JP4058420B2

JP4058420B2 - 映像信号補正方法及び映像信号補正装置

Info

Publication number: JP4058420B2
Application number: JP2004042487A
Authority: JP
Inventors: 誠司大澤; 浩平稲村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005236604A; KR100664572B1; US20050185099A1; EP1566958A2; EP1566958A3; US7447356B2; CN1658680A; DE602005023364D1; CN100394804C; KR20060042950A; EP1566958B1

Description

本発明は、カラー画像に補正を加えるカラー映像信号処理において、色味の変化を抑えて階調を補正する映像信号補正方法及び映像信号補正装置に関する。

近年、テレビジョンなどのカラー画像において、コントラスト感・明るさ感や色味を強調したり補正したりするために、階調補正や色補正などの映像信号補正処理を行うものが多くなっている。

階調補正の第１の従来例としては、映像のカラー入力輝度信号に対して、図６に示すような、入出力特性が下に凸の階調補正を施すことにより、映像のコントラスト感を高める処理が公知である。例えば、輝度信号が赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分解されて入力されたとする。ＲＧＢの３色の入力輝度信号が、(R_in1,G_in1,B_in1)=(0.3,0.4,0.5)、(R_in2,G_in2,B_in2)=(0.7,0.8,0.9)の場合、図６のような階調変換を行うことにより、(R_out1,G_out1,B_out1)=(0.09,0.16,0.25)、(R_out2,G_out2,B_out2)=(0.49,0.64,0.81)となる。画像の輝度情報ＬをＬ=0.2125R+0.7154G+0.0721B（ITU-R BT709）として計算すると、L_in1=0.386、L_out1=0.152、L_in2=0.786、L_out2=0.620となる。各々の比は、L_in2/L_in1=0.786/0.386=2.04、L_out2/L_out1=0.620/0.152=4.09、L_out1/L_in1=0.393、L_out2/L_in2=0.789と
なり、輝度は低下するがコントラストが向上する。

また、階調補正の第２の従来例として、図７のように入出力特性が上に凸の階調補正を施すことにより、映像の明るさ感を高める処理も公知である。ＲＧＢの３色の入力輝度信号が、(R_in1,G_in1,B_in1)=(0.3,0.4,0.5)、(R_in2,G_in2,B_in2)=(0.7,0.8,0.9)の場合、図７のような階調補正を行うことにより、(R_out1,G_out1,B_out1)=(0.548,0.632,0.707)、(R_out2,G_out2,B_out2)=(0.837,0.894,0.949)となる。画像の輝度を計算すると、L_in1=0.386、L_out1=0.620、L_in2=0.786、L_out2=0.886となる。各々の比は、L_in2/L_in1=0.786/0.386=2.04、L_out2/L_out1=0.886/0.620=1.43、L_out1/L_in1=1.61、L_out2/L_in2=1.13となり、コントラストは低下するが輝度が高くなる。

しかし、これらの従来例には、階調補正前後でＲＧＢの比も変化し、色味が変わってしまうという共通の問題があった。

この問題に対する解決法として、下記特許文献１のような技術がある（階調補正の第３の従来例）。

特許文献１は、図８のような構成である。図８において、２１は信号前処理部、２２は非線形変換部、２３は色補正部、２４は信号後処理部である。また、２５はカラー画像信号が順次送られてきて入力されるカラー画像信号入力端子であり、２６はカラー画像信号が出力されるカラー画像信号出力端子である。信号前処理部２１でノイズ除去などの映像信号の前処理を行い、非線形変換部２２で階調補正がなされる。さらに非線形変換部２２の出力に対して色補正部２３で色補正を行い、信号後処理部２４でその後の処理が行われる。

主要部である非線形変換部において、

が計算され、出力される。ここで、max( )は最大値を選択する関数、R_in,G_in,B_inは入力
されたＲＧＢ色信号、R_out,G_out,B_outは出力されるＲＧＢ色信号、f( )は階調補正関数である。

