JP3961515B2 - 画質改善装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、画質改善装置およびその方法に関し、特に、入力される映像の明るさに応じて適応的に暗い部分や明るい部分の階調表現力を高めることで、画質を改善できる画質改善装置およびその方法に関する。

技術の発展に伴い、有機発光素子（ＯＥＬ）、電子紙、プラズマディスプレーパネル（ＰＤＰ）、超薄膜トランジスタ液晶表示装置（ＴＥＴ-ＬＣＤ）などの新技術を用いたディスプレー装置が紹介されている。係るディスプレーの進み方向は、全サイズを紙のように薄く製造することと、現場にいるような生々しい映像を再現することにある。よって、ディスプレー装置で生々し画面を再現するために、色々なイメージプロセスアルゴリズムが使用されつつある。

ところが、イメージプロセスアルゴリズムをＤＬＰ（Digital Light Processing）方式におけるTVのような暗い部分の階調表現能力がＣＲＴ（Cathode Ray Tube）に比べてパネルの特性が落ちるディスプレー装置に適用する場合、暗い映像が見づらい時もしばしばある。かかる現象はブラック/ホワイトレベル伸張アルゴリズムを適用した場合さらに深化する。

かかる現象を解決するためにＡＢＬ（Automatic Beam Limiter）回路が加えて使用することができる。ＡＢＬ回路は、高性能化象処理に適するように一定の明るさを保つ回路のことを言う。ＣＲＴの場合、画面の明るさはＣＲＴに流れるビーム（beam）量に比例して増減されるが、一定のレベル以上のビームが流れると明るさは飽和状態になり、ＣＲＴの寿命は短縮される。一方、一定したレベル以下のビームが流れるとＣＲＴも再現された映像に対する認識力が落ちてしまう。これを抑えるために一定したレベル以上、またはそれ以下のビームの流れを制御するＡＢＬ回路が必需的に適用されるべきである。即ち、ビームの流れが少なくなって再現される映像に対する認識力が落ちた場合は、図１Ａに示したような形態のマッピング関数を用いてビーム量を増加させてその明るさを増加する。反対に、ビームの流れが一定したレベル以上になった場合は、図１Ｂに示したような形態のマッピング関数を用いてビーム量を調節する。このことからＣＲＴを保護し、且つ映像に対する認識力を向上させることができる。

しかしながら、このような方式で画面の暗い部分や明るい部分の明るさを調節するという従来の方法は、ＡＢＬ回路のような別のハードウェアが加えなければならないので、ディスプレー装置を薄く製造するに当たって障害になる。さらに、入力映像の全体的な平均明るさを考慮せず固定されたマッピング関数を用いることによって、高画質の画像を処理することにおいて階調表現のためのダイナミックレンジ（dynamic range）が減少してしまう問題点を抱えている。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、別のＡＢＬ回路を使用せず、入力映像の平均明るさに応じて適応的に階調表現力を改善することのできる画質改善装置およびその方法に関する。

前述した目的を達成するための本発明に係る画質改善装置は、入力映像の各画素が有する輝度値の分布に係る確率密度関数を算出するＰＤＦ算出部と、前記確率密度関数に基づいて前記入力映像の平均明るさを算出する平均明るさ算出部と、前記平均明るさに適応的なオーバーフロー臨界値を算出する適応的なオーバーフロー臨界値算出部と、前記確率密度関数に前記オーバーフロー臨界値と予め設定されたアンダーフロー臨界値とに基づいて分布が調整された確率密度関数を算出するＢＵＢＯ部と、前記調整された確率密度関数について累積分布関数を算出するＣＤＦ算出部と、前記ＢＵＢＯ部が前記調整された確率密度関数の算出過程における前記累積分布関数に及ぼした影響を補償し、補償された累積分布関数を算出するＣＤＦ補償部と、前記補償された累積分布関数をマッピング関数として使用し、前記入力映像の各画素に対する輝度値を調整して出力するマッピング部と、を含む。

