JP2011028107A - ホールド型画像表示装置及びその制御方法 - Google Patents

ホールド型画像表示装置及びその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ホールド型の画像表示装置において、生き生き感や立体感のある高品位な画像表示を可能にするための技術を提供する。
【解決手段】画像処理回路は、入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像とオリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成し、入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で出力映像信号を表示パネルに出力する。画像処理回路は、出力映像信号のフレーム周波数に応じて、出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御する輝度制御部を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ホールド型（常時発光型）の画像表示装置及びその制御方法に関する。
画像表示装置は、動画表示の観点から、インパルス型画像表示装置とホールド型画像表示装置に分類することができる。インパルス型画像表示装置は、１フレーム期間のうちの走査期間だけ画素が駆動され、走査直後から画素の輝度が低下するものである。インパルス型画像表示装置としては、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＦＥＤ（Field Emission Display）等が知られている。ホールド型画像表示装置は、１フレーム期間のあいだ同じ画像を表示し続けるものである。ホールド型画像表示装置としては、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）を用いた液晶表示装置や有機ＥＬディスプレイ等が知られている。
ホールド型画像表示装置において通常言われている問題点は、動画ボケが発生することである。これは、発光時間が２枚のフレーム画像間で連続しているために発生する。この動画ボケを軽減する手法として、２枚のフレーム間に黒画像を挿入する技術が知られている。また、画像処理により２倍のフレーム数の画像を作成し表示する、いわゆる倍速駆動も知られている。例えば６０Ｈｚの入力映像を１２０Ｈｚで表示することにより、動画ボケが約半分に軽減される。また、特許文献１には、入力映像信号を２倍速表示する際に、連続する２フレームの内の一方の画像の高周波成分を減少させることで、動画ボケを改善する方法が開示されている。特許文献２には、入力映像信号を２倍速表示する際に、連続する２フレームの内の一方の輝度を低下させるようにバックライトを制御することにより、動画ボケを改善する方法が開示されている。特許文献３には、オリジナル画像の間に低輝度の補間画像を挿入することで、動画ボケを改善する方法が開示されている。
特開２００２−３５１３８２号公報 特開２００８−０８３４５７号公報 特開２００８−７０８３８号公報
ところで、ホールド型画像表示装置のもう１つの問題点として、インパルス型画像表示装置の表示映像と比べ、映像がおとなしいという視覚的印象を視聴者に与えてしまう点を、本発明者らは認識している。別の言い方をすると、ホールド型画像表示装置の表示映像は、まるで印刷物の上で画が動いているように見え、「生き生き感」、「輝き感」、「立体感」、「存在感」、「質感」等に乏しい。
本発明者らは、動画ボケと同様、擬似的にインパルス駆動の表示を行うことにより視覚的印象を改善できるのではないかとの仮説をたて、評価を行った。まず、フレーム間に黒画像を挿入したところ、表示映像に生き生き感や立体感が生まれることを確認できた。しかしながら、この方法は、黒画像（非発光状態）の時間を確保するために、表示可能な輝度が低下するという問題がある。また、明るい画像と黒画像とを交互に表示するため、フレーム周波数によっては、フリッカー（ちらつき）が発生しやすいという問題もある。次に、本発明者らは、特許文献２、３の動画ボケ対策で行われているように、黒画像の代わりに低輝度画像を挿入する方法を評価した。その結果、低輝度画像の挿入によっても生き生き感や立体感を得ることができることを確認できた。しかし、映像の特性（フレーム周
波数、輝度など）に依存して、視覚的印象の改善効果に差があることもわかった。例えば、オリジナル画像と挿入画像の表示輝度の差を小さくしていくと、ある閾値を境にして改善効果が殆ど見られなくなる。しかも、その閾値は、フレーム周波数に依存して変化する。また、オリジナル画像と挿入画像の表示輝度の差が大きすぎると、黒画像挿入と同様の問題（輝度低下、フリッカー）が生じることもある。
本発明は、ホールド型の画像表示装置において、生き生き感や立体感のある高品位な画像表示を可能にするための技術を提供することを目的とする。より詳しくは、本発明は、ホールド型の画像表示装置において、表示輝度の低下やフリッカーを生じることなく、出力映像のフレーム周波数によらないで、生き生き感や立体感のある高品位な画像を表示することを可能にするための技術を提供することを目的とする。
本発明は、ホールド型の画像表示装置であって、複数の表示素子を有する表示パネルと、入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成し、前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力する画像処理回路と、を備え、前記画像処理回路は、前記出力映像信号のフレーム周波数に応じて、前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御する輝度制御部を有しており、前記出力映像信号のフレーム周波数をＩｏ、メインフレーム画像の表示輝度とサブフレーム画像の表示輝度の合計を１とした場合のサブフレーム画像の表示輝度をＢ（０＜Ｂ＜０．５）としたときに、前記輝度制御部は、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、
