輝度の高い表示デバイスで画像を表示した際にもＡＤ変換の際に生じる量子化ノイズが低減され、滑らかで高品位な画像を表示することができる画像表示装置１００および画像処理装置３を得ることができる。

さらに、前記画像処理装置３と、画像信号を受信し、前記画像処理装置に画像信号Ａを出力する画像受信部２と、前記画像処理装置３が出力する画像信号Ｇを表示する表示部４とを備えるように画像表示装置を構成したので、ＡＤ変換の際に生じる量子化ノイズが低減され、滑らかで高品位な画像を表示することができる画像表示装置１００を得ることができる。

また、画像信号Ａの空間方向おける１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量Ｂとして求め、変化量Ｂが取り得る値の範囲を制限し、変化量Ｂが連続して０となる前記１次元方向における画素数と、前記値が制限された変化量Ｃとから階調の傾きＫを求め、階調の傾きＫに基づいて生成された付加ビットＥを画像信号Ｆに加算することにより、画像信号Ａの量子化誤差より小さな量子化誤差の画像信号Ｇを発生するように画像処理を行ったので、輝度の高い表示デバイスで画像を表示した際にもＡＤ変換の際に生じる量子化ノイズが低減され、滑らかで高品位な画像を表示することができる画像画像処理方法を得ることができる。

とくに、付加ビット生成部８は、受信した画像信号Ａの階調値に対して小数部に相当するビット列を含む付加ビットＥを生成し、ビット加算部１０は、前記小数部に相当するビット列を含む付加ビットＥを画像信号Ｆに加算することで、画像信号Ｆより量子化数の多い画像信号Ｇを発生するので、少ない回路構成で高い精度の画像を表示することができる。

また、傾き判定部７は変化量Ｂが前記１次元方向で連続して０となる画素数（Ｎ＋１）と、値が制限された変化量Ｃとから画像信号Ａの階調の傾きＫを求めるように構成したので、複雑な演算を必要とせず、高速に画像処理を行うことができる。

さらに、変化量制限部６は、変化量算出部５が算出した変化量Ｂを、あらかじめ決められた最大値および最小値の範囲に制限するので、輪郭部分のような−１から＋１の範囲を超えた変化量を持つ画素では、その差分が保持されるので、輪郭情報を保持しながら輪郭以外の部分の画像を滑らかに表示することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１における画像表示装置の動作の説明では、変化量制限部６が、変化量算出部５の出力する変化量Ｂが最大値と最小値で規定される範囲を超えたときに、最大値または最小値をとるように値を制限する場合について説明した。しかし、本実施の形態２では、画像処理装置である階調処理部３において変化量Ｂの値が−１から＋１までの範囲を超えた場合、その値を０、つまり階調値に変化が無いときの値にするように構成している。例えば、図６では、変化量Ｂのうち、左から４番目と最も右にある変化量Ｂが最大値１と最小値−１の範囲を超えた大きな（絶対値）値になった場合に、変化量Ｃを０に設定する状態が示されている。また、変化量制限部６は、変化量Ｂが最小値と最大値で規定される範囲を超えた場合に、計数器をリセットさせるための信号を傾き判定部７に出力し、傾き判定部７における計数器は、変化量Ｃが０の場合に計数し、０以外の場合および、前記リセットさせるための信号が入力された場合に、その時点の計数値Ｎを記憶して、計数器の値を０に戻す。

以上のように構成することにより、変化量Ｂが−１と＋１を超える、つまり輪郭部分で、付加ビットＥを０にすることができるので、変化量Ｂが−１から＋１の範囲を超えるような輪郭部分では、原画像信号に階調値を付加することがないので、輪郭部分の鮮鋭度を保持しながら、輪郭以外の画像の滑らかさを増すことができる。

図７は、図６に示した階調値の組み合わせに対して、付加ビットＥを生成する方法を説明するための図である。図５に対して図７では、階調値２の画素に隣接する階調値６の画素の変化量Ｂが＋４の場合に、変化量Ｃを０にするように設定している点が異なる。このように変化量Ｂが所定値を超えた場合に変化量Ｃを０とみなし、さらに計数値Ｎをリセットすることにより、階調値６の画素に隣接する階調値２の領域では、付加値ｅが０となり、その結果、変化量Ｂの絶対値が１を超える輪郭に隣接する画素では階調値が付加されないので、画像の鮮鋭度（輪郭情報）を保ちながら輪郭以外の画像の滑らかさを増すことができる。

