JP2009081812A - 信号処理装置および信号処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】映像信号に対して高精度なガンマ補正を施す際に回路規模の増大を確実に抑制する。
【解決手段】ガンマ補正装置100の差分サンプルデータレジスタ120は、入力映像信号のとりうる最低レベルと最高レベル間に等間隔に設定された複数のサンプル点の差分サンプルデータとして、補正後の信号レベルと補正前の信号レベルとの差分を保持している。補正実行部130は、差分サンプルデータレジスタ120に保持された差分サンプルデータを用いてキュービック補間演算を行うと共に、演算結果と、入力映像信号の信号レベルとを加算して補正後の映像信号の信号レベルを得る。
【選択図】図1

Description

本発明は、信号処理、具体的には入力される映像信号に対してガンマ補正を行う信号処理技術に関する。
映像表示装置はその種類によってガンマ特性が異なるので、映像信号を表示させる際に、映像表示装置のガンマ特性に合致するように映像信号に対してガンマ補正が行われている。例えば、現状のテレビジョン放送は、使用するディスプレイがブラウン管ディスプレイ(CRT)であることを前提として、送信側でCRTのガンマ特性に対応したガンマ補正が施されている。
一方、近年、映像表示装置は多様化しており、CRTに加え、液晶ディスプレイ(LCD)や、プラズマディスプレイパネル(PDP)なども普及しつつある。LCDやPDPなどのCRT以外の映像表示装置で現状のテレビジョン放送の映像信号を表示する際に、映像信号に対して、送信側で施したガンマ補正を除去し、使用している映像表示装置のガンマ特性に合致するように処理を施す必要がある。
既に施されたガンマ補正を除去する処理は、逆ガンマ補正とも呼ばれるが、映像信号のガンマ特性を変更する処理である点において実質的にはガンマ補正である。本明細書において、特別な説明がない限り、ガンマ補正、逆ガンマ補正にかかわらず、映像信号のガンマ特性を変更する処理を概してガンマ補正という。
ガンマ補正は、ガンマ補正曲線に基づいて行われる。例えば、ガンマ補正曲線に基づいて変換データが記述されたルックアップテーブル(LUT)を作成してROM(Read Only Memory)などの記憶装置に予め格納しておき、このLUTを用いてガンマ補正することが行われている。
しかしながら、より鮮明で自然に近い映像を表示できるように、ガンマ補正曲線への近似精度が高く要求される。そのため、LUTのデータ量が膨大になり、LUTを格納する記憶装置の容量も大きく、ガンマ補正装置の回路規模が増大してしまう。特に、複数のガンマ特性が異なる映像表示装置に対応する必要がある場合には、映像表示装置の種類の数だけLUTが必要であるため、この問題はより顕著になってしまう。
特許文献1には、ガンマ補正装置の回路規模を抑制する手法が開示されている。この手法は、まず、映像信号の最低の信号レベルから最高の信号レベルの間を等間隔に分割して複数のサンプル点を設定し、各サンプル点について補正前の信号レベルと補正後の信号レベル(サンプルデータ)とを対応付けて保持する。補正前の信号レベルと補正後の信号レベルをそれぞれX軸とY軸の値とすれば、座標(サンプル点の信号レベル,サンプルデータ)が示す点は、ガンマ補正曲線上に位置する。この手法は、このように予め保持したデータを用いてキュービック補間演算を行うことによって、入力される映像信号の信号レベルに対応した補正後の信号レベルを求める。
図7は、特許文献1の図5に対して、機能で表されていた各構成要素の名称を装置に変更してわかりやすくしたものである。図示のように、ガンマ補正装置11は、サンプルデータを格納するサンプルデータレジスタ21と、サンプルデータ選択部22と、カーネル係数23と、係数選択部24と、補間演算部25を備える。
補間演算部25は、カーネル関数と呼ばれる3次多項式に基づいたキュービック補間演算を行うものであり、補間演算に際しては、サンプルデータ選択部22から供されるサンプルデータと、係数選択部24から供される補間演算用の各係数(カーネル係数)を用いる。
サンプルデータ選択部22は、入力される映像信号の信号レベルに応じて、補間演算に必要なサンプルデータを選択して補間演算部25に供する。図7に示すガンマ補正装置11の例では、入力される映像信号のレベルをX軸において左右に囲む2つずつのサンプル点のサンプルデータが選択される。
