JP2010026028A - 画像表示装置および画像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジが広く、コントラストの高い表示画像を得ることができるとともに、消費電力の増大を抑え、視聴者にとってまぶしすぎる表示となることを抑制する画像表示装置および画像表示方法を提供する。
【解決手段】外部から入力される入力画像データを用いて上記複数の光源（５−１乃至５−Ｎ）の各々の発光強度を制御するための発光強度制御データ（Ｖｉ）を生成する発光強度制御データ生成手段（３）と、発光強度制御データ（Ｖｉ）にしたがって、上記複数の光源（５−１乃至５−Ｎ）の各々の発光強度を制御する光源制御手段（６）とを備える。発光強度制御データ生成手段（３）は、複数の光源（５−１乃至５−Ｎ）の発光強度の総和が所定値を超えないように発光強度制御データ（Ｖｉ）を定める。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネルなどの受光型光変調素子を用いる画像表示装置に関し、特に画像データに応じて光源の光量を調整する画像表示装置および画像表示方法に関する。

従来の画像表示装置が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の画像表示装置では、画像データに応じて複数の光源の発光強度を個別に制御することで、ダイナミックレンジが広く、コントラストの高い表示画像を得られることが開示されている。

特開２００５−３０９３３８公報

特許文献１に開示されている通り、例えば液晶表示装置において、バックライトとして複数の光源の各々の光量を個別に制御することにより、ダイナミックレンジが広く、コントラストの高い表示画像を得ることができ、特に各光源の最大発光量が大きいほど効果が大きくなる。しかしながら、例えば全白画像（画面全体が白の画像）のように画面全体が非常に明るい画像に対しては、全ての光源が大きな発光量で点灯し、発光量の総和が大きくなることで、消費電力が増大したり、視聴者にとってまぶしすぎる表示となるという課題がある。この課題は、各光源の最大発光量が大きいほど、すなわちダイナミックレンジが広く、コントラスト向上の効果が大きいほど顕著となる。

本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、ダイナミックレンジが広く、コントラストの高い表示画像を得ることができるとともに、画面全体が非常に明るい画像に対して、消費電力の増大を抑え、視聴者にとってまぶしすぎる表示となることを抑制することが可能な画像表示装置および画像表示方法を提供することを目的とする。

この発明の第１の画像表示装置は、
複数の光源と、
複数の画素を有し、画素毎に上記複数の光源からの照明光を変調する受光型光変調手段と、
外部から入力される入力画像データを用いて上記複数の光源の各々の発光強度を制御するための発光強度制御データを生成する発光強度制御データ生成手段と、
上記発光強度制御データにしたがって、上記複数の光源の各々の発光強度を制御する光源制御手段とを備え、
上記発光強度制御データ生成手段は、上記複数の光源の発光強度の総和が所定値を超えないように上記発光強度制御データを定めることを特徴とする。

この発明によれば、ダイナミックレンジが広く、コントラストの高い表示画像を得ることができるとともに、画面全体が非常に明るい画像に対して、消費電力の増大を抑え、視聴者にとってまぶしすぎる表示となることを抑制することが可能となる。

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ブロック図である。本実施の形態１に係る画像表示装置は、表示用画像データ生成手段１、画像表示手段２及び発光強度制御データ生成手段３を備える。画像表示手段２は、受光型光変調手段４、照明手段５及び光源制御手段６を備える。発光強度制御データ生成手段３は、発光強度算出手段７及び発光強度制御データ演算手段８を備える。

受光型光変調手段４は、後述の画像データＤ２（ｘ）により光の透過率が変更される複数の画素を有する。

本実施の形態の画像表示装置には、入力画像データＤ１（ｘ）が入力される。入力画像データがカラー画像データである場合、Ｄ１（ｘ）は複数の原色データにより構成されることになる。また、ｘは当該画像データの画素位置を表す。以下説明の簡略化のため、画像表示手段が一次元に配列された画素を有するものとし、画像データＤ１（ｘ）が一次元の画像を表すものであるものとして説明するが、画像表示手段が二次元に配列された画素を有し、二次元の画像データが供給される場合についても同様に処理することができる。