Ｂ＝（２／３）×（１−（Ｉｏ／２Ｉｎ）２）
で求まる周波数Ｉｎが６５Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下になるようにメインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比を決定する。
本発明は、ホールド型の画像表示装置であって、複数の表示素子を有する表示パネルと、入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成し、前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力する画像処理回路と、を備え、前記画像処理回路は、前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御する輝度制御部を有しており、前記輝度制御部は、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、メインフレーム画像の表示輝度よりもサブフレーム画像の表示輝度を小さくし、メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比が、前記入力映像信号によらず一定である。
本発明は、複数の表示素子を有する表示パネルを備えるホールド型画像表示装置の制御方法であって、入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成するステップと、前記出力映像信号のフレーム周波数に応じて、前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御するステップと、前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力するステップと、を有し、前記出力映像信号のフレーム周波数をＩｏ、メインフレーム画像の表示輝度とサブフレーム画像の表示輝度の合計を１とした場合のサブフレーム画像の表示輝度をＢ（０＜Ｂ＜０．５）としたときに、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、
Ｂ＝（２／３）×（１−（Ｉｏ／２Ｉｎ）２）
で求まる周波数Ｉｎが６５Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下になるようにメインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比を決定する。
本発明は、複数の表示素子を有する表示パネルを備えるホールド型画像表示装置の制御方法であって、入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成するステップと、前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御するステップと、前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力するステップと、を有し、前記表示輝度を制御するステップでは、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、メインフレーム画像の表示輝度よりもサブフレーム画像の表示輝度を小さくし、メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比が、前記入力映像信号によらず一定である。
本発明によれば、ホールド型の画像表示装置において、表示輝度の低下やフリッカーを生じることなく、生き生き感や立体感のある高品位な画像を表示することができる。
点滅光刺激が見かけの明るさ知覚に及ぼす影響を調べた実験を示す図。 ＣＦＦとＳＦＦのメカニズムを説明するための図。 第１の実施形態における周波数と輝度比の関係を示す図。 第１の実施形態における表示画像の例を示す図。 第１の実施形態におけるホールド型画像表示装置の構成図。 補間フレーム画像の形成方法の一例を示す図。 第１〜第３の実施形態の階調変換回路の機能を示す図。 第４の実施形態における輝度比変更部の機能を示す図。 第５の実施形態を示す図。 第６の実施形態を示す図。
本発明は、ホールド型（常時発光型）の画像表示装置に関する。より詳しくは、本発明は、ホールド型の画像表示装置の表示画像に、インパルス型の画像表示装置のような生き生き感、輝き感、立体感などを与えるための、画像表示装置の制御方法（若しくは画像表示方法、画像処理方法）である。ホールド型の画像表示装置としては、例えば、液晶表示装置、ＥＬ表示装置などがある。
周波数が低い光刺激を観察するとフリッカー（ちらつき）が知覚される。この周波数を徐々に上げていくとフリッカーが知覚されなくなる。フリッカーがちょうど知覚されなくなる周波数は、ＣＦＦ（Critical Fusion Frequency）と呼ばれている。また、点滅刺激