係数選択部24は、入力される映像信号のレベルと、サンプルデータ選択部22が選択した4つのサンプルデータに対応するサンプル点間の距離(レベル差)をそれぞれ求め、求められたレベル差に応じたカーネル係数をカーネル係数メモリ23から読み出して補間演算部25に出力する。
補間演算部25は、係数選択部24からの4つのカーネル係数を重み付け係数として用い、サンプルデータ選択部22からの4つのサンプルデータに対して重み付け加算を行うことによって、入力される映像信号のレベルのガンマ補正後の信号レベルを取得する。
この手法によれば、大規模なLUTや高次の演算を行うことなく、回路規模や演算量が少ない構成によってガンマ補正ができるとされている。
特開2004−140702号公報
ここで、図8を参照して、図7に示すガンマ補正装置11におけるサンプルデータレジスタ21の容量について考える。
図8の横軸Xは補正前の信号レベル(以下入力レベルという)であり、縦軸Yは、補正後の信号レベル(以下出力レベル)である。図中ガンマ補正曲線に位置する白丸は、X値がサンプル点の信号レベルであり、Y値がサンプルデータである。また、ガンマ補正曲線に位置する黒丸は、X値が、入力される映像信号のレベル(図中Aで示す)であり、Y値が、入力される映像信号のレベルに対して補間演算で求められた出力レベルである。
1つの入力レベルに対して出力レベルを求めるために、4つのサンプルデータが用いられる、図中点線枠で囲まれた4つの白丸は、信号レベルAの出力レベルを求めるために選択されたサンプルデータを示す。
映像信号の入力レベルと出力レベルの最大値をLとした場合、サンプルデータの設定範囲は図中矢印αが示すように0からLまでカバーする必要がある。そのため、サンプルデータのビット幅Nは、「log(L+1)」以上である必要があり、サンプルデータを格納するサンプルデータレジスタ21は、「N×サンプル点の個数m」のビット幅に相当するレジスタ数を持つ必要がある。
サンプルデータを格納するサンプルデータレジスタの必要な容量が大きいと、特許文献1の手法による回路規模の抑制効果を弱めてしまうという問題がある。
また、4つのサンプルデータを重み付け加算する補間演算部25は、「サンプルデータ×重み付け係数」の演算を行う4つの乗算器と、乗算器の乗算結果を加算する3つの加算器が必要である。サンプルデータのビット幅が大きいと、乗算器と加算器の回路規模も大きくなるという問題がある。
本発明の1つの態様は、入力映像信号に対してガンマ補正を行う映像信号処理装置である。この映像信号処理装置は、サンプルデータ保持部と補正実行部を備える。
サンプルデータ保持部は、入力映像信号のとりうる最低レベルと最高レベル間に等間隔に設定された複数のサンプル点毎の、補正後の信号レベルと補正前の信号レベルとの差分を差分サンプルデータとして保持する。
補正実行部は、差分サンプルデータ保持部に保持された差分サンプルデータを用いてキュービック補間演算を行うと共に、演算結果と、入力映像信号の信号レベルとを加算して補正後の映像信号の信号レベルを得る。
なお、上記装置を方法やシステム、並びにコンピュータを上記装置として動作させるプログラムに置き換えて表現したものも、本発明の態様としては有効である。
本発明にかかる技術によれば、映像信号に対して高精度なガンマ補正を施すことができると共に、回路規模を確実に抑制できる。
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかるガンマ補正装置100の模式図である。ガンマ補正装置100は、差分サンプルデータレジスタ120と、入力端子110を介して入力される映像データに対してガンマ補正を実行する補正実行部130を備える。
差分サンプルデータレジスタ120は、入力映像信号のとりうる最低レベルと最高レベル間に等間隔に設定された複数のサンプル点毎のサンプルデータとして、補正後の信号レベルと補正前の信号レベルとの差分を格納している。このサンプルデータを、以下「差分サンプルデータという」。
図2を参照してサンプルデータの詳細を説明する。なお、以下の説明において、「サンプル点」と「サンプル点の入力レベル」とを同じ意味で用いる。
