JP2011128325A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アドバンスト輝度レベル設定部2では、APLなどの映像特徴量から、バックライト光源の発光輝度レベルを設定するための参照用の発光輝度レベルを設定し、その発光輝度レベルに連動させて視覚上の輝度を保つためのゲインを設定してトーンカーブを生成する。ジオメトリック補正部4では、映像のヒストグラムに基づいて生成した映像について、ジオメトリック平均値を求め、そのジオメトリック平均値に基づいて補正用のトーンカーブを生成する。また、バックライトエンハンス部9では、ジオメトリック平均値に基づいて、明るい画面にてバックライトの発光輝度を増大させ、同時に映像信号の黒レベルを補正して低階調のコントラス感を維持する。
【選択図】図2
Description
例えば、映像信号の特徴量を検出して、低いダイナミックレンジの映像(暗い映像)の場合にはバックライトの発光輝度を低下させるとともに、バックライトの発光輝度の低下を補償するために映像のゲインを上げることによって、バックライトの消費電力を低下させつつ、表示画面の明るさを一定に保つようにしている。
さらに映像特徴量から求めたジオメトリック平均値を用いてバックライトのゲインを計算し、アドバンスト輝度変調処理により得られた発光輝度レベルをさらに補正して、最終的にバックライト光源を制御するための発光輝度レベルを出力する。また、同時に上記のジオメトリック平均に基づいて計算したバックライトゲインの値を使用して、映像信号の黒レベルを補正するためのトーンカーブ(黒補正用トーンカーブ)を生成する。
そして、アドバンスト輝度変調処理により得られるトーンカーブに対して、ジオメトリック平均値に基づくゲインにより生成された補正用トーンカーブと、バックライトゲインに基づいて生成された黒補正用トーンカーブとを適用して補正することで、入力映像信号に適用するトーンカーブを得る。
表示装置から発せられる光量は、表示する映像信号のレベルを忠実に再現するのが理想である。つまり、黒画面を表示する場合、画面から発せられる光量は理想的には0でなければならない。しかし、現実の液晶表示装置では、若干の光漏れがあり、黒画面を表示する場合にも黒ではなくグレー表示となる。
そしてこれら補正用トーンカーブと、黒補正用トーカーブとにより、上記のバックライトの発光輝度レベルに連動するトーンカーブを補正して、映像信号に適用する。
以下に本発明に係る実施形態の構成及び動作をさらに具体的に説明する。
図2は、本発明に係る表示装置のシステム構成例を示すブロック図である。図2で例示する表示装置は、ヒストグラム・APL検出部1、BL(バックライト)輝度レベル設定部2、アドバンスト輝度変調部3、ジオメトリック補正部4、画質補正部5、RGB調整部6、FRC(Frame Rate Control)部7、乗算器8、及びバックライトエンハンス部9を備える。
入力映像信号としては、例えば放送波として受信した映像信号を復調した信号、通信ネットワーク経由で受信した映像信号、内部記憶装置に記憶された映像信号を読み出した信号、各種レコーダや各種プレーヤやチューナ機器といった外部機器から受信した映像信号などが該当し、あるいはそれら映像信号に対して各種映像処理を施した後の映像信号が該当する。図2の表示装置は、このような映像信号のいずれかを取得可能なように構成しておけばよい。入力映像信号は、液晶パネルの解像度等に応じて、入力された映像信号(入力映像信号)が示す映像フレームの画素数、あるいはその映像フレームのアスペクト比を演算によりスケーリングしたものとすることができる。
RGB調整部6は、画質補正部5から出力された映像信号に対し、アドバンスト輝度変調部3とジオメトリック補正部4とバックライトエンハンス部9との処理に基づいて生成された補正用トーンカーブを適用して映像信号を変換する。トーンカーブは、映像信号の画像値を変換するために入力値に対する出力値を定めたもので、LUT(ルックアップテーブル)として生成されたデータである。RGB調整部6に入力されるトーンカーブは、アドバンスト輝度変調部3で生成されたトーンカーブを、ジオメトリック補正部4で生成したトーンカーブと、バックライトエンハンス部9で生成した黒補正用トーンカーブとで補正(乗算器8で乗算)して得たものである。