の見え方に関して、見かけ上はちらつきを感じないが、見かけの明るさ知覚に影響を及ぼす点滅周波数が存在することが知られている。図１（ａ）のような刺激条件で別の光刺激を加え、輝度弁別閾値を定常光と点滅光で測定した結果が図１（ｂ）である。低い点滅周波数では点滅光の方が定常光より明るく見えるため、閾値の光量は少なくなる。しかし、ＣＦＦ近傍では点滅光の方が不安定に見えて閾値は上昇する。更に点滅周波数を高くすると、定常光での閾値とほぼ等しくなる。このように、定常光での表示状態と同じように見える点滅周波数はＳＦＦ（Stable Fusion Frequency）と呼ばれている。ここで、ＳＦＦ
の方がＣＦＦよりも高いことが知られている。
このようにＣＦＦとＳＦＦとが異なることは、この２つが異なる生体反応に起因するものであることを示している。この点について、視覚系を簡単に説明した図２（ａ）を用いて説明する。
まず、網膜から第１次視覚中枢に信号を伝達する視神経においては、粗密波にて信号を伝達している。そして、第１次視覚中枢においては、あるインターバル期間中に到達した信号を積分して、画像処理を行なうことがわかっている。粗密波のパルス間隔および視覚中枢での画像処理インターバルは、両方とも周波数に関係した定数であり、その定数により信号を伝達する周波数の上限が決まる。粗密波の周波数の方が視覚中枢での画像処理インターバルの周波数よりも高い。これより、視神経内の粗密波のパルス間隔がＳＦＦを決めるものであり、視覚中枢での画像処理インターバルがＣＦＦを決めるものであると考えられている。
次に、視神経内の粗密波とＳＦＦとの関係について説明する。図２（ｂ）は、視神経内の粗密波を模式的に示す図である。５０Ｈｚの光信号の伝達パルスと比べて、７０Ｈｚの光信号の伝達パルスの方が粗密波が均等になっていることが分かる。このように、光信号の周波数が高くなると粗密波が次第に均等になり、ＳＦＦに相当する周波数において粗密波がほとんど均等になると考えられる。
次に、第１次視覚中枢における粗密波のパルス数と画像処理インターバルの相互作用について、図２（ｃ）を用いて説明する。
上述したように、粗密波のパルス数は、光信号の周波数によって変わる。本図においては、画像処理インターバルが約２０Ｈｚの場合を示した。
図に示した例の場合、画像処理インターバルあたりの伝達パルス数は、５０Ｈｚの光信号の場合、３５本、３３本、３２本のように異なっている。これに対し、７０Ｈｚの光信号の場合、３９本、３９本、３９本となり、画像処理インターバルあたりの伝達パルス数が等しくなっている。このように５０Ｈｚの場合は、画像処理インターバルあたりの伝達パルス数にうなりのような数値のぶれが生じるが、７０Ｈｚの場合はこのような数値のぶれは生じない。
画像処理インターバルには個人差があり、光信号の周波数を６０Ｈｚにすると、インターバルの短い人はうなりを感じるが、インターバルの長い人はうなりを感じない。また、画像処理インターバルは輝度によっても異なる。輝度が高い場合はインターバルが短くなり、輝度が低い場合はインターバルが長くなることが知られている。そこで、光信号の周波数を６０Ｈｚにし、輝度が高くなりインターバルが短くなるとうなりを感じ、輝度が低くなりインターバルが長くなるとうなりを感じなくなる。このことは、フリッカーを感じる周波数であるＣＦＦが輝度によって異なるという実験結果とも一致する。
以上より、ＣＦＦとＳＦＦとの間の周波数においては、周波数がＣＦＦ以上であるためうなりを感じることはない。しかし、周波数がＳＦＦ以下であるため、光刺激は視神経を通過して第１次視覚中枢に到達し、その光刺激の変動は、第１次視覚中枢内の画像処理に影響を与え得る。そして、この第１次視覚中枢内の画像処理への影響が、生き生き感や立体感、輝き感などに影響していると考えられる。
ここで、フリッカーが知覚されにくく、かつ、画像の輝き感などの低減を抑制するために、例えば、６０Ｈｚの画像をＣＦＦとＳＦＦとの間のフレーム周波数（例えば、７２Ｈｚ）に変換する構成を採用することも考えられる。しかし、これを実現しようとすると、フレーム補間画像の生成の負荷が増大したり、連続するフレームにおけるフレーム補間画像の比率が増大し画質が悪化するという問題が生じる。
本発明は、上述したような生体における影響が輝き感の原因であることに着目し、画像のフレーム周波数をＣＦＦとＳＦＦとの間の周波数に直接変換する以外の手段により、ＣＦＦとＳＦＦとの間のフレーム周波数と同様の画像表示を行うものである。より詳細には、フレーム周波数を少しずらしてＣＦＦとＳＦＦとの間の周波数にするのではなく、フレ
ーム周波数をＮ倍や１．５倍などの作りやすい周波数に変換した後に、メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比（明暗比）を調整する。これにより、Ｎ倍や１．５倍などの周波数からＣＦＦとＳＦＦとの間の周波数に周波数を下げることと同じ影響を視覚効果として与えるものである。
具体的には、本発明の画像表示装置は、ホールド駆動の表示パネルと、入力映像信号に所定の画像処理を施すことで生成した出力映像信号を表示パネルに出力する画像処理回路と、を備える。表示パネルは、マトリクス状に配置された複数の表示素子（例えば、液晶表示素子、有機ＥＬ素子など）を備えている。画像処理回路は、少なくともフレーム周波数変換部と輝度制御部（階調変換部）の２つの機能を有する。フレーム周波数変換部は、入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数の出力映像信号を生成する。以下、入力映像信号と出力映像信号のフレーム周波数をそれぞれ「入力フレーム周波数」、「出力フレーム周波数」ともよぶ。ここでは、フレーム周波数変換部は、入力映像信号に含まれるオリジナル画像を補間して補間画像を生成し、その補間画像をオリジナル画像の間に挿入することで、フレーム周波数の変換を行う。以下、オリジナル画像に対応するフレームを「メインフレーム画像」、補間画像に対応するフレームを「サブフレーム画像」とよぶ。２つのメインフレーム画像の間には、１以上のサブフレーム画像が挿入される。例えば、メインフレーム画像とサブフレーム画像とを交互に組み合わせた場合には、出力フレーム周波数は入力フレーム周波数の２倍になる。このように、補間画像を挿入してフレーム周波数を高めることにより、ホールド駆動の問題である残像を低減し、動画ボケを改善することができる。