照明手段５は、受光型光変調手段４に対するバックライトとして作用するものであり、照明手段５からの照明光が受光型光変調手段４により変調されて、変調された光が画像光として画像表示手段２から出射される。

照明手段５は、直線状に配列された複数の光源５−１乃至５−Ｎを有する。光源５−１乃至５−Ｎの各々による、受光型光変調手段４に対する照明光の配向分布特性Ｌｓｉ（ｘ）は、図２に示す如くであり、光源５−１、５−２、…５−Ｎのそれぞれの中心５−１ｃ、５−２ｃ、…５−Ｎｃに対向する部分が最も強く、中心から離れるに従って弱くなる。図２は、すべての光源５−１乃至５−Ｎに略標準的な電力を供給し、かつすべての光源５−１乃至５−Ｎが略同じ明るさで、より具体的には、その中心に対向する部分における照度が互いに同じになるように、供給される電力を調整した状態（標準状態）を示している。図２に示す標準状態で、各光源の照明光が、他の光源からの照明光よりも強い画素から成る領域を、当該光源の照明領域と言う。図２には、光源５−１乃至５−Ｎに対応して、それぞれの光源の照明領域Ｒ−１乃至Ｒ−Ｎが示されている。各光源の照明領域内の画素を、当該光源が主に照明する画素とも言う。

入力画像データＤ１（ｘ）は発光強度算出手段７へと入力される。発光強度算出手段７では、入力画像データＤ１（ｘ）を用いて照明手段５の光源５−１乃至５−Ｎのそれぞれの発光強度Ｕｉを算出する。ここで、画像表示手段２が光源５−１乃至５−ＮのＮ個の光源を備える場合、ｉ＝１〜Ｎである。発光強度算出手段７で算出される発光強度は、当該光源の照明領域Ｒ−ｉの画素のための画像データに基づいて（照明領域Ｒ−ｉ以外の照明領域の画素のための画像データを考慮に入れることなしに）定められる、局部的に見た理想強度であり、画面全体が明るくて、その結果まぶしく見えるようになるとか、消費電力が過大になるといった問題を考慮しない場合の発光強度である。発光強度データＵｉは、例えば下記の式（１）により求められる。

Ｕｉ＝（Ｕｍａｘ−Ｕｍｉｎ）×ＭＡＸｉ（Ｄ１（ｘ））＋Ｕｍｉｎ …（１）

式（１）において、ＵｍａｘおよびＵｍｉｎは、あらかじめ決められる発光強度データの最大値および最小値である。また、ＭＡＸｉ（Ｄ１（ｘ））は、光源５−ｉの照明領域Ｒ−ｉ内のすべての画素（光源５−ｉが主に照明するすべての画素）の、各フレームの入力画像データ中の最大値であり、入力画像データＤ１（ｘ）は０〜１に正規化されているものとする。

上記式（１）によれば、光源５−ｉの照明領域における各フレームの入力画像データの最大値が大きいほど、当該光源に対する発光強度データＵｉは大きくなる。
すなわち、光源５−ｉの照明領域内の画素）のいずれかが明るい入力画像データを受けるものであれば）、当該光源に対する発光強度データＵｉは大きくなり、光源５−ｉの照明領域内の画素）のいずれもが明るい入力画像データを受けるものでなければ）、当該光源に対する発光強度データＵｉは小さくなる。

なお、上記式（１）では、入力画像データの最大値を用いて発光強度データＵｉを算出しているが、これに限定するものではなく、例えば平均値を用いてもよい。また、入力画像データがカラー画像データの場合、各画素の原色データから当該画素における明度を表す明度データを算出し、当該明度データを用いて発光強度データＵｉを算出するように構成することもできる。

発光強度データＵｉは、発光強度制御データ演算手段８へと入力される。図３は、発光強度制御データ演算手段８の構成の一例を示すブロック図である。本構成において、発光強度制御データ演算手段８は、総和算出手段９、乗算係数算出手段１０、及び乗算手段１１を備える。発光強度データＵｉは、総和算出手段９へと入力され、光源の個数分だけ存在する発光強度データＵｉの総和Ｓｕを算出する。即ち、総和Ｓｕは下記の式（２）で与えられる。