図2において、横軸Xと縦軸Yは、補正前の信号レベル(入力レベル)と、補正後の信号レベル(出力レベル)をそれぞれ示す。Lは、入力映像信号のとりうる最高レベルを示す。ここで例として、入力映像信号が6ビットのものであり、2進数で表すその最低レベルは「00000」であり、最高レベルは「111111」である。
ガンマ補正曲線上に位置する白丸のX値とY値は、下記の式(1)の関係を満たす。
(X,Y)=(サンプル点,サンプル点の出力レベル) (1)
例として、サンプル点は入力映像信号のダイナミックレンジを3ビット幅(000〜111)毎に分割して設定されたとする。従って、サンプル点は、「000000」、「001000」、「010000」、「011000」、「100000」、「101000」、「110000」、「111000」、「1000000」の0〜8までの計9個になる。
差分サンプルデータは、サンプル点の出力レベルとサンプル点の差分であり、図2の矢印βが示すように、サンプル点の出力レベルと、該サンプル点に対応した、直線Y=X(出力レベル=入力レベル)上におけるY値との差分である。以下この差分をdで表記する。
差分サンプルデータレジスタ120は、各サンプル点に対応するこの差分dを保持する。
補正実行部130は、差分サンプルデータを用いてキュービック演算を行うと共に、演算結果と、映像信号の入力レベルとを加算して映像信号の出力レベルを取得する。
キュービック補間演算は、3次多項式を用いた補間アルゴリズムであり、そのカーネル関数h(x)は、下記の式(2)に示している。
Figure 2009081812
式(2)において、aは補間関数の性質を制御するための常数であり、通常−0.5〜−2程度の値が用いられる。図3は、a=−0.5としたときに、式(2)に示すカーネル関数h(x)を示すグラフである。なお、カーネル関数h(x)の値は、カーネル係数と呼ばれる。
式(2)における「x」は、映像信号の入力レベルとサンプル点間の距離である。キュービック演算において、任意の入力レベルの出力レベルを求めるために必要となるサンプル点は、距離xが、−2≦x<−1の範囲、−1≦x<0の範囲、0≦x<1の範囲、1≦x<2の範囲の4つの範囲からの、それぞれ1つずつである。
ここで図2に示す映像信号の入力レベル「A」に対して、その出力レベルを求める処理を例にして補正実行部130を説明する。
補正実行部130は、差分サンプルデータ選択部150と、カーネル係数メモリ142と、係数選択部140と、補間演算部160と、加算器170を備える。
差分サンプルデータ選択部150には、入力レベル「A」の上位3ビットが入力される。差分サンプルデータ選択部150は、入力される3ビットの値「j」(j:0以上7以下の自然数)に対して、サンプル点「j−1」、「j」、「j+1」、「j+2」に対応する差分サンプルデータを選択する。具体的には、たとえば、入力レベルAが「100011」である場合には、上位3ビットが4であるため、サンプル点「3」(011000)、「4」(100000)、「5」(101000)、「6」(110000)に対応する差分サンプルデータが選択される。すなわち、図2に示すように、入力レベル「A」に対して、「A」より低レベル側の近傍に位置する2つのサンプル点B1、B2と、「A」より高レベル側の近傍に位置する2つのサンプル点B3、B4とにそれぞれ対応する差分サンプルデータd1、d2、d3、d4が選択される。差分サンプルデータ選択部150は、選択した4つの差分サンプルデータを補間演算部160に出力する。
補間演算部160は、差分サンプルデータ選択部150が選択した4つの差分サンプルデータに対して重み付け加算を行って、入力レベルAが対応する差分dAを得る。この重み付け加算の重み付け係数は、上記式(2)が示すカーネル関数h(x)の値すなわちカーネル係数であり、係数選択部140によりカーネル係数メモリ142から選択される。
カーネル係数メモリ142は、式(2)に示すカーネル関数のh(x)の値と、xとを対応付けて格納している。このxは、隣接するサンプル点間の距離ここでは111(2進数)で正規化されている。従って、カーネル関数に入力される変数xは、元々−2≦x≦2の範囲をとるので、111(2進数)で正規化された場合には、図4に示すように、−1000(2進数)≦x≦1000(2進数)の範囲をとることになる。なお、図4も、a=−0.5の場合におけるカーネル係数を示している。