上式を変形すると、

となり、ＲＧＢの比は階調補正前後で変化せず、色味が保存される。

特許文献１では、ＲＧＢ信号からＣＩＥ（国際照明委員会、Commission Internationale d'Eclairage）のＬ*ａ*ｂ*やＬｕｖなどに変換し、輝度成分（Ｌ*またはＬ）のみ階調
補正を行った後に再びＲＧＢ信号に逆変換する構成も記載されている。この場合、輝度成分のみ変換が行われ、色成分は変化しないため、やはり色味が保存される。

他の公知例として、テレビジョン放送信号のひとつであるＹＵＶ信号のＹ成分のみ階調補正を行うものもある。

また、色補正の従来例として、図９のように映像のカラー入力輝度信号Ｒ,Ｇ,Ｂそれぞれの階調補正関数を異なるもの（Ｒに対してはf_r(x)、Ｇに対してはf_g(x)、Ｂに対してはf_b(x)、xは任意の値を示す）にして色味を補正する処理も公知である。例えば、ＲＧＢの入力輝度信号が、(R_in1,G_in1,B_in1)=(0.3,0.4,0.5)、(R_in2,G_in2,B_in2)=(0.7,0.8,0.9)の場合、図のような階調補正を行うことにより、(R_out1,G_out1,B_out1)=(0.36,0.4,0.5)、(R_out2,G_out2,B_out2)=(0.84,0.8,0.9)となる。この場合、階調補正換の前に比べ、変換後のＲの割合が大きくなり、赤みが強調された色になる。

さらに、下記特許文献２には、原画像の選択的補正を行う方法として、２つ以上の選択的色補正が、各色変化に対して、選択色が原色から異なるにつれて減少する重み値を選ぶことによる加重平均修正よって組み合わされた色補正方法が開示されている。
特開平０６−３１１３５４号公報特開平０８−３１５１３２号公報

映像の特定の範囲の色を強調するとき、色味を変化させずに色を強調したい場合がある。しかし、上記色補正の従来例で挙げたＲＧＢそれぞれの階調補正関数を異ならせる例では、色味が変化してしまう。

色味を変化させないで特定範囲の色を強調する方法として、上記背景技術で述べた階調補正の第３の従来例と色補正を組み合わせた構成が考えられる。ＲＧＢそれぞれ別の階調補正関数を持ち、ＲＧＢ信号の中で最大値を持つ色について階調補正を行い、階調補正前後の比を係数として他の色信号に乗算する、という構成である（図１０）。

図１０において、３１は入力されたＲＧＢ信号値のうち最も大きい値を選択する選択器、３２は入力されたＲＧＢ信号値のうち最大値を持つ信号に対応した情報を出力する比較器、３３は比較器３２の出力に応じて後述の階調補正データメモリのいずれか一つを選択するスイッチ、３４はスイッチ３３からの指示によりＲの階調補正データを出力するＲ階調補正データテーブル、３５はスイッチ３３からの指示によりＧの階調補正データを出力するＧ階調補正データテーブル、３６はスイッチ３３からの指示によりＢの階調補正データを出力するＢ階調補正データテーブル、３７は選択器３１の出力値に階調補正データテーブル３４，３５，３６から出力された階調補正データを適用する階調補正手段である。