算出された総和Ｓｕは、乗算係数算出手段１０へと入力される。乗算係数算出手段１０は、乗算係数生成手段として用いられているものであり、総和Ｓｕを用いて乗算係数ｋを、例えば計算により、生成する。乗算係数ｋは乗算手段１１へと入力され、下記式（３）に示す乗算により発光強度制御データＶｉを算出する。

Ｖｉ＝ｋ×Ｕｉ …（３）

発光強度制御データＶｉも、発光強度データＵｉと同じく、光源５−ｉの発光強度を表わすものである。発光強度データＵｉが、上記のように、対応する光源５−ｉの照明領域Ｒ−ｉの画素のための画像データに基づいて（照明領域Ｒ−ｉ以外の照明領域の画素のための画像データを考慮に入れることなしに）定められるのに対し、発光強度制御データＶｉは、画面全体が明るくて、その結果まぶしく見えるようになるとか、消費電力が過大になるといった問題を考慮して、発光強度データＵｉに対し修正（補正）を加えたものであり、「修正された発光強度データ」と言うこともできる。また、区別のため、発光強度データＵｉを「第１の発光強度データ」と言い、発光強度制御データＶｉを「第２の発光強度データ」と言うこともある。

乗算係数算出手段１０において、乗算係数ｋは例えば以下のように求められる。発光強度Ｕｉの総和Ｓｕの上限値Ｓｍａｘを予め設定し、総和ＳｕがＳｍａｘ以下の場合にはｋ＝１、総和ＳｕがＳｍａｘより大きい場合にはｋ＝Ｓｍａｘ／Ｓｕとする。これにより、発光強度制御データＶｉの総和Ｓｖが上限値Ｓｍａｘを超えないようにする。この場合Ｓｕとｋ及びＳｖの関係は図４に示すようになる。このように乗算係数ｋが求められることにより、発光強度制御Ｖｉデータの総和ＳｖはＳｍａｘを超えることはない。発光強度制御データＶｉは、表示用画像データ生成手段１および光源制御手段６へと入力される。

上限値Ｓｍａｘは、例えば、表示画面が全体として、視聴者にとってまぶしするぎようにならないような値に設定される。代わりに、上限値Ｓｍａｘを、電力消費が過大とならないように設定しても良い。さらに、電力の消費が過大とならず、かつ表示画面が全体としてまぶし過ぎないようい、上限値Ｓｍａｘを設定しても良い。

光源制御手段６では、発光強度制御データＶｉに基づいて複数の光源５−１乃至５−Ｎを個々に駆動し、発光を制御する。発光強度制御データＶｉの値が大きいほど光源５−ｉは明るく発光する。したがって、光源５−ｉの照明領域Ｒｉ内に明るい入力画像データを受ける画素が含まれていれば、光源５−ｉの発光は明るくなり、光源５−ｉの照明領域Ｒｉ内に明るい入力画像データを受ける画素が含まれていなければ、光源５−ｉの発光は暗くなる。

表示用画像データ生成手段１は、発光強度データＶｉをも参照して、入力画像データＤ１（ｘ）を表示用画像データＤ２（ｘ）に変換する。この際、各光源の配光分布特性も加味して表示用画像データＤ２（ｘ）を生成してもよく、この処理は特許文献１に開示されているように例えば以下のようにして行われる。

即ち、例えば、表示用画像データＤ２（ｘ）は下記の式（４）で与えられる。
Ｄ２（ｘ）＝ｆ｛(Ｄ１（ｘ）／Ｌ（ｘ）｝ …（４）
ここで、ｆ｛(Ｄ１（ｘ）／Ｌ（ｘ）｝は、(Ｄ１（ｘ）／Ｌ（ｘ）を変数とする関数を表し、Ｌ（ｘ）は、光源５−１乃至５−Ｎが標準状態（図２に示す状態）にあるときの、受光型光変調手段４の各画素における照度を表し、例えば、下記の式（５）で与えられる。

式（５）でＶｉは、光源５−ｉに対する発光強度制御データ、Ｌｓｉ（ｘ）は、光源５−ｉの、各画素位置ｘにおける照度（配光分布特性）であり、例えば図示しないルックアップテーブル（ＬＵＴ）に記憶されており、式（５）の計算を行なう際に読み出される。