輝度制御部は、出力映像信号のメインフレーム画像及びサブフレーム画像それぞれの表示輝度（階調）を制御（変更）する機能である。本発明の輝度制御部は、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、メインフレーム画像の表示輝度よりもサブフレーム画像の表示輝度を小さくする。これにより、明るい画像と暗い画像が交互に表示され、インパルス型駆動のような視覚的効果が得られるため、動画ボケのより一層の改善を期待できる。
ここで、輝度制御部は、メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の合計が、対応するオリジナル画像の表示輝度とほぼ等しくなるように、メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度を決定することが好ましい。言い換えれば、オリジナル画像を入力フレーム周波数で表示する場合の１画像分の輝度を、１枚のメインフレーム画像とｍ枚のサブフレーム画像（ｍは１以上の整数）からなるｍ＋１枚の画像の輝度の合計で実現するとよい。このように、１画像分の要求輝度を輝度の異なる複数画像に分割（分配）する駆動方法を「輝度分配」とよび、メインフレーム画像の表示輝度に対するサブフレーム画像の表示輝度の比を「輝度比」とよぶ。
この輝度比を変更すると、出力フレーム周波数を変更したのと同様の視覚的効果が得られる。出力フレーム周波数をＩｏ、輝度分配による見かけのフレーム周波数をＩｎとした場合、Ｉｏ／（ｍ＋１）＜Ｉｎ＜Ｉｏが成り立ち、輝度比を変更することでＩｎの値を調整できる。よって、出力フレーム周波数Ｉｏに応じて、ＣＦＦ≦Ｉｎ≦ＳＦＦを満足するように輝度比を決定することで、表示輝度の低下やフリッカーを生じることなく、生き生き感や立体感のある高品位な画像を表示することが可能となる。なお、Ｉｎの値はＣＦＦ以上ＳＦＦ以下の範囲の内から任意に決定してよい。しかし、ＣＦＦ及びＳＦＦの個人差を考慮すると、Ｉｎの値は６５Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下、好ましくは６７Ｈｚ以上７８Ｈｚ以下、より好ましくは７０Ｈｚ以上７５Ｈｚ以下から選ばれるとよい。また、輝度比は、入力映像信号によらず一定であることが好ましい。例えば入力映像信号の輝度に応じて輝度比が変化すると、明るいシーンと暗いシーンで見かけのフレーム周波数が変わるため、視覚的な印象に影響を与える可能性があるからである。
６０Ｈｚの入力映像信号を１２０Ｈｚの出力映像信号に変換し、輝度比が１／４（メイン：サブ＝４：１）となるように各フレーム画像の輝度を調整し、ホールド型画像表示装置に表示したところ、生き生き感や立体感のある映像が得られた。視覚的な印象は、インパルス型画像表示装置のフレーム周波数７２Ｈｚの表示映像と同等であった。
以下、本発明の画像表示装置の具体的な構成について説明する。
＜第１の実施形態＞
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の第１の実施形態における周波数と輝度比の関係を示す模式図である。横軸は時間を示し、縦軸は輝度を示す。
図３（ａ）は、６０Ｈｚのフレーム周波数の画像をそのままホールド駆動したものである。図３（ｂ）は、補間フレーム画像を作成し、元画像の倍のフレーム周波数（１２０Ｈｚ）でホールド駆動したものである。図３（ｃ）は、更に階調変換を施してオリジナルフレーム画像と補間フレーム画像の輝度を異ならせて、ホールド駆動したものである。
本実施形態では、フレーム周波数を２倍とする例を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。整数倍や１より大きい半整数倍のフレーム周波数は特に周波数の変換を行いやすい。
本実施形態では、元画像のフレーム周波数がＣＦＦ以下であり、周波数変換した後のフレーム周波数がＳＦＦ以上となるように周波数変換を行う。上述した通り、ＣＦＦとＳＦＦは人や輝度によって異なるが、本実施形態では、ＣＦＦ＝６５Ｈｚ、ＳＦＦ＝８０Ｈｚと仮定する。
次に、所定の輝度比になるように各フレーム画像の階調変換処理を行い、図３（ｃ）に示すように、オリジナルフレーム画像と補間フレーム画像の表示輝度が周期的に変わるようにした。
図４は、本実施形態により表示される表示画像を示す模式図である。
元画像８１から、元画像の半分の輝度のオリジナルフレーム画像８２と補間フレーム画像８３を生成する。そして、オリジナルフレーム画像８２と補間フレーム画像８３のそれぞれについて、階調変換によって輝度を変更し、相対的に明るいメインフレーム画像（Ｍ１）８４と暗いサブフレーム画像（Ｓ１）８５を生成する。
メインフレーム画像の階調数とサブフレーム画像の階調数を足し合わせて、元画像と同一の階調数にする場合、メインフレーム画像の階調数は元画像の階調数の半分以上となり、サブフレーム画像の階調数は元画像の階調数の半分以下となる。
なお、階調変換を行った後の画像の輝度は、必ずしも元画像の輝度と同一にする必要はない。すなわち、変換階調変換を行った後の画像を元画像より明るくしたり暗くしたりしてもよい。また、ガンマ特性を変えたりしても良い。
次に、本実施形態の駆動を行うための回路構成について、図５を用いて説明する。