前記ＢＵＢＯ部は、前記オーバーフロー臨界値の算出時に所定の第１スケール因子をさらに用いて次式に前記オーバーフロー臨界値を算出することができる。

尚、ｓｆ1は前記第１のスケール因子、ｍｅａｎは前記平均明るさである。

前記ＢＵＢＯ部は、前記確率密度関数から前記オーバーフロー臨界値より大きい部分は取り除き、前記アンダーフロー臨界値より小さい部分は前記アンダーフロー臨界値にして前記確率密度関数を調整することができる。

前記ＣＤＦ補償部は、次式によって前記累積分布関数を補償可能である。

または、

尚、Ｃは総ピクセルの個数/Ｎ−１を意味する。

好ましくは、所定の利得値を算出する適応的な利得算出部をさらに含み、
前記ＣＤＦ補償部は、前記所定の利得値を用いて次式によって前記累積分布関数を補償することができる。

この際、前記適応的な利得算出部は、次式によって前記利得値を算出することができる。

尚、ｓｆ２は前記第２のスケール因子、ｒｅｇ＿ｇａｉｎは利得に対して予め設定されたセッティング値である。そして、ユーザによって前記第１および第２のスケール因子が入力される入力部をさらに含むことが好ましい。

一方、本発明に係る画質改善方法は、（ａ）入力映像の各画素が有する輝度値の分布に係る確率密度関数を算出するステップと、（ｂ）前記確率密度関数に基づいて前記入力映像の平均明るさを算出するステップと、（ｃ）前記平均明るさに適応的なオーバーフロー臨界値を算出するステップと、（ｄ）前記確率密度関数に前記オーバーフロー臨界値と予め設定されたアンダーフロー臨界値に基づいて分布が調整された確率密度関数を算出するステップと、（ｅ）前記調整された確率密度関数について累積分布関数を算出するステップと、（ｆ）前記ＢＵＢＯ部が前記調整された確率密度関数の算出過程における前記累積分布関数に及ぼした影響を補償し、補償された累積分布関数を算出するステップと、（ｇ）前記補償された累積分布関数をマッピング関数として使用し、前記入力映像の各画素に対する輝度値を調整し出力するステップと、を含む。

前記（ｃ）ステップにては、前記オーバーフロー臨界値の算出時に所定の第１スケール因子をさらに用いて次式に前記オーバーフロー臨界値を算出することができる。

尚、ｓｆ1は前記第１のスケール因子、ｍｅａｎは前記平均明るさである。
前記（ｃ）ステップにては、前記確率密度関数において前記オーバーフロー臨界値により大きい部分は取り除き、前記アンダーフロー臨界値より小さい部分は前記アンダーフロー臨界値にして前記確率密度関数を調整することが好ましい。

前記（ｆ）ステップにては、次式によって前記累積分布関数を補償することができる。

または、

尚、Ｃは総ピクセルの個数/Ｎ−１を意味する。

好ましくは、所定の利得値を算出するステップをさらに含み、前記（ｆ）ステップにては、前記所定の利得値を用いて次式により前記累積分布関数を補償することができる。

前記利得値を算出するステップにては、次式によって前記利得値を算出することができる。

尚、ｓｆ２は前記第２のスケール因子、ｒｅｇ＿ｇａｉｎは利得に対して予め設定されたセッティング値である。
そして、ユーザによって前記第１および第のスケール因子が入力されるステップをさらに含むことが好ましい。

本発明によると、入力映像に応じて適応的に暗い部分または明るい部分の階調表現力を向上させることで画質を改善することができる。また、別のＡＢＬ回路を使用しないため、コストの側面やこれを適用したディスプレー装置のサイズを減少することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。
図２は、本発明に係る画質改善装置のブロック図である。同図を参照すると、本画質改善装置は、ＰＤＦ算出部１００、平均明るさ算出部１１０、入力部１２０、適応的なオーバーフロー臨界値算出部１３０、ＢＵＢＯ（Bin Underflow Bin Overflow）部１４０、ＣＤＦ算出部１５０、適応的利得算出部１６０、ＣＤＦ補償部１７０、およびマッピング部１８０を含んでいる。

ＰＤＦ算出部１００は、入力映像を構成するそれぞれの画素が有する輝度値を検出し、それに基づいて確率密度関数（Probability Density Function、以下ＰＤＦと称する）を算出する。ＰＤＦは、不規則的な信号がどのような値でどれくらいの比率で取っているかを表す。