また、カーネル係数メモリ142に格納されている各カーネル係数は、入力映像信号の量子化ビット単位のステップ毎に求められたものである。そのため、カーネル係数メモリ142には、計32個のカーネル係数が格納されている。
係数選択部140には、入力レベル「A」の下位3ビットが入力される。係数選択部140は、カーネル係数メモリ142から、4つのカーネル係数h1、h2、h3、h4を選択して補間演算部160に出力する。具体的には、入力される3ビットの値に基づいて、入力レベル「A」から、差分サンプルデータ選択部150が選択した4つの差分サンプルデータに対応するサンプル点B1〜B4までの距離x1〜x4を算出し、これらの4つの距離にそれぞれ対応するカーネル係数h1〜h4を選択する。具体的には、入力される3ビットの値k(k:0以上7以下の自然数)に対して、x=(k−16)、x=(K−8)、x=k、x=(k+8)の4つのカーネル係数を選出する。たとえば、入力レベル「A」が「100011」である場合には、下位3ビットが3であるため、「−13」、「−5」、「3」、「11」の4つのxに対応するカーネル係数が選択される。
補間演算部160は、係数選択部140が選択した4つのカーネル係数h1〜h4を重み付け係数として用い、差分サンプルデータ選択部150が選択した4つの差分サンプルデータd1〜d4に対して、下記の式(3)が示す重み付け加算をする。
dA=h1×d1+h2×d2+h3×d3+h4×d4 (3)
補間演算部160の演算結果dAは、図2に示すように、入力レベルAのガンマ補正後のレベル(出力レベル)と、入力レベルAとの差分である。
加算器170には、入力映像信号と、補間演算部160の演算結果が入力される。加算器170は、式(4)に従って、入力映像信号映像のレベルと、補間演算部160の演算結果を加算し、加算結果を出力データとして出力端子180に出力する。
出力レベル=入力映像信号のレベル+dA (4)
但し,dA:補間演算部の演算結果
このようにして、本実施の形態のガンマ補正装置100により、入力される映像信号に対してガンマ補正後の映像信号が得られる。
ここで、本実施の形態のガンマ補正装置100における差分サンプルデータレジスタ120の容量について考える。説明に当たり、テレビジョン放送の映像信号に対して、送信側で施したガンマ補正を除去するいわゆる逆ガンマ補正に本実施の形態のガンマ補正装置100を適用した場合を例にする。
受信側において、送信側が施したガンマ補正を除去するための逆ガンマ補正曲線は、下記の式(5)により表すことができる。
Y=L×(X/L)γ (5)
但し,Y:補正後のレベル
X:補正前のレベル
L:入力映像信号の最大値
γ:逆ガンマ補正ガンマ値
CRTのガンマ値γは通常2.2であり、液晶ディスプレイ(LCD)やプラズマディスプレイパネル(PDP)のガンマ値γもパネルの種類によって異なるが一般的に2.0前後である。送信側でこれらの表示装置のガンマ特性に合致するようにガンマ補正が施された映像信号に対する逆ガンマ補正には、1≦γ≦4程度の逆ガンマ補正ガンマ値γを用いれば十分である。
式(5)において、γが1〜4の範囲内であれば、下記の式(6)が成り立つ。
X−Y=X−L×(x/L)γ<L/2 (6)
但し,L:入力映像信号の最大値
X:補正前のレベル
Y:補正後のレベル
γ:逆補正ガンマ値
すなわち、補正前のレベル(入力レベル)と補正後のレベル(出力レベル)は、入力映像信号の最大値の1/2より小さい。
ガンマ補正装置100に用いられる差分サンプルデータは、サンプル点と、サンプル点に対応する出力レベルとの差分であるので、式(6)から分かるように、その設定範囲は、0〜L/2で十分である。
そのため、差分サンプルデータのビット幅は、Log((L+1)/2)である。これに対して、前述したように、特許文献1の手法に用いられるサンプルデータのビット幅Nは、Log(L+1)であるので、本実施の形態に用いられる差分サンプルデータのビット幅は、(N−1)となる。したがって、特許文献1の手法より、1サンプル点につき、1ビットの削減ができる。
このようなことから、本実施の形態のガンマ補正装置100において、差分サンプルデータレジスタ120は、「(N−1)×サンプル点の個数m」のビット幅に相当するレジスタ数を持てばよく、図7に示すガンマ補正装置11の差分サンプルデータレジスタ21より、mビット分削減できる。