図中、９１はフレーム周波数変換回路、９２は逆ガンマ変換回路である。画像の階調を逆ガンマ変換することで、ガンマ系画像からリニア系画像に変換し、階調の演算処理を行いやすくなる。９３、９４は異なる階調変換特性をもつ階調変換回路である。特に、９３はメインフレーム用階調変換回路（「第１の階調変換回路」ともよぶ）、９４はサブフレーム用階調変換回路（「第２の階調変換回路」ともよぶ）である。９５はメインフレーム用階調変換回路９３の出力画像とサブフレーム用階調変換回路９４の出力画像とを切り替えるセレクタ（「選択回路」ともよぶ）である。本実施形態では、セレクタ９５は、メインフレーム用階調変換回路９３の出力とサブフレーム用階調変換回路９４の出力とを交互に選択する。９６は階調変換回路９３、９４に対しゲインまたはゲインテーブルを設定するコントローラである。９７はガンマ変換回路である。ガンマ変換回路９７からの出力が
ホールド型表示パネル９８に入力される。符号９１〜９７で示される回路により本発明の「画像処理回路」が構成される。この画像処理回路（９１〜９７）と表示パネル９８によりホールド型画像表示装置９０が構成されている。本実施形態では、階調変換回路９３、９４とコントローラ９６により本発明の「輝度制御部」が構成される。
ここで、フレーム周波数変換回路９１について、より詳しく説明する。
フレーム周波数変換回路９１には、チューナーなどの映像入力装置から元画像（入力映像信号）が入力される。本実施形態では、この元画像のフレーム周波数を６０Ｈｚとする。フレーム周波数変換回路９１は、元画像よりも高い周波数の画像に変換する。本実施形態では、１２０Ｈｚに変換する。これによって、変換後のフレーム周波数がＳＦＦ以上（７５Ｈｚ以上）の周波数となる。同じ画像を２度表示する、単純な倍速表示では、動画ブレと呼ばれる２重線状の妨害が発生することがある。そのため、図６に示すように、元画像のフレーム画像１０１とその次のフレーム画像１０２から、補間フレーム画像１０３を形成する構成を採用するとよい。補間フレーム画像１０３の作成方法としては、動きベクトル検知などの公知の技術を採用することができる。ここではフレーム周波数が６０Ｈｚの元画像（入力映像信号）の例を示したが、６０Ｈｚ以外のフレーム周波数（例えば５０Ｈｚ）の画像が入力された場合も同じように処理を行えばよい。
図７（ａ）は、本実施形態の階調変換回路９３、９４の階調変換特性を示す図である。横軸は階調変換処理前の階調を示し、縦軸は階調変換処理後の階調を示す。階調１．０は最大階調を、階調０は最小階調を示す。階調変換処理前の階調に対する階調変換処理後の階調の比率を、階調変換比率とよぶ。
図中、１１１はメインフレーム画像（Ｍ１）への階調変換比率を決める直線グラフである。１１２はサブフレーム画像（Ｓ１）への階調変換比率を決める直線グラフである。１１３はメインフレーム画像（Ｍ１）とサブフレーム画像（Ｓ１）の合計を示すグラフである。図から明らかなように、本実施形態では、メインフレーム画像の階調変換比率に対するサブフレーム画像の階調変換比率が、階調によらずに一定となっている。本実施形態では、メインフレーム画像（Ｍ１）の階調変換比率を３分の２、サブフレーム画像（Ｓ１）の階調変換比率を３分の１とした。
メインフレーム画像（Ｍ１）とサブフレーム画像（Ｓ１）の合計を示すグラフ１１３が、傾き１の直線になるように階調変換１１１と１１２を決めると、元画像の輝度と階調変換後の輝度（メインフレーム画像とサブフレーム画像の輝度の合計）を等しくすることができる。元画像の輝度と階調変換後の輝度を等しくする必要がない場合は、メインフレーム画像（Ｍ１）とサブフレーム画像（Ｓ１）の合計を示すグラフ１１３が傾き１の直線となる必要はない。
メインフレーム画像（Ｍ１）に対するサブフレーム画像（Ｓ１）の輝度比は、以下のような条件を満たす必要がある。
１つ目の条件として、メインフレーム画像とサブフレーム画像を交互に表示した時に、フリッカーが激しく知覚されるほど、メインフレーム画像に対するサブフレーム画像の輝度比を大きくしない。
２つ目の条件として、メインフレーム画像とサブフレーム画像を交互に表示した時に、生き生き感や立体感などがなくなるほど、輝度比を小さくしない。
本発明者らの検討によれば、輝度比（＝サブフレーム画像の輝度／メインフレーム画像の輝度）が約１／４より小さくなると、フリッカー妨害が顕著になり、輝度比が約２／３より大きくなると、表示映像の生き生き感や立体感などが無くなってしまう。したがって、上記２つの条件を満足するには、輝度比が１／４以上２／３以下となるように、各フレ
ーム画像の輝度調整（階調変換）を行う必要がある。ただし、人間の視覚特性や感性には個人差があるため、上記の数値範囲はおおよその値である。例えば、上記数値範囲を少し外れる値（例えば、輝度比＝０．２４）としても、本発明の目的は達成することができる。
ここで、本実施形態のホールド型画像表示装置における、輝度比と、輝度分配による見かけのフレーム周波数との関係を、視覚系におけるＣＦＦとＳＦＦの要因から理論的に導き出す。
まず、フリッカー強度とフレーム周波数の関係は、以下のように考えられる。
（１）網膜における、インパルス刺激に対する反応量の立ち下がり時定数をｚ（０．１〜０．４秒程度）とすると、周波数Ｉのインパルス刺激の間に減少する反応量は１／Ｉ／ｚである。（Ｉ分の１の時間に、ｚ分の１だけ減少する）
（２）視神経における、パルス伝送の周波数帯域は、ＳＦＦに制限されているので、８０Ｈｚ程度であるとする。
（３）第１次視覚中枢における、画像処理のインターバルであるところの繰り返し周期をｋ（０．０５〜０．３秒程度）とすると、フレーム周波数Ｉの画像１画面分の輝度のずれ分は、１／Ｉ／ｋである。（ｋの時間内に、到達する画像枚数分の１枚） なお、フリッカーは、この画像処理の周波数１／ｋで見えている。
フリッカー強度ＦＲＩは、画像処理１回内の、画像の到達枚数の違いによるインパルス刺激の反応量のずれに比例するので、（１）〜（３）より、Ｉ＜８０Ｈｚの範囲において、