RGB調整部6でトーンカーブを適用することで、アドバンスト輝度変調部3におけるバックライトの発光輝度レベルを低下させる制御に対して、ジオメトリック補正部4の補正と、バックライトエンハンス部9で生成した黒補正用トーンカーブとを加味した上で映像表現を行う。
バックライトエンハンス部9から出力された発光輝度レベルは、図示しない光源ユニットに送られて、バックライト発光輝度が制御される。光源ユニットは、LEDや蛍光管等で構成されるランプと、そのランプを駆動するランプ駆動回路とを有し、液晶パネルを背面や側面から照射する光源(バックライト光源)を構成する。本実施形態に係る輝度変調処理においては、このランプが発光輝度制御の対象となる。
参照用発光輝度レベル(バックライト目標値)BLrefと選択された発光輝度レベル(バックライト値)BLreducedが同じであれば、映像信号の輝度レベルを変更する必要はなく、ゲインは1である。また、参照用発光輝度レベルよりも選択された発光輝度レベルが低い場合は、その値に応じて、映像信号の輝度レベルを上げる方向にゲイン設定を行う。ゲイン設定に基づくトーンカーブの具体的な生成処理については後述する。
ジオメトリック補正部4のゲイン計算部42では、GAveの値に基づいてゲインが計算される。計算されたゲインは、テンポラリフィルタ43によって急激な変動が緩和され、トーンカーブデザイン部44にて補正用のトーンカーブの基礎とするものが生成される。トーンカーブデザイン部44は、本発明の補正用トーンカーブ生成部に相当する。
図2の表示装置における主要ブロックとして、BL輝度レベル設定部2、トーンカーブデザイン部33、ジオメトリック補正部4、バックライトエンハンス部9をさらに詳細に説明する。
BL輝度レベル設定部2には、ヒストグラム・APL検出部1で検出された映像信号のAPLが入力される。このときに、周囲の明るさ(周囲の照度)を測定する図示しない明るさセンサの検出情報に基づく制御信号、及び液晶パネルの明るさを設定するユーザ設定に基づく制御信号を入力させて、これらを用いてさらにバックライト発光輝度を変化させることができる。
映像特徴量として、映像信号を仮に伸張したときに表現できない頻度、あるいは映像信号の最小輝度及び最大輝度などの情報を使用する場合には、ヒストグラム・APL検出部1から、映像信号の画面単位(フレーム単位)で必要とするこれら情報(ヒストグラム情報とする)が入力される。また、APLとヒストグラム情報の両方を使用する場合には、それぞれの情報がBL輝度レベル設定部2に入力される。
Distortion=Σ{(映像輝度範囲D1+D2の頻度)×(距離重み)}・・・(1)
トーンカーブデザイン部33では、トーンカーブを生成するために用いるゲインをまず計算する。
液晶パネルへ入力される画素値と液晶パネルでの表示輝度との関係を示す基本的なモデルは、下式(2)により示される。ここで、Yは液晶パネルでの表示輝度、BLはバックライトの発光輝度レベル(バックライトDUTY)、CV(Code Value)は液晶パネルへ入力される画素値である。また、この例では映像信号の階調は0〜255で量子化されているものとする。
Y=BL(CV/255)γ ・・・(2)
一方で、参照用発光輝度レベルBLrefでバックライトを制御したときの画面の明るさは、BLref(CVref/255)γとなる。これらの値を等しくさせ、発光輝度レベルBLreducedによって生じるバックライトの発光輝度の低下分を補償するように、画素値を決定すればよい。つまり、トーンカーブデザイン部33は、下式(3)を満たすようなゲイン設定を行えばよい。
Y=BLreduced(CVreduced/255)γ=BLref(CVref/255)γ・・・(3)
G=(1/BLreduced)1/γ ・・・(5)
図8は、ゲイン設定に基づき生成されるトーンカーブの例を示す図である。図8(A)に示すように、トーンカーブデザインブ33で計算された映像信号のゲイン設定が1.0の場合には、全輝度について線形のトーンカーブとすることで問題ない。