また、式(3)が示す演算のときに、差分サンプルデータのビット幅が(N−1)であるので、カーネル係数のビット幅をnとすると、4つの乗算器は、「(N−1)ビット×nビット」の乗算を行い、図7に示すガンマ補正装置11に対して1乗算器につき1ビット分削減でき、計4ビット削減できる。また、4つの乗算結果を加算する3つの加算器も4ビット分削減できる。
本実施の形態のガンマ補正装置100は、図7に示すガンマ補正装置11より、Nビットの加算器170が追加されている。しかし、乗算器が1ビット分削減されるということは、(N−1)ビットの左シフトと(N+n)ビットの加算器が削減されることを意味するので、加算器170の追加による回路規模の増加分を差し引いても、図7に示すガンマ補正装置11より回路規模を削減できることが分かる。
このように、本実施の形態のガンマ補正装置100は、図7に示すガンマ補正装置11が用いるサンプルデータよりビット幅が小さい差分サンプルデータを用いて補間演算を行うことによって、補間用のデータを格納するレジスタのビット幅や、補間演算部の回路規模を削減することができ、補正の精度を高めるためにサンプル点数やカーネル係数のビット幅を増やした場合においても、レジスタのレジスタ数や補間演算の回路規模への影響を小さくすることができる。
<第2の実施の形態>
図5は、本発明の第2の実施の形態にかかるガンマ補正装置200である。ガンマ補正装置200は、ガンマ特性が異なる複数のガンマ補正を選択的に行うことに対応可能であり、図1に示すガンマ補正装置100に対して、減算器218が追加されている。なお、図5では、図1に示すガンマ補正装置100において同じ機能を担う構成要素については図1と同じ符号を付与するとともに、これらの構成要素について詳細な説明を省略する。
ガンマ補正装置200において、ガンマ特性選択端子216を介して、目的のガンマ特性に合致するガンマ補正を行うためのサンプルデータ(サンプル点の出力レベル)が入力される。また、入力端子212を介して、サンプル点の信号レベルが入力される。減算器218は、サンプル点毎に、サンプル点の信号レベルとサンプルデータとの差分を求めて差分サンプルデータとして差分サンプルデータレジスタ120に出力する。これにより、差分サンプルデータレジスタ120には、目的のガンマ特性に合致するガンマ補正を行うための差分サンプルデータが格納される。
カーネル係数メモリ142は、係数群入力端子214を介して入力された各カーネル係数を格納する。
補正実行部130は、入力端子212を介して入力された映像信号に対してガンマ補正を行うが、その処理は、図1に示すガンマ補正装置100における相対応する処理と同じであるので、ここで説明を省略する。
本実施の形態のガンマ補正装置200において、図7に示すガンマ補正装置11より減算器218と加算器170が追加されているが、図1に示すガンマ補正装置100と同様に、補間演算部160の乗算器のビット削減より、減算器218と加算器170の追加による回路規模の増加分を差し引いても、図7に示すガンマ補正装置11より回路規模を削減できる。
<第3の実施の形態)
図6は、本発明の第3の実施の形態のガンマ補正装置300を示す。ガンマ補正装置300は、補正実行部330が、図5に示すガンマ補正装置200の補正実行部130に対して、補間演算部160と加算器170との間に符号判定部380が追加された点を除いて、ガンマ補正装置200と同じであるので、ここで符号判定部380を重点的に説明する。
ガンマ補正は、映像信号を硬調に補正する硬調補正と軟調に補正する軟調補正の2種類があり、硬調補正の場合は、ガンマ補正曲線が「出力レベル=入力レベル」すなわち「Y=X」で表される直線の上方に位置し、軟調補正の場合は、ガンマ補正曲線がこの直線の下方に位置する。上述したガンマ補正装置100とガンマ補正装置200の説明時に用いたガンマ補正曲線(図2に示す)は、軟調補正の例である。なお、CRTのガンマ特性に合うように行ったガンマ補正を除去する逆ガンマ補正は、軟調補正に該当する。
ガンマ補正装置100とガンマ補正装置200に対して、硬調補正と軟調補正のいずれにも対応できるようにするために、差分サンプルデータレジスタに格納される差分サンプルデータに符号を持たせることで実現できる手法が考えられるが、本実施の形態のガンマ補正装置300では、符号判定部380を設けることによって、補間演算部160による補間演算が終わるまで、差分サンプルデータに符号ビットを持たせないことを実現する。