ＦＲＩ∝１／ｋｚ×１／Ｉ２
になる。すなわち、フリッカー強度ＦＲＩはフレーム周波数Ｉの２乗に反比例する。
次に、メインフレーム画像とサブフレーム画像からなる２枚の画像の表示輝度とフリッカー強度の関係を考える。
メインフレーム画像の表示輝度とサブフレーム画像の表示輝度の合計を１とした場合のサブフレーム画像の表示輝度をＢ（０＜Ｂ＜０．５）とおく。メインフレーム画像の輝度は１−Ｂである。
この時、メインフレーム画像とサブフレーム画像の輝度差は、
１−Ｂ−Ｂ＝１−２Ｂ
である。フリッカー強度は輝度差に比例するので、１−２Ｂに比例する。
ここで、入力フレーム周波数をＩｍ［Ｈｚ］、出力フレーム周波数をＩｏ［Ｈｚ］、メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示による見かけのフレーム周波数をＩｎ［Ｈｚ］とする。本実施形態では、Ｉｏ＝２×Ｉｍである。
この時、以下の４つの関係がある。
（１）Ｂを変化させた時のフリッカー強度は、メインフレーム画像とサブフレーム画像の輝度差（１−２Ｂ）に比例する。
（２）前述の考察より、フリッカー強度は、周波数Ｉの２乗に反比例する。
（３）Ｂ＝０の時のフリッカー強度は、Ｉｎ＝Ｉｏ／２とした時と等しい。
（４）Ｂ＝０．５の時のフリッカー強度は、Ｉｎ＝Ｉｏとした時と等しい。
この４つの関係から、サブフレーム画像の輝度Ｂと見かけのフレーム周波数Ｉｎの関係式が以下のように求められる。
Ｂ＝（２／３）×（１−（Ｉｏ／２Ｉｎ）２）
よって、入力フレーム周波数が６０Ｈｚ、出力フレーム周波数が１２０Ｈｚの場合の、サブフレーム画像の輝度Ｂと見かけの周波数Ｉｎの対応は、おおよそ以下のようになる。
Ｂ＝０．１０のとき、Ｉｎ＝６５Ｈｚ
Ｂ＝０．１８のとき、Ｉｎ＝７０Ｈｚ
Ｂ＝０．２４のとき、Ｉｎ＝７５Ｈｚ
Ｂ＝０．２９のとき、Ｉｎ＝８０Ｈｚ
また、入力フレーム周波数が５０Ｈｚ、出力フレーム周波数が１００Ｈｚの場合の、輝度Ｂと見かけの周波数Ｉｎの対応は、おおよそ以下のようになる。
Ｂ＝０．２７のとき、Ｉｎ＝６５Ｈｚ
Ｂ＝０．３３のとき、Ｉｎ＝７０Ｈｚ
Ｂ＝０．３７のとき、Ｉｎ＝７５Ｈｚ
Ｂ＝０．４１のとき、Ｉｎ＝８０Ｈｚ
よって、ＣＦＦ＝６５Ｈｚ、ＳＦＦ＝８０Ｈｚと仮定した場合、出力フレーム周波数が１２０Ｈｚであれば、Ｂが０．１０以上０．２９以下になるように、メインフレーム画像とサブフレーム画像の輝度比を決定すればよい。同様に、出力フレーム周波数が１００Ｈｚであれば、Ｂが０．２７以上０．４１以下になるように、輝度比を決定すればよい。
このような輝度比となるように階調変換を行った画像をホールド型画像表示装置に表示してみたところ、ＳＦＦを超えるフレーム周波数でホールド駆動表示しているにもかかわらず、フリッカー妨害がなく、かつ、インパルス駆動表示のように生き生き感、立体感、輝き感などのある表示映像を得ることができた。また、本実施形態では、オリジナル画像から生成されるメインフレーム画像の輝度を相対的に高くし、補間画像から生成されるサブフレーム画像の輝度を相対的に低くしている。つまり、画質の良い画像を明るくし、画質の劣るほうの画像を暗くしたので、映像品質は全体として良好となる。
＜第２の実施形態＞
本実施形態は、階調変換回路９３、９４の特性が第１の実施形態と異なる。それ以外の点については、第１の実施形態と同様である。
図７（ｂ）は、本実施形態の階調変換回路９３、９４が行う階調変換を示す図である。
図中、１２１はメインフレーム画像（Ｍ１）への階調変換比率を示す曲線グラフ、１２２はサブフレーム画像（Ｓ１）への階調変換比率を示す曲線グラフ、１２３はメインフレーム画像とサブフレーム画像の合計を示す直線グラフである。
メインフレーム画像（Ｍ１）とサブフレーム画像（Ｓ１）の合計を示すグラフ１２３が、傾き１の直線になるように階調変換１２１と１２２を決めると、元画像の輝度と階調変換後の輝度を等しくすることができる。元画像の輝度と階調変換後の輝度を等しくする必要がない場合は、メインフレーム画像（Ｍ１）とサブフレーム画像（Ｓ１）の合計を示すグラフ１２３が傾き１の直線となる必要はない。
本実施形態では、低階調領域におけるメインフレーム画像（Ｍ１）に対するサブフレーム画像（Ｓ１）の輝度比を、高階調領域における輝度比よりも小さくする。例えば、低階調領域は０．０〜０．５の範囲、高階調領域は０．５〜１．０の範囲と定義できる。低階調領域と高階調領域の境界は任意に選んでよい。また、低階調領域と高階調領域の間に中階調領域を設けてもよい。
本実施形態のように輝度比を決定することにより、フリッカーが知覚されにくい低階調領域では、メインフレーム画像のみの表示に近くなり、画質がよくなる。また、フリッカ
ーが知覚されやすい高階調領域では、フリッカーの発生を抑制できる。
＜第３の実施形態＞
本実施形態は、逆ガンマ変換回路及びガンマ変換回路を設けない点が上述した実施形態と異なる。また、階調変換回路９３、９４の特性が上述した実施形態と異なる。それ以外の点については、上述した実施形態と同様である。
図７（ｃ）は、本実施形態の階調変換回路９３、９４が行う階調変換を示す図である。
図中、１３１はメインフレーム画像（Ｍ１）への階調変換比率を示すグラフ、１３２はサブフレーム画像（Ｓ１）への階調変換比率を示すグラフ、１３３はメインフレーム画像とサブフレーム画像の合計を示すグラフである。横軸は階調変換処理前の階調を示し、縦軸は階調変換処理後の階調を示す。縦軸、横軸ともにガンマ系の階調のスケールとなっている。
このように、階調変換をガンマ系で行なうと、逆ガンマ変換回路９２およびガンマ変換回路９７を省略することが出来る。
＜第４の実施形態＞
本実施形態は、メインフレーム画像とサブフレーム画像の輝度比を視聴者が調整できるようにしたものである。本実施形態の画像処理回路は、視聴者により入力される指示値に応じて、輝度比を変更する輝度比変更部を備えている。