平均明るさ算出部１１０は、ＰＤＦ算出部１００から算出された確率密度関数を用いて入力映像の平均明るさを算出する。入力部１２０には、ユーザなどによって後述するオーバーフロー臨界値および利得算出に使用されるスケール因子が入力される。適応的なオーバーフロー臨界値算出部１３０は、入力映像の平均明るさを分析して、適応的にオーバーフロー臨界値を算出する。ＢＵＢＯ部１４０は、算出されたオーバーフロー臨界値および予め設定されたアンダーフロー臨界値を用いて算出されたＰＤＦを調整する。ＣＤＦ算出部１５０は、調整されたＰＤＦから累積分布関数（Cumulative Distribution Function：以下、ＣＤＦと称する）を算出する。適応的利得算出部１６０は、ＣＤＦ補償部１７０にて補償に使用するための利得値を算出する。ＣＤＦ補償部１７０は、ＢＵＢＯ部１４０がＰＤＦ調整に応じてＣＤＦに及ぼす影響を補償する。そして、マッピング部１８０は、ＣＤＦ補償部１７０から補償されたＣＤＦをマッピング関数に使用して入力映像のピクセル値を変化させ画質を改善する。

図３は、本発明に係る画質改善装置の動作方法を説明するための流れ図である。図２おとび図３を参照して、本発明に係る画質改善装置の動作方法を説明する。まず、ＰＤＦ算出部１００は、入力映像に対するＰＤＦを算出する（Ｓ２００）。ＰＤＦ算出は、入力映像を構成している各ピクセルが有する輝度値を検出し、検出されたピクセルの輝度値の範囲内で各輝度値に属するピクセル個数を係数して算出する。例えば、入力映像で輝度値がｋであるピクセル個数が２０個だと仮定すると、ｐｄｆ[ｋ]＝２０となる。入力映像に対するＰＤＦが算出されれば、平均明るさ算出部１１０は算出されたＰＤＦに基づいて入力映像の平均明るさを算出する（Ｓ２０５）。

適応的なオーバーフロー臨界値算出部１３０は、平均明るさ算出部１１０から算出された平均明るさと入力部１２０を介してユーザにより入力される第１のスケール因子を用いて次式のようにオーバーフロー臨界値を算出する（Ｓ２１０）。

尚、ｍｅａｎは入力映像の平均明るさ、ｓｆ１は第１のスケール因子である。

ＢＵＢＯ部１４０は、算出されたオーバーフロー臨界値と、適切値で予め設定されたアンダーフロー臨界値を用いて算出されたＰＤＦでオーバーフローおよびアンダーフローを検出し、これによって算出されたＰＤＦを調整する（Ｓ２１５）。即ち、ＢＵＢＯ部１４０は、算出されたオーバーフロー臨界値および予め設定されたアンダーフロー臨界値を用いて、算出されたＰＤＦから次式のようにオーバーフローおよびアンダーフローを検出する。

尚、ｔｈ＿ｕはアンダーフロー臨界値を表す。

ＢＵＢＯ部１４０は、オーバーフローおよびアンダーフローが検出されれば、算出されたＰＤＦから次式のようにオーバーフロー臨界値を超える部分を除去し、アンダーフロー臨界値より小さい部分はアンダーフロー臨界値に調整する。

図４Ａおよび図４Ｂは、ＢＵＢＯ部１４０から算出されたオーバーフロー臨界値を用いてＰＤＦを調整する過程を説明した図である。図４Ａにおける、Ａで示した値はオーバーフロー臨界値であり、黒色で示した部分はオーバーフロー臨界値を超えた部分を示したのである。それから、図４Ｂには、オーバーフロー臨界値を超えた部分を取り除いた後のＰＤＦが示されている。図４Ａおよび図４Ｂでは、オーバーフロー臨界値を超えた場合のみ図示したものの、アンダーフロー臨界値をより小さい部分をアンダーフロー臨界値として伸張する場合もこの過程に従って行なわれる。