つまり、本実施の形態２によれば、変化量制限部６は、変化量算出部５が算出した変化量Ｂが、あらかじめ決められた最大値および最小値の範囲を超えた場合に、変化量Ｃを０に規定するので、変化量Ｂが所定の範囲を超えるような輪郭部分では、原画像信号に階調値を付加することがないので、輪郭部分の鮮鋭度を保持しながら、輪郭以外の画像の滑らかさを増すことができる。

なお、上記実施の形態１および２の動作の説明では、階調処理部３は、入力された画像信号の水平方向に隣接する画素の階調値の変化量に応じて生成した付加ビットＥを画像信号Ｆに加算することで、量子化ノイズを削減する場合について示したが、入力された画像信号Ｆの垂直方向に隣接する画素の階調値の差分から求めた変化量ＢＶに応じて、付加ビットＥＶを生成して画像信号Ｆに加算しても良く、同様の効果を奏する。

さらに、水平方向と垂直方向の両方向について順次実施しても良い。この場合でも、付加ビットＥの生成は１次元方向に隣接する画素の階調値の差分に基づいて生成されることになるので、複雑な演算を必要とせず、実時間で画像処理を行うことが可能となる。

また、変化量算出部５から変化量Ｂを変化量制限部６および傾き判定部７に出力することにより、傾き判定部７において、変化量Ｂの値から直接変化量Ｂが連続して０となる数を計数するようにしてもよい。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３における画像処理装置である階調処理回路３の動作を説明するための図である。前記実施の形態１、２では、変化量制限部６は、変化量算出部５が算出した変化量Ｂを−１と＋１の範囲内に制限する場合について説明したが、この限りではなく、本実施の形態３における変化量制限部６では、あらかじめ決められた最大値（正の値）と最小値（負の値）に基づいて、変化量Ｂの値を制限する。

図８のＡは、受信部２から出力された画像信号Ａの一部を示している。横方向は画像の水平位置、縦方向は画素の階調を示している。この画像信号Ａは、受信部２より変化量算出部５に入力され、変化量算出部５では、図８のＢに示したとおり隣接する画素の階調値の差分を階調の変化量Ｂとして算出する。変化量算出部５より出力された階調の変化量Ｂは、変化量制限部６に入力される。変化量制限部６は、入力された変化量Ｂが、あらかじめ決められた最大値と最小値の範囲になるように値を制限する。図８では、最大値を＋２、最小値を−２とした場合について示したが、この限りではなく、任意の値を選択することができる。もちろん、最大値（正の値）と最小値（負の値）の絶対値が異なってもよい。

変化量制限部６は、入力された変化量Ｂが＋２と−２の範囲になるように値を制限し、値が制限された変化量を変化量Ｃとして傾き判定部７に出力する。図８のＣでは、左から４番目の正の値と一番右の負の値が、それぞれ＋２と−２に制限されている。

傾き判定部７は、入力された変化量Ｃに基づいて、ぞれぞれの区間の階調の傾きＤを求める。ここでは、変化量Ｃが＋２と−２の範囲に制限されているので、傾きも＋２から−２の範囲の値となる。

付加ビット生成部８は、傾き判定部７が出力した傾きＤに基づいて、画像信号Ｆに付加すべき階調の小数部に対応するビット列を含む付加ビットＥを生成し、ビット加算部１０に出力する。

ビット加算部１０は、遅延部９から出力された画像信号Ｆに付加ビット生成部８が出力した付加ビットＥを加算して、新たな画像信号Ｇを生成し、表示部４に出力する。

図９は、ビット加算部１０に入力される画像信号Ｆ、付加ビットＥとビット加算部１０が出力する画像信号Ｇの関係を示す図である。図９では、画像信号Ｆが８ビット、付加ビットが６ビット（符号ビット１ビットを含む）、画像信号Ｇが１２ビットの場合が示されている。付加ビットＥが５ビットの場合、変化量Ｃが−２から＋２の範囲に制限されることで、付加ビットＥは、画像信号Ｆに対して１ビットの整数部と４ビットの小数部で構成されるので、ビット加算部１０は、画像信号Ｆと付加ビットＥの整数部の位置が一致するように加算する。また、画像信号Ｆに対する残りのビットは、付加ビットＥの符号ビットを用いる。

もちろん、最大値が＋４、最小値が−４の場合は、付加ビットＥの整数部のビット数が増えることになり、ビット加算部１０は、この付加ビットＥの整数部にあわせて、画像信号Ｆに付加ビットＥを加算することは言うまでも無い。

また、付加ビットＥの小数部は、４ビット以外であってもよく、小数部のビット数が多いほど、画像信号Ｇの量子化ノイズは少なくなる。

以上のように構成することで、画像信号Ａに階調の最小値である１以上の量子化ノイズが含まれる場合であっても、実時間で量子化ノイズが低減され、滑らかで高品位な画像を表示することができる。