図８は、視聴者が設定する画面と、輝度比の対応を示した模式図である。図中１５１はリモコンなどの調整手段により調整される調整用バーグラフであり、１５２は現在の設定値を示すカーソルである。カーソル位置に応じた値によって輝度比が決まる。例えば、設定値が０であれば１５３のように輝度比はＭ：Ｓ＝１：１とする。設定値が５０であれば１５４のように輝度比はＭ：Ｓ＝２：１とする。設定値が１００であれば１５５のように輝度比はＭ：Ｓ＝１：０とする。Ｍはメインフレーム画像の輝度、Ｓはサブフレーム画像の輝度である。設定値０〜１００の間の値はリニアに設定することができる。なお、設定値が０の場合に見かけの周波数Ｉｎが６５Ｈｚとなり、設定値が１００の場合に見かけの周波数Ｉｎが８０Ｈｚとなる構成も好ましい。この構成によれば、輝度比の調整範囲が、フリッカーが発生せず、かつ、生き生き感などが得られる範囲に制限されるため、視聴者が不適切な調整を行うことを防止できる。
また、上述したような設定値を視聴者が調整する構成ではなく、例えば、「あざやかモード」や「映画モード」などのように、モードの切り替えが出来る構成とすることも好ましい。この場合、各モードにおいて表示輝度が異なり、フリッカーの知覚されやすさも異なる。そこで、各モードに対して予め最適な輝度比を決めておき、モードを選択することにより、輝度比の切り替えが可能な構成とすることもできる。
＜第５の実施形態＞
本実施形態は、メインフレーム画像とサブフレーム画像との間で各表示素子に印加する駆動電圧の値を異ならせることによって、各フレーム画像の表示輝度を制御するものである。
図９（ａ）、図９（ｂ）は、駆動電圧を出力するドライバＩＣ（駆動回路）の出力電圧を変えることで、フレーム間の輝度を制御する構成を示す模式図である。
図９（ａ）中、１６１は、マトリクス状に配置された複数の液晶表示素子を備える液晶表示パネルである。１６２は液晶表示パネル１６１に階調電圧を書き込むロードライバ（列駆動回路）、１６３は液晶表示パネル１６１のラインを走査するカラムドライバ（行駆動回路）である。１６４は両ドライバの信号を制御するためのタイミングコントローラ（
Ｔ−ＣＯＮ）、１６５は両ドライバの駆動電圧を設定する電圧制御回路である。
図９（ｂ）中、１７１は、ロードライバに与えるピークの正電圧、１７２は、カラムドライバに与える負電圧、１７３は、ロードライバに与えるピークの負電圧、１７４は、カラムドライバに与える正電圧、である。
電圧制御回路１６５によって、１７１〜１７４の４種類の電圧を作成する。Ｔ−ＣＯＮ１６４による交流駆動によって、カラム電圧とロー電圧は正負が逆転するように、駆動される。
本実施形態では、ピークのロー電圧とカラム電圧の差分の絶対値が、メインフレーム画像とサブフレーム画像とで異なるように、電圧１７１〜１７４を制御する。これにより、メインフレーム画像とサブフレーム画像の所望の輝度比を実現可能である。
＜第６の実施形態＞
本実施形態は、メインフレーム画像とサブフレーム画像との間でバックライトの輝度を異ならせることによって、各フレーム画像の表示輝度を制御するものである。
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、バックライトの明るさ制御によって輝度比を実現する構成の模式図である。
図１０（ａ）中、１８１は、冷陰極管によるバックライト、１８２はバックライト１８１に電圧を加えるインバータ、１８３は、インバータ１８２の出力電圧波形をフレーム単位に制御する電圧制御回路、である。この電圧制御回路１８３が本発明のバックライト制御回路に相当する。
図１０（ｂ）中、１９１は、明るい時のインバータ出力波形、１９２は、明るい時のフレーム制御電圧、１９３は、暗い時のインバータ出力波形、１９４は、暗い時のフレーム制御電圧、である。
本実施形態では、インバータの出力制御電圧をフレーム毎に上げ下げし、インバータの出力波形１９１および１９３を実現する。これにより、メインフレーム画像とサブフレーム画像の所望の輝度比を実現可能である。
本実施形態では、バックライトを一般的な冷陰極管としたが、熱陰極管でも同様である。またＬＥＤおよびＬＥＤドライブ回路を用いれば、コストはかかるが輝度を制御することは容易である。
９０ ホールド型画像表示装置
９３、９４ 階調変換回路
９８ ホールド型表示パネル

Claims (10)

  1. ホールド型の画像表示装置であって、
    複数の表示素子を有する表示パネルと、
    入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成し、前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力する画像処理回路と、を備え、
    前記画像処理回路は、前記出力映像信号のフレーム周波数に応じて、前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御する輝度制御部を有しており、
    前記出力映像信号のフレーム周波数をＩｏ、
    メインフレーム画像の表示輝度とサブフレーム画像の表示輝度の合計を１とした場合のサブフレーム画像の表示輝度をＢ（０＜Ｂ＜０．５）としたときに、
    前記輝度制御部は、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、
    Ｂ＝（２／３）×（１−（Ｉｏ／２Ｉｎ）２）
    で求まる周波数Ｉｎが６５Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下になるようにメインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比を決定する