しかし、ゲインが1.0以上の場合、図8(B)に示すように、ゲインを一律に適用したトーンカーブとすると、高階調(高輝度)部分が100%(出力画素値255)の値でクリップされて、いわゆる白つぶれが発生する。
そこで、低中輝度については、ゲイン設定に応じた信号伸張を行い、高輝度については、トーンカーブを非線形にすることによって、高輝度部分の階調性の低下を軽減することが好ましい(白つぶれを防ぐこと)。この手法は明るさと白つぶれのトレードオフの関係になる。非線形とする領域を狭めれば、正規の明るさを表現できる領域が増えるが、高輝度の階調性が低下する。逆に、非線形とする領域を広めれば正規の明るさを表現できる領域が減るが、高輝度の階調性が或る程度保たれることになる。実際には非線形とする輝度は、ゲイン設定による出力の例えば90%以上の部分や95%以上の部分とするなどして、白つぶれの影響のある部分のみ非線形とすればよい。
このときに、トーンカーブデザイン部33では、ゲイン設定に基づき単純に比例計算を行うと上記のような非線形のトーンカーブを算出することができない。従って、非線形のトーンカーブを得るために、ゲイン設定ごとにトーンカーブをメモリに格納するようにしてもよいし、もしくは、トーンカーブの線形部分はゲイン設定値から単純に比例計算し、図8(C),(D)に例示したように90%以上の部分については、補間等によって非線形部分を算出するようにしてもよい。
映像信号の平均輝度の種類として、上述のようなGAve(ジオメトリック平均値(Geometric Average))がある。GAveは、信号輝度の平均ではなく、液晶パネルの輝度の平均を視覚特性に合致した値として算出した輝度平均値である。具体的には、GAve.は、以下の式(6)で表される。
GAveは、上記のように画素の輝度値の対数の平均を累乗したものであり、従って、GAveは、画像に対する目の反応(つまりどのくらい明るく見えるのか)を数値化したものであるといえる。つまり、GAveは、人間の感覚的な量に近いといえ、この値を映像特徴量として使用して補正用トーンカーブを生成し、アドバンス輝度変調部3で生成されたバックライト発光輝度に連動するトーンカーブを補正する。
ここでは、上記式(6)に従って、以下の処理を行ってGAveが計算される。
(S1)ヒストグラムの各画素毎に正規化を行ってγ乗して、パネル輝度値を算出し、最小輝度値とパネル輝度値とを加算してその値のlog10の値をとる。
(S2)log10の結果を全ての画素について加算する。
(S3)加算した結果の平均のexpをとる。
ここでは、上記のS1(ヒストグラムの各画素毎に正規化を行ってγ乗し、パネル輝度値を算出し、最小輝度値とパネル輝度値とを加算してその値のlog10の値をとる処理)と、上記のS3(全ての画素について加算した結果の平均のexpをとる処理)とをテーブル変換によって実行する。つまり、式(6)の演算をその都度行うのではなく、S1とS3については、予め変換テーブルをメモリに記憶させておき、その変換テーブルを用いることによって所望の演算を行う。
なお、本発明に係る実施形態では、上記式(6)の演算をその都度行ってGAveを得るようにする手法の採用を排除するものではない。また、GAveは、ウィンドウサイズによってその値が変わるので、ウィンドウサイズに応じて演算領域を変化させるなどの調整を行うとよい。
図10は、ゲイン計算部42で計算するゲインについて説明するための図で、GAveとゲインとの関係を示すものである。ゲイン計算部42は、図10に示すような関係に従って、ジオメトリックAve計算部41から出力されたGAveに基づいてゲインを計算する。この場合、GAveが低輝度から中輝度の範囲では、所定値(ここでは1<ゲイン≦2)のゲインが得られるものとし、高輝度領域では、ゲインは1、つまりゲインによる映像信号の補正は行われないものとする。
このMAXポイントの位置は、表示装置の設計上の感応テスト等によって決定される。あるいはMAXポイントを設定するメニューを用意し、ユーザ操作によってMAXポイントを設定するようにしてもよい。また、MAXポイントから低輝度側の最大ゲインまでの特性は、視覚特性により決定される曲線に基づいて決められる。図10において、rは、ゲイン特性の設定可能範囲を示している。