つまり、本実施の形態３によれば、変化量制限部６は、変化量算出部５が算出した変化量Ｂを、あらかじめ決められた任意の最大値および最小値の範囲に制限するので、輪郭部分として定義した所定の範囲を超えた変化量を持つ画素では、その差を効果的に強調することができるので、輪郭を強調しながら輪郭以外の部分の画像を滑らかに表示することができる。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４に係る画像表示装置を示す図である。実施の形態１ないし３では、階調処理部３によって構成される画像処理装置によって、受信部２が出力した画像信号Ａの量子化数を階調処理部３によって増やす場合について説明した。本実施の形態４では、図１０に示すように、画像処理装置３３は階調処理部３、階調補正部２０及び階調処理部２３によって構成され、階調処理部３によって画像信号Ａの量子化数を増やした後、階調補正部２０でダイナミックレンジの拡大やコントラストの改善等、階調補正を実施し、この階調補正にもとなって増加した画像信号Ｈの階調ジャンプを低減させるために、さらに階調処理部２３を設けたものである。なお、階調処理部２３の構成は階調処理部３と同様の構成であるので、階調処理部２３の構成についての説明は省略する。

入力端子１より入力された画像信号は、受信部２で受信され、所定の形式に変換された画像信号Ａが階調処理部３に出力される。階調処理部３では、入力された画像信号Ａに対して前記実施の形態１ないし実施の形態３のいずれかで示した処理を施して、量子化ノイズを低減する。量子化ノイズが低減された画像信号Ｇは、階調補正部２０に入力され、階調の補正が行われる。図１１は、階調補正部２０が実施する階調補正処理の一例を示した図である。ここでは、図１１に示したように入力された画像信号Ｇにおける区間Ａ内の階調のゲインを４倍にするような処理が施される。これにより、画像信号Ｇの階調分布が区間Ａに多く存在する場合は、表示される画像のダイナミックレンジが拡張され、明暗のはっきりしたコントラストの高い画像として表示される。一方で、階調補正部２０が実施した階調特性の変換により、階調処理部３で量子化ノイズを除去したにもかかわらず、区間Ａ内では階調ジャンプが発生する場合がある。図１２は、階調補正部２０に入力される画像信号が図１１の区間Ａの階調で連続的に変化している場合の階調補正前後の関係を示した図である。図１２に示したように区間Ａのゲインが４倍になると、当該区間の出力画像の階調は、４おきの値しか存在しなくなり、画像が徐々に明るくなるような領域でも、その階調の変化が４階調ごとになり、階調ジャンプが発生し、この階調ジャンプが目立つようになる。

このようにダイナミックレンジの拡張に伴う階調ジャンプが増えた画像信号Ｈが階調補正部２０より出力され、階調処理部２３に入力される。階調処理部２３では、階調処理部３と同様の処理によって画像信号Ｈの階調ジャンプを低減し、処理後の画像信号Ｊを表示部４に出力する。ここで、階調補正部２０で４階調の階調ジャンプが発生するような処理が施される場合、階調処理部２３の変化量制限部２６における最大値と最小値は、それぞれ＋４と−４に設定すればよい。このように階調処理部２１における変化量制限部２６の最大値と最小値は、階調補正部２０の特性に応じて決定される階調ジャンプの大きさに応じて設定すればよい。

図１３は、階調処理部２３の動作を説明するための図で、前述のとおり、階調処理部２３の変化量制限部２６の最小値と最大値が階調補正部２０の画像補正により発生する階調ジャンプの大きさに合わせてそれぞれ−４と＋４に設定された場合を示している。図１３のＣに示したとおり、変化量Ｂから、−４から＋４の範囲に値が制限された変化量Ｃが生成される。その他の動作については、実施の形態３における図８と同様であるので、説明を省略する。

図１４は、階調処理部２３におけるビット加算部３０の動作の一例を示す図である。ここでは、階調処理部３で量子化数を増やしているので、階調処理部２３では、量子化数（画像信号のビット数）を増やさずに階調ジャンプを低減する場合について示している。図１４に示したように付加ビット生成部２８からは、画像信号Ｈに対して整数部だけで構成される付加ビットＩが生成され、ビット加算部２８で画像信号Ｈに加算され、新たな画像信号Ｊが生成される。この画像信号Ｊは、表示部３に入力され階調ジャンプが低減された画像が表示される。