受光型光変調手段４は、表示用画像データＤ２（ｘ）にしたがって、複数の光源５−１乃至５−Ｎからの照明光の透過率を画素ごとに制御し、画像を形成する。

実施の形態２．
図５は、発光強度制御データ演算手段８の他の構成例を表すブロック図である。図５に示す構成において、発光強度制御データ演算手段８は、総和算出手段９、ルックアップテーブル１２、乗算手段１１を備える。総和算出手段９および乗算手段１１は、上記実施の形態１におけるものと同一であり、詳細な説明は省略する。総和算出手段９は、発光強度データＵｉの総和Ｓｕを算出する。算出された総和Ｓｕはルックアップテーブル１２へと入力される。ルックアップテーブル１２は、図５の乗算係数算出手段１０の代わりに、乗算係数生成手段として用いられているものであり、総和Ｓｕを読み出しアドレスとして、予め格納される乗算係数ｋが読み出される。

図６は、発光強度データＵｉの総和Ｓｕと、これに対応してルックアップテーブル１２に格納される乗算係数ｋ及び発光強度制御データＶｉの総和Ｓｖの関係を表す図である。総和Ｓｕが所定の値より小さい場合には、乗算係数ｋは１であり、所定の値より大きくなると、乗算係数ｋは徐々に小さくなる。乗算係数ｋは、発光強度制御データＶｉの総和Ｓｖが所定値を超えないように決定される。発光強度制御データ演算手段８は、以上のように構成することもできる。

図６に示す例では、乗算係数ｋが、Ｓｕ＞Ｓｍａｘの範囲において、図４の双曲線で表される乗算係数ｋを折れ線で近似するものとなっているが、代わりに曲線で表される係数ｋを与えるようにしても良い。
なお、図３に示される乗算係数算出手段１０としても、Ｓｕ＞Ｓｍａｘの範囲において、図４に示す双曲線に沿う乗算係数を求めるものの代わりに、双曲線を直線近似する係数を求めるものを用いても良い。

以上の実施の形態１及び２の画像表示装置は以上のように動作する。本実施の形態の画像表示装置によれば、入力される画像データの内容によって複数の光源の発光強度を個別に制御することにより、表示する最大の明るさやコントラストを向上させることが可能となる。また、全白画像（画面全体が白の画像）のように画面全体が非常に明るい画像に対しては、発光強度制御データＶｉの総和（すなわち光源の発光量の総和）Ｓｖが上限値Ｓｍａｘを超えないように制御される（例えば、総和Ｓｖが上限値Ｓｍａｘを超えないように係数ｋが定められる）ので、消費電力の増大や、視聴者にとってまぶしすぎる表示となることを抑制可能となる。

実施の形態１及び２の画像表示装置においては、画面全体が明るい画像と比較して、画面の一部のみが明るい画像の方が、画面内の最も明るい部分（ピーク部分）の明度が高くなる傾向を示す。一方、自然界において、明度が高い領域が大面積で広がっている場合には、当該領域には拡散された光が照射しているか、当該領域では光を拡散反射している可能性が高く、一方、明度が高い領域が小面積である場合には、当該領域では指向性のある光が全反射している可能性が高い。全反射光は拡散反射光よりも明るい傾向があることから、本実施の形態の画像表示装置の示す傾向は、自然界の傾向に近いものであると言うこともできる。

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ブロック図である。 光源５−１乃至５−Ｎの各々による、受光型光変調手段４に対する照明光の配向分布特性Ｌｓｉ（ｘ）を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る発光強度制御データ演算手段の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る発光強度データの総和と乗算係数及び発光強度制御データの総和の関係の例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る発光強度制御データ演算手段の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る発光強度データの総和と乗算係数及び発光強度制御データの総和の関係の例を示す図である。

符号の説明

１ 表示用画像データ生成手段、 ２ 画像表示手段、 ３ 発光強度制御データ生成手段、 ４ 受光型光変調手段、 ５ 照明手段、 ５−１〜５−Ｎ 光源、 ６ 光源制御手段、 ７ 発光強度算出手段、 ８ 発光強度制御データ演算手段、 ９ 総和算出手段、 １０ 乗算係数算出手段、 １１ 乗算手段、 １２ ルックアップテーブル。