ＲＧＢそれぞれの階調補正関数が図１１のようであった場合（Ｒ階調補正データテーブルの内容は実線で示されたｆ_ｒ（ｘ）、Ｇ階調補正データテーブルの内容は点線のｆ_ｇ（ｘ）、Ｂ階調補正データテーブルの内容は鎖線のｆ_ｂ（ｘ）である）、例えば、（Ｒ_ｉｎ，Ｇ_ｉｎ，Ｂ_ｉｎ）＝（０．７，０．３，０．５）が入力されると、比較器３２においてＲが最も大きいと判断され、それに応じた信号がスイッチ３３に入力される。スイッチ３３はＲ階調補正データテーブルを選択する。また、選択器３１はＲＧＢの最大値０．７を選択し、階調補正手段３７および除算器３８に入力される。階調補正手段３７は、Ｒ階調補正データテーブル３４の補正テーブルを参照してＲ_ｉｎに補正を加え、０．９を除算器３８に出力する。除算器３８は、補正後の値０．９を補正前の値０．７で除算し、１．２８６を補正係数として出力する。乗算器３９，４０，４１は元のＲＧＢ値に除算器３８から入力された補正係数を乗算し、（Ｒ_ｏｕｔ，Ｇ_ｏｕｔ，Ｂ_ｏｕｔ）＝（０．９，０．３９．０．６４）を出力する。このとき、Ｒ_ｏｕｔ:Ｇ_ｏｕｔ:Ｂ_ｏｕｔ＝０．９:０．３９:０．６４＝０．７:０．３:０．５＝Ｒ_ｉｎ:Ｇ_ｉｎ:Ｂ_ｉｎとなり、色味が保存される。

また、(R_in,G_in,B_in)=(0.5,0.7,0.3)が入力された場合、同様に動作して、最大値Ｇの
階調補正データテーブルが選択され、(R_out,G_out,B_out)=(0.32,0.45,0.19)を出力する。R_out:G_out:B_out=0.32:0.45:0.19=0.5:0.7:0.3=R_in:G_in:B_inであり、色味が保存される。

同様に、(R_in,G_in,B_in)=(0.3,0.5,0.7)が入力されると、(R_out,G_out,B_out)=(0.3,0.5,0.7)となり、色・輝度の変化はない。

つまり、この例の場合、Ｒが最も強い色（赤みの色）は輝度が増大し、Ｇが最も強い色（緑みの色）は輝度が減少し、Ｂが最も強い色（青みの色）は輝度が変化しない。

一般的に、ＲＧＢのうち強調したい色味に対応した階調補正関数を上に凸にするとその色味の輝度が上昇する。目立たせたくない色味に対応した階調補正関数を下に凸にするとその色味の輝度が減少する。このようにすることで、特定範囲の色を強調することが可能となる。

この構成で不具合を生じる例を図１２に示す。図１２は、例えば表示装置のある１水平ラインのＲ、Ｇ信号と、除算器３８から出力される補正係数と、画面上の輝度値を表したものである。Ｂ信号は全領域で０であるとする。図１２に示したように、画面左が最大のＲで右に行くにつれてＲ成分が減少する。また、最大のＲの位置ではＧ信号が０で右に行くにつれてＧ成分が増加し、Ｒ成分が０となる位置でＧ成分が最大となる。画面中央部でちょうどＲとＧの値が等しくなっており、それを境に左側が赤みで右側が緑みの色である。

この場合、画面左半分ではＲ成分が最大となるため、図１１のＲ階調補正関数f_r(x)で
補正係数が算出される。ここでは常に補正係数は１以上となり、さらに右上がりに補正係数が大きくなる。また、画面右半分ではＧ成分が最大となるため、Ｇ階調補正関数f_g(x)
で補正係数が算出されるが、常に補正係数が１以下であり、左下がりで補正係数が小さくなる。このときの輝度の変化は図示してあるようになり、画面中央を境に輝度の段差が現れてしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、元の画像の色味を変えずに特定の色を強調する映像信号補正方法及び映像信号補正装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明の映像信号補正方法にあっては、３色の入力輝度信号に対して、少なくとも２つの異なる階調補正関数に従って該入力輝度信号を補正する映像
信号補正方法において、各色毎の前記階調補正関数を用いて、前記各色毎の入力輝度信号に対して共通の補正係数を算出するステップと、前記入力輝度信号に前記補正係数を乗じるステップと、を有し、前記３色の入力輝度信号を、それぞれＡ _１、Ａ _２、Ａ _３とし、各色毎の階調補正関数をｆ _１（ｘ）、ｆ _２（ｘ）、ｆ _３（ｘ）としたとき、前記補正係数Ｃは、