ここでは、図11に示すように、入力階調の0階調から10%の階調までは、ゲイン計算部42で計算したゲインをそのまま反映させてリニアなトーンカーブとする。そして10%より大きい入力階調については、高階調になるに従って徐々にゲインを弱くしていくことで、図11に示すような上に凸のトーンカーブを生成する。
つまり、トーンカーブデザイン部44は、ゲイン計算部42で計算したゲインを用い、低階調の特定領域では計算したゲインを適用し、高階調になるに従って適用したゲインを低減させて凸形状のトーンカーブを生成する。
上記のジオメトリック補正は、主に暗いシーンでゲインが大きく持ち上がることが特徴となるが、ジオメトリック補正部4のトーンカーブデザイン部44で生成した上に凸状のトーンカーブをそのまま使用してしまうと、所謂黒浮きや中間調以下でのノイズが目立つという不具合が生じる。これらを解消するため、低階調リニア化処理部45では、トーンカーブデザイン部44で生成したトーンカーブに対して、低階調側の特定領域がリニアにとなるように生成し直す処理を行う。つまり、トーンカーブの低階調側の特定領域のゲインを1として、補正を行わないようにする。ここではゲインを1とするリニア領域は、一例として、入力階調の低階調側12%までの領域に設定することができる。
上に凸の形状を持つトーンカーブによる補正は、階調が0〜255の全領域でスムーズな特性となっている方が、視覚特性上自然である。しかしながら、低階調領域については、若干の輝度上昇であっても、ノイズの見え方や黒浮き量が大幅に変わる場合も多い。そのために、極めて階調(ここでは輝度)が低い領域については、補正を一切行わない方がよい場合もある。
図13は、バックライトエンハンス部9のさらに具体的な構成例を示す図である。バックライトエンハンス部9には、ディストーションモジュール31で生成され、テンポラリフィルタ32を介して出力された発光輝度レベルBLreducedと、ジオメトリックAve計算部41で計算されたGAveとが入力される。
バックライトエンハンス部9は、BL(バックライト)ゲイン計算部91、テンポラリフィルタ92、乗算器93、及び黒レベル補正部94を有している。BLゲイン計算部91は、入力したGAveの値を用いてバックライトの発光輝度レベルを補正するためのバックライトゲインを生成する。
図14に示すように、バックライトゲインの値は、GAveが低い(画面が暗い)領域では1.0、つまりゲインをかけない値とし、GAveが高い(画面が明るい)領域では、バックライトゲインを例えば2.0として、バックライトの光源輝度を増大させる値とする。これにより、より明るい環境下で明るい画面が暗く感じる場合であっても、ジオメトリックAveに基づく明るい画面のときに、バックライトの輝度を増大させて明るい画面とすることができる。
ここでは、光源ユニットに対して出力するデューティを Duty´とし、BLreducedが示すデューティをDutyとするとき、
Duty´=Duty × BL Gain ・・・(7)
によってBLreducedのDutyを増幅する。
このとき、明るい画像においてバックライトの発光輝度レベルを増幅することによる黒レベルの浮きを抑えるために、黒レベル補正部94によって映像信号の黒レベルを補正する。
これによりバックライトゲインによる黒輝度の上昇分だけ低階調側の信号を潰すことができ、明るい画面でバックライトを明るくしたときの低階調部分のコントラスト感の悪化を防ぐことができる。
Claims (8)
- 入力映像信号による映像を表示する液晶パネルと、該液晶パネルを照射する光源とを備えた表示装置において、
入力映像信号の画素値の対数の平均を累乗してジオメトリック平均値を算出するジオメトリック平均計算部を有し、該ジオメトリック平均計算部が計算したジオメトリック平均値に基づいて前記光源の発光輝度を動的に制御する光源輝度制御部とを有することを特徴とする表示装置。 - 請求項1に記載の表示装置において、前記入力映像信号の特徴量に基づいて前記光源の発光輝度の制御に使用する発光輝度レベルを選択する輝度レベル選択部を有し、該輝度レベル選択部で選択した発光輝度レベルを前記ジオメトリック平均計算部が計算したジオメトリック平均値に基づいて補正することで、前記光源の発光輝度を動的に制御することを特徴とする表示装置。