ＰＤＦの調整が終了すると、ＣＤＦ算出部１５０は調整されたＰＤＦに対するＣＤＦを算出する（Ｓ２２０）。これを式で表すと次の通りである。

適応的利得算出部１６０は、次式に基づいて利得を算出する（Ｓ２２５）。

尚、ｒｅｇ＿ｇａｉｎは利得に対したレジスタセッティング値であり、ｓｆ２は第２のスケール因子である。

ＣＤＦ補償部１７０は、ＢＵＢＯ部がＰＤＦ調整に応じてＣＤＦに及ぼした影響を補償する。この際、基本的には次式に基づいてその補償を行い、図５Ａはその式の意味を図示している。

尚、Ｃは総ピクセルの個数/Ｎ−１を意味する。

ＡＢＬ回路のような効果を与えるための他の実施例としては、ＢＵＢＯ部１４０がＣＤＦに及ぼす影響を補償するとき、使用される直線ｋを入力映像の平均明るさに適応的な直線、または非線形関数で構成することである。例えば、ＣＤＦの最大値から原点まで繋がる直線との差を正常なスケールに合わせられた直線に加える過程において、正常なスケールに合わせられた直線自体を、図５Ｂに示したように、入力映像の平均明るさに適応的な非線形関数で構成することが可能であり、または非線形関数を直線式に近似化して使用することも可能である。ＣＤＦ補償部１７０にて用いられる２つの式から、前者の場合は直線とＣＤＦとの差をより大きくするため次のような適応的利得算出部１６０から算出した利得を付加することができる。

マッピング部１８０は、補償されたＣＤＦをマッピング関数に用いて入力映像を調節する（Ｓ２３５）。それを式に表すと次の通りである。

尚、g（i、j）は出力映像を表し、f（i、j）は入力映像を表す。

このような過程により、入力映像信号に応じて適応的に暗い部分の階調表現能力を高め画質の改善を図れる。さらに、前述の実施例では、暗い部分、即ち、黒い領域の場合を例に挙げて詳説したが、同一な方式をホワイト領域で適用することもできる。これによって、入力映像の明るい部分に対する階調表現力を高めて画質を改善することも可能である。

以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明は、映像ディスプレー装置から入力される映像の平均明るさに応じて適応的に暗い部分や明るい部分の階調表現力を高め画質を改善することに用いられる。

従来のＡＢＬ回路で使用されるマッピング関数の例を示した図である。 従来のＡＢＬ回路で使用されるマッピング関数の例を示した図である。 本発明に係る画質改善装置のブロック図である。 本発明に係る画質改善装置の動作方法を説明するための流れ図である。 ＢＵＢＯ部の動作過程を説明するための図である。 ＢＵＢＯ部の動作過程を説明するための図である。 ＣＤＦ補償過程を説明するための図である。 ＣＤＦ補償過程を説明するための図である。

符号の説明

１００ ＰＤＦ算出部
１１０ 平均明るさ算出部
１２０ 入力部
１３０ 適応的なオーバーフロー臨界値算出部
１４０ ＢＵＢＯ部
１５０ ＣＤＦ算出部
１６０ 適応的利得算出部
１７０ ＣＤＦ補償部
１８０ マッピング部

Claims (14)

1. 入力映像の各画素が有する輝度値の分布に係る確率密度関数を算出するＰＤＦ算出部と、
   前記確率密度関数に基づいて前記入力映像の平均明るさを算出する平均明るさ算出部と、
   前記平均明るさに適応的なオーバーフロー臨界値を算出する適応的なオーバーフロー臨界値算出部と、
   前記オーバーフロー臨界値と予め設定されたアンダーフロー臨界値とに基づいて分布が調整された確率密度関数を算出するＢＵＢＯ部と、
   前記調整された確率密度関数について累積分布関数を算出するＣＤＦ算出部と、
   前記ＢＵＢＯ部が前記調整された確率密度関数の算出過程における前記累積分布関数に及ぼした影響を補償し、補償された累積分布関数を算出するＣＤＦ補償部と、
   前記補償された累積分布関数をマッピング関数として使用し、前記入力映像の各画素に対する輝度値を調整して出力するマッピング部と、を含み、
   前記オーバーフロー臨界値算出部は、前記オーバーフロー臨界値の算出時に所定の第１スケール因子をさらに用い、
   前記ＢＵＢＯ部は、前記確率密度関数から前記オーバーフロー臨界値より大きい部分は取り除き、前記アンダーフロー臨界値より小さい部分は前記アンダーフロー臨界値にして前記確率密度関数を調整することを特徴とする画質改善装置。
2. 前記オーバーフロー臨界値算出部は次式により前記オーバーフロー臨界値を算出することを特徴とする請求項１に記載の画質改善装置。
   