    ことを特徴とするホールド型画像表示装置。
  2. メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比が、前記入力映像信号によらず一定であることを特徴とする請求項１に記載のホールド型画像表示装置。
  3. ホールド型の画像表示装置であって、
    複数の表示素子を有する表示パネルと、
    入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成し、前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力する画像処理回路と、を備え、
    前記画像処理回路は、前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御する輝度制御部を有しており、
    前記輝度制御部は、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、メインフレーム画像の表示輝度よりもサブフレーム画像の表示輝度を小さくし、
    メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比が、前記入力映像信号によらず一定であることを特徴とするホールド型画像表示装置。
  4. 前記輝度制御部は、低階調領域におけるメインフレーム画像の表示輝度に対するサブフレーム画像の表示輝度の比を、高階調領域における比よりも小さくする
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のホールド型画像表示装置。
  5. 前記画像処理回路は、視聴者により入力される指示値に応じて、メインフレーム画像の表示輝度に対するサブフレーム画像の表示輝度の比を変更する輝度比変更部を備える
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のホールド型画像表示装置。
  6. 前記輝度制御部は、前記メインフレーム画像と前記サブフレーム画像のそれぞれの階調を異なる階調変換特性を用いて変換することによって、各フレーム画像の表示輝度を制御する階調変換回路である
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のホールド型画像表示装置。
  7. 前記輝度制御部は、前記メインフレーム画像と前記サブフレーム画像との間で前記複数の表示素子に印加する駆動電圧の値を異ならせることによって、各フレーム画像の表示輝
    度を制御する電圧制御回路である
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のホールド型画像表示装置。
  8. 前記表示パネルは、バックライトを有し、
    前記輝度制御部は、前記メインフレーム画像と前記サブフレーム画像との間で前記バックライトの輝度を異ならせることによって、各フレーム画像の表示輝度を制御するバックライト制御回路である
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のホールド型画像表示装置。
  9. 複数の表示素子を有する表示パネルを備えるホールド型画像表示装置の制御方法であって、
    入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成するステップと、
    前記出力映像信号のフレーム周波数に応じて、前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御するステップと、
    前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力するステップと、を有し、
    前記出力映像信号のフレーム周波数をＩｏ、
    メインフレーム画像の表示輝度とサブフレーム画像の表示輝度の合計を１とした場合のサブフレーム画像の表示輝度をＢ（０＜Ｂ＜０．５）としたときに、
    少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、
    Ｂ＝（２／３）×（１−（Ｉｏ／２Ｉｎ）２）
    で求まる周波数Ｉｎが６５Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下になるようにメインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比を決定する
    ことを特徴とするホールド型画像表示装置の制御方法。
  10. 複数の表示素子を有する表示パネルを備えるホールド型画像表示装置の制御方法であって、
    入力映像信号から、入力映像信号に含まれるオリジナル画像に対応するメインフレーム画像と前記オリジナル画像を補間して生成されたサブフレーム画像とを含む出力映像信号を生成するステップと、
    前記出力映像信号の各フレーム画像の表示輝度を制御するステップと、
    前記入力映像信号のフレーム周波数よりも高いフレーム周波数で前記出力映像信号を前記表示パネルに出力するステップと、を有し、
    前記表示輝度を制御するステップでは、少なくとも最大階調に対応する表示輝度に関して、メインフレーム画像の表示輝度よりもサブフレーム画像の表示輝度を小さくし、
    メインフレーム画像とサブフレーム画像の表示輝度の比が、前記入力映像信号によらず一定である
    ことを特徴とするホールド型画像表示装置の制御方法。
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