Claims (10)

1. 複数の光源と、
   複数の画素を有し、画素毎に上記複数の光源からの照明光を変調する受光型光変調手段と、
   外部から入力される入力画像データを用いて上記複数の光源の各々の発光強度を制御するための発光強度制御データを生成する発光強度制御データ生成手段と、
   上記発光強度制御データにしたがって、上記複数の光源の各々の発光強度を制御する光源制御手段とを備え、
   上記発光強度制御データ生成手段は、上記複数の光源の発光強度の総和が所定値を超えないように上記発光強度制御データを定めることを特徴とする画像表示装置。
2. 上記発光強度制御データ生成手段は、上記複数の光源の各々の照明領域内の画素のための上記入力画像データに応じた当該光源の発光強度を算出する発光強度算出手段と、
   上記発光強度の総和を算出する総和算出手段と、
   上記発光強度の総和を用いて乗算係数を生成する乗算係数生成手段と、
   上記発光強度に上記乗算係数を乗じて発光強度制御データを求める乗算手段とを備え、
   上記乗算係数生成手段は、上記発光強度データの総和が所定の上限値を超えないように、上記乗算係数を定める
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 上記乗算係数生成手段は、上記発光強度の総和が所定の上限値以下の範囲では、上記乗算係数を１とし、上記発光強度の総和が上記上限値よりも大きい範囲では、上記乗算係数を上記上限値を上記発光強度の総和で割った値とする請求項２に記載の画像表示装置。
4. 上記発光強度算出手段は、当該光源の照明領域における各フレームの入力画像データの最大値又は平均値が大きいほど、当該光源に対する発光強度を大きな値にする
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
5. 各画素のための上記入力画像データを、上記光源が標準状態にあるときの当該画素における照度で割った値を変数とする関数により表示用画像データを生成する表示用画像データ生成手段をさらに備え、
   上記受光型光変調手段は、上記表示用画像データに基づいて上記照明光の変調を行なうことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置。
6. 複数の光源と、
   複数の画素を有し、画素毎に上記複数の光源からの照明光を変調する受光型光変調手段とを有する画像表示装置における画像表示方法であって、
   外部から入力される入力画像データを用いて上記複数の光源の各々の発光強度を制御するための発光強度制御データを生成する発光強度制御データ生成ステップと、
   上記発光強度制御データにしたがって、上記複数の光源の各々の発光強度を制御する光源制御ステップとを有し、
   上記発光強度制御データ生成ステップは、上記複数の光源の発光強度の総和が所定値を超えないように上記発光強度制御データを定めることを特徴とする画像表示方法。
7. 上記発光強度制御データ生成ステップは、上記複数の光源の各々の照明領域内の画素のための上記入力画像データに応じた当該光源の発光強度を算出する発光強度算出ステップと、
   上記発光強度の総和を算出する総和算出ステップと、
   上記発光強度の総和を用いて乗算係数を生成する乗算係数生成ステップと、
   上記発光強度に上記乗算係数を乗じて発光強度制御データを求める乗算ステップとを備え、
   上記乗算係数生成ステップは、上記発光強度データの総和が所定の上限値を超えないように、上記乗算係数を定める
   ことを特徴とする請求項６に記載の画像表示方法。
8. 上記乗算係数生成ステップは、上記発光強度の総和が所定の上限値以下の範囲では、上記乗算係数を１とし、上記発光強度の総和が上記上限値よりも大きい範囲では、上記乗算係数を上記上限値を上記発光強度の総和で割った値とする請求項７に記載の画像表示方法。
9. 上記発光強度算出ステップは、当該光源の照明領域における各フレームの入力画像データの最大値又は平均値が大きいほど、当該光源に対する発光強度を大きな値にする
   ことを特徴とする請求項７に記載の画像表示方法。
10. 各画素のための上記入力画像データを、上記光源が標準状態にあるときの当該画素における照度で割った値を変数とする関数により表示用画像データを生成する表示用画像データ生成ステップをさらに備え、
    上記受光型光変調手段は、上記表示用画像データに基づいて上記照明光の変調を行なうことを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の画像表示方法。

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