以上のように、階調処理部３で量子化ノイズを低減した後に階調補正部２０でダイナミックレンジの拡張やコントラスト補正処理を施した場合であっても、変化量制限部２６における変化量Ｂの制限値（最大値、最小値）を階調補正部２０の特性に合わせて設定することで、階調ジャンプが発生する階調を検索することなく処理が可能になるので、実時間で量子化ノイズを低減するとともに画像処理によって生じた階調ジャンプも低減され、滑らかで高品位な画像を表示することができる。

つまり、本実施の形態４によれば、変化量制限部２６が用いる最大値および最小値を、階調補正などの画像処理によって発生する階調ジャンプの大きさに応じて決定するように構成したので、階調ジャンプが発生する階調を検索することなく階調ジャンプを低減する処理が可能となり、実時間で量子化ノイズを低減することとともに画像処理によって生じた階調ジャンプも低減され、滑らかで高品位な画像を表示することができる。

なお、図１０では、階調処理部３の後ろに階調補正部２０で階調補正を行う場合について示したが、階調ジャンプが増大してしまうような画像処理部を階調補正部２０の位置に配置することによって、画像処理によって増大した階調ジャンプを低減することができる。もちろん、階調処理部２３における変化量制限部２６の最大値と最小値は、当該画像処理部の特性によって決定される階調ジャンプの大きさに応じて決定すれば良く、画像処理で発生した階調ジャンプを低減するように働く。

本発明の実施の形態１に係る画像表示装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る画像処理装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る画像処理装置のビット加算部１０の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る画像処理装置の動作の詳細を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る画像処理装置の動作の詳細を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る画像処理装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る画像処理装置の動作の詳細を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る画像処理装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る画像処理装置のビット加算部１０の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る画像表示装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る画像処理装置の階調補正部２０の動作を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る画像処理装置の階調補正部２０の動作を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る画像処理装置の階調処理部２３の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る画像処理装置のビット加算部３０の動作を示す図である。

符号の説明

１ 入力端子、 ２ 受信部、 ３，２３ 階調処理部、 ４ 表示部、 ５ 変化量算出部、 ６，２６ 変化量制限部、 ７ 傾き判定部、 ８ 付加ビット生成部、 ９ 遅延部、 １０，４０ ビット加算部、 ２０階調補正部（画像処理部）。

Claims (7)

1. 時間方向及び空間方向に離散したデータで構成される画像信号を処理する画像信号を表示する画像処理装置であって、
   画像信号の空間方向における１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量として求める変化量算出部と、
   前記変化量算出部が算出した変化量の値の取り得る値の範囲を制限する変化量制限部と、
   前記値が制限された変化量より画像信号の階調の傾きを求める傾き判定部と、
   前記傾き判定部で求められた画像信号の階調の傾きに基づいて、付加ビットを生成する付加ビット生成部と、
   前記画像信号に前記付加ビット生成部で生成した付加ビットを加算し、該付加ビットを加算した画像信号を出力するビット加算部と、
   を備えてなる画像処理装置。
2. 前記付加ビット生成部は、受信した画像信号の階調値に対して小数部に相当するビット列を含む付加ビットを生成し、
   前記ビット加算部は、前記小数部に相当するビット列を含む付加ビットを前記画像信号に加算することで、前記画像信号より量子化数の多い画像信号を発生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. 前記傾き判定部は前記変化量が前記１次元方向で連続して０となる画素数と、前記値が制限された変化量とから前記画像信号の階調の傾きを求めることを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
4. 前記変化量制限部は、前記変化量算出部が算出した変化量を、あらかじめ決められた最大値および最小値の範囲に制限することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
5. 前記変化量制限部が用いる最大値および最小値は、階調補正などの画像処理によって発生する階調ジャンプの大きさに応じて決定されることを特徴とする請求項４に記載の画像処理装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の画像処理装置と、
   画像信号を受信し、前記画像処理装置に画像信号を出力する画像受信部と、
   前記画像処理装置が出力する画像信号を表示する表示部と、
   を備えてなる画像表示装置。
7. 時間方向及び空間方向に離散したデータで構成される画像信号を処理する画像信号処理方法であって、
   画像信号の空間方向おける１次元方向で隣接する画素間の階調値の差分を階調の変化量として求め、
   該求められた変化量が取り得る値の範囲を制限し、
   前記変化量が連続して０となる前記１次元方向における画素数と、前記値が制限された変化量とから階調の傾きを求め、
   該求められた階調の傾きに基づいて生成された付加ビットを前記画像信号に加算することにより、前記画像信号の量子化誤差より小さな量子化誤差の画像信号を発生する、
   ことを特徴とする画像処理方法。

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