   

   （尚、ｓｆ1は前記第１のスケール因子、ｍｅａｎは前記平均明るさである）
3. 前記ＣＤＦ補償部は、次式によって前記累積分布関数を補償することを特徴とする請求項１に記載の画質改善装置。
   

   
4. 前記ＣＤＦ補償部は、次式によって前記累積分布関数を補償することを特徴とする請求項１に記載の画質改善装置。
   

   

   （尚、Ｃは総ピクセルの個数/Ｎ−１を意味する）
5. 所定の利得値を算出する適応的な利得算出部をさらに含み、
   前記ＣＤＦ補償部は、前記所定の利得値を用いて次式によって前記累積分布関数を補償することを特徴とする請求項１に記載の画質改善装置。
   

   
6. 前記適応的な利得算出部は、次式によって前記利得値を算出することを特徴とする請求項５に記載の画質改善装置。
   

   

   （尚、ｓｆ２は前記第２のスケール因子、ｒｅｇ＿ｇａｉｎは利得に対して予め設定されたセッティング値である）
7. ユーザによって前記第１および第２のスケール因子が入力される入力部をさらに含むことを特徴とする請求項２または６に記載の画質改善装置。
8. （ａ）入力映像の各画素が有する輝度値の分布に係る確率密度関数を算出するステップと、
   （ｂ）前記確率密度関数に基づいて前記入力映像の平均明るさを算出するステップと、
   （ｃ）前記平均明るさに適応的なオーバーフロー臨界値を算出するステップと、
   （ｄ）前記オーバーフロー臨界値と予め設定されたアンダーフロー臨界値に基づいて分布が調整された確率密度関数を算出するステップと、
   （ｅ）前記調整された確率密度関数について累積分布関数を算出するステップと、
   （ｆ）ＢＵＢＯ部が前記調整された確率密度関数の算出過程における前記累積分布関数に及ぼした影響を補償し、補償された累積分布関数を算出するステップと、
   （ｇ）前記補償された累積分布関数をマッピング関数として使用し、前記入力映像の各画素に対する輝度値を調整し出力するステップと、を含み、
   前記（ｃ）ステップにては、前記オーバーフロー臨界値の算出時に所定の第１スケール因子をさらに用い、
   前記（ｄ）ステップにては、前記確率密度関数から前記オーバーフロー臨界値により大きい部分は取り除き、前記アンダーフロー臨界値より小さい部分は前記アンダーフロー臨界値にして前記確率密度関数を調整することを特徴とする画質改善方法。
9. 前記（ｃ）ステップにては、次式に前記オーバーフロー臨界値を算出することを特徴とする請求項８に記載の画質改善方法。
   

   

   （尚、ｓｆ1は前記第１のスケール因子、ｍｅａｎは前記平均明るさである）
10. 前記（ｆ）ステップにては、次式によって前記累積分布関数を補償することを特徴とする請求項８に記載の画質改善方法。
    

    
11. 前記（ｆ）ステップにては、次式によって前記累積分布関数を補償することを特徴とする請求項８に記載の画質改善方法。
    

    

    （尚、Ｃは総ピクセルの個数/Ｎ−１を意味する）
12. 所定の利得値を算出するステップをさらに含み、
    前記（ｆ）ステップにては、前記所定の利得値を用いて次式により前記累積分布関数を補償することを特徴とする請求項８に記載の画質改善方法。
    

    
13. 前記利得値を算出するステップにては、次式によって前記利得値を算出することを特徴とする請求項１２に記載の画質改善方法。
    

    

    （尚、ｓｆ２は前記第２のスケール因子、ｒｅｇ＿ｇａｉｎは利得に対して予め設定されたセッティング値である）
14. ユーザによって前記第１および第のスケール因子が入力されるステップをさらに含むことを特徴とする請求項９または１３に記載の画質改善方法。

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