具体的には、符号判定部380は、硬調補正である場合には、補間演算部160の演算結果に「+」の符号を付与して加算器170に出力し、軟調補正である場合には、補間演算部160の演算結果に「−」の符号を付与して加算器170に出力する。
差分サンプルデータに符号を持たせる場合、差分サンプルデータレジスタ120も符号ビットが必要になる、サンプル点の個数分のmビットが増加する。また、補間演算部160においても、1乗算器に1ビット増加のため4つの乗算器で計4ビット増になる。同様に補間演算部160における加算器も4ビット増となる。前述したように、乗算器のビット増が回路規模の増大に大きな影響を与えるので、本実施の形態のガンマ補正装置300によれば、硬調補正と軟調補正のいずれに対応したい場合では回路規模の増大を抑制することができる。
以上、実施の形態をもとに本発明によるガンマ補正技術を説明した。実施の形態は例示であり、本発明の主旨から逸脱しない限り、さまざまな変更、増減を加えてもよい。これらの変更、増減が加えられた変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
本発明の第1の実施の形態にかかるガンマ補正装置を示す図である。 キュービック補間演算を説明するための図である。 カーネル関数のグラフ例を示す図である。 図1に示すガンマ補正装置におけるカーネル係数メモリに格納されたカーネル係数を説明するための図である。 本発明の第2の実施の形態にかかるガンマ補正装置を示す図である。 本発明の第3の実施の形態にかかるガンマ補正装置を示す図である。 従来のガンマ補正装置を示す図である。 図7に示すガンマ補正装置の処理を説明するための図である。
符号の説明
100 ガンマ補正装置
110 入力端子
120 差分サンプルデータレジスタ
130 補正実行部
140 係数選択部
142 カーネル係数メモリ
150 差分サンプルデータ選択部
160 補間演算部
170 加算器
180 出力端子
200 ガンマ補正装置
212 入力端子
214 係数群入力端子
216 ガンマ特性選択端子
218 減算器
300 ガンマ補正装置
330 補正実行部
380 符号判定部

Claims (4)

  1. 入力映像信号に対してガンマ補正を行う信号処理装置において、
    前記入力映像信号のとりうる最低レベルと最高レベル間に等間隔に設定された複数のサンプル点毎の、補正後の信号レベルと補正前の信号レベルとの差分を差分サンプルデータとして保持する差分サンプルデータ保持部と、
    該差分サンプルデータ保持部に保持された前記差分サンプルデータを用いてキュービック補間演算を行うと共に、演算結果と、前記入力映像信号の信号レベルとを加算して補正後の映像信号の信号レベルを得る補正実行部とを備えることを特徴とする信号処理装置。
  2. 前記補正実行部は、前記ガンマ補正が前記入力映像信号を硬調に補正する硬調補正であるか軟調に補正する軟調補正であるかに応じた符号を前記キュービック補間演算の演算結果に付与する符号判定部をさらに備え、
    該符号判定部により前記符号が付与された前記演算結果と前記入力映像信号の信号レベルとを加算することを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。
  3. 入力映像信号に対してガンマ補正を行う信号処理方法において、
    前記入力映像信号のとりうる最低レベルと最高レベル間に等間隔に設定された複数のサンプル点毎の、補正後の信号レベルと補正前の信号レベルとの差分を差分サンプルデータとして保持し、
    保持された前記差分サンプルデータを用いてキュービック補間演算を行うと共に、演算結果と、前記入力映像信号の信号レベルとを加算して補正後の映像信号の信号レベルを得ることを特徴とする信号処理方法。
  4. 前記キュービック補間演算の演算結果に対して、前記ガンマ補正が前記入力映像信号を硬調に補正する硬調補正であるか軟調に補正する軟調補正であるかに応じた符号を付与し、
    前記符号が付与された前記演算結果と前記入力映像信号の信号レベルとを加算することを特徴とする請求項3に記載の信号処理方法。
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