- 請求項2に記載の表示装置において、前記光源輝度制御部は、予め定められた前記ジオメトリック平均値と前記光源の発光輝度を補正するための補正値との関係に基づいて前記輝度レベル選択部で選択した発光輝度レベルを補正するものであり、
前記ジオメトリック平均値と前記補正値との関係は、前記ジオメトリック平均値が所定値より大きいときに前記発光輝度を増大させ、前記ジオメトリック平均値が前記所定値以下のときには前記輝度レベル選択部で選択した発光輝度レベルを維持する関係であることを特徴とする表示装置。 - 請求項2または3に記載の表示装置において、記光源の発光輝度に連動させて映像信号に適用するトーンカーブを生成するためのトーンカーブ生成部と、前記ジオメトリック平均値に基づく前記光源発光輝度の補正値に基づいて決定された範囲の低階調領域の映像信号を、階調ゼロの黒の階調値に変換するための黒レベル補正部とを有し、該黒レベル補正部で生成された黒補正用データによって、前記トーンカーブ生成部で生成したトーンカーブを補正することを特徴とする表示装置。
- 請求項4に記載の表示装置において、前記ジオメトリック平均値に基づいて前記トーンカーブ生成部で生成されたトーンカーブを補正するための補正用トーンカーブを生成する補正用トーンカーブ生成部とを有し、
該補正用トーンカーブ生成部は、予め定められたジオメトリック平均値とゲインとの関係に基づいて、該ジオメトリック平均値計算部で計算されたジオメトリック平均値に対応するゲインを計算し、計算したゲインを用いてトーンカーブを生成するものであり、
前記補正用トーンカーブ生成部が生成するトーンカーブは、入力階調を横軸、出力階調を縦軸にとったときに上に凸の形状を有し、中間階調域に凸の頂部を有する凸形状のトーカーブであって、
該凸形状のトーンカーブは、低階調の特定領域では前記ゲイン計算部が計算したゲインを適用し、高階調になるに従って前記適用したゲインを低減させて生成した凸形状のトーンカーブに対し、低階調部分の特定領域のゲインを1とするように修正したトーンカーブであることを特徴とする表示装置。 - 請求項5に記載の表示装置において、前記予め定められたジオメトリック平均値とゲインとの関係は、ジオメトリック平均値が特定の値以下の場合には、1より大きいゲインを設定し、ジオメトリック平均値が前記特定の値より大きい場合には、ゲインを1とする関係であることを特徴とする表示装置。
- 請求項4〜6のいずれか1に記載の表示装置において、入力映像信号の特徴量に対する前記光源の発光輝度を規定した輝度制御特性に基づいて、参照用の発光輝度レベルを設定する輝度レベル設定部を有し、
前記輝度レベル選択部は、前記入力映像信号のヒストグラムを用い、前記液晶パネルに設定した目標コントラストのときに表示可能な映像輝度範囲のうち、前記光源の発光輝度レベルに応じて変化するヒストグラム上の表現不可能な映像の頻度を評価し、該評価した値に基づいて、前記光源の発光輝度の制御に使用する発光輝度レベルを選択し、
前記トーンカーブ生成部は、該輝度レベル選択部で選択された発光輝度レベルと、前記輝度レベル設定部から出力された参照用の発光輝度レベルとを用いて前記トーンカーブに適用するゲインを決定し、該決定したゲインを低階調部分に適用するとともに、前記決定したゲインより小さいゲインを高階調部分に適用したトーンカーブを生成することを特徴とする表示装置。 - 請求項7に記載の液晶表示装置において、前記輝度レベル選択部は、前記ヒストグラムにおいて、前記目標コントラストのときに表示可能な映像輝度範囲のうち、前記光源の特定の発光輝度レベルにおいて表現できない映像輝度範囲の画像の頻度に所定の重み係数を乗算して評価し、選択可能な前記光源の発光輝度レベルの全てについて前記評価を実行し、前記評価によって得られた評価値が最も低い発光輝度レベルを、前記輝度レベル設定部で設定された前記参照用の発光輝度レベルを超えない範囲で選択することを特徴とする表示装置。
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