であることを特徴とする。

本発明の映像信号補正装置にあっては、３色の入力輝度信号に対して、少なくとも２つの異なる階調補正関数に従って該入力輝度信号を補正する映像信号補正装置において、各色毎の前記階調補正関数を用いて、前記各色毎の入力輝度信号に対して共通の補正係数を算出する補正係数算出手段と、前記入力輝度信号に前記補正係数を乗じる乗算手段と、を有し、前記３色の入力輝度信号を、それぞれＡ _１、Ａ _２、Ａ _３とし、各色毎の階調補正関数をｆ _１（ｘ）、ｆ _２（ｘ）、ｆ _３（ｘ）としたとき、前記補正係数Ｃは、

であることを特徴とする。

本発明は、特定の範囲の色を強調するとき、色味を変化させずに色を強調することができる。

<実施例１>
（概要）映像入力輝度信号を色分解したＲＧＢ値をそれぞれＲ_ｉｎ、Ｇ_ｉｎ、Ｂ_ｉｎ、Ｒの階調補正関数をｆ_ｒ（ｘ）、Ｇの階調補正関数をｆ_ｇ（ｘ）、Ｂの階調補正関数をｆ_ｂ（ｘ）、とする。Ｒの入力値と階調補正関数によって得られる出力値との比をＫ_ｒ、Ｇの入力値と階調補正関数によって得られる出力値との比をＫ_ｇ、Ｂの入力値と階調補正関数によって得られる出力値との比をＫ_ｂとすると、Ｋ_ｒ、Ｋ_ｇ、Ｋ_ｂはそれぞれ、

のようになる。

画素の補正係数Ｃはこれらの比に対して入力ＲＧＢ入力値の大きさに応じた重みをつけた加重平均により求める。即ち、

である。

この補正係数Ｃを各ＲＧＢ入力値に乗算し、階調補正を行う。

（構成）本実施例のブロック図を図１に示す。図１において、１はＲの入力値R_inに対
して階調補正関数f_r(R_in)を適用して出力するＲ階調補正手段、２はＧの入力値G_inに対して階調補正関数f_g(G_in)を適用して出力するＧ階調補正手段、３はＢの入力値B_inに対して階調補正関数f_b(B_in)を適用して出力するＢ階調補正手段である。

また、４は入力値R_inとＲ階調補正手段１の出力を乗算する乗算器、５は入力値G_inとＧ階調補正手段２の出力を乗算する乗算器、６は入力値B_inとＢ階調補正手段３の出力を乗
算する乗算器、７は上記乗算器４，５，６の出力を全て加算する加算器である。

８はＲＧＢの入力値をそれぞれ二乗し全て加算する平方和計算器、９は加算器７の出力を平方和計算器８の出力で除算する除算器、１０はＲの入力値R_inに除算器９の出力を掛
ける乗算器、１１はＧの入力値G_inに除算器９の出力を掛ける乗算器、１２はＢの入力値B_inに除算器９の出力を掛ける乗算器である。

本実施例では、Ｒ階調補正手段１、Ｇ階調補正手段２、Ｂ階調補正手段３の３つが補正手段である。Ｒ階調補正手段１、Ｇ階調補正手段２、Ｂ階調補正手段３を含む、乗算器４，５，６、加算器７、平方和計算器８、除算器９が補正係数算出手段であり、最終的に除算器９から出力される値が補正係数Ｃである。乗算器１０，１１，１２は、乗算手段である。

図２は、Ｒ階調補正手段１（実線）、Ｇ階調補正手段２（破線）、Ｂ階調補正手段３（鎖線）の入出力特性の例である。図２では、Ｒ階調補正手段の入出力特性が上に凸、Ｇ階調補正手段の入出力特性が下に凸、Ｂ階調補正手段の入出力特性がリニアとなっている。

図２の階調補正関数が適用される場合、例えば、ある画素にＲＧＢ入力値(R_in,G_in,B_in)=(0.7,0.3,0.5)が入力されると、R_inはＲ階調補正手段１に入力され、f_r(R_in)=0.9が出
力される。同様に、f_g(G_in)=0.14、f_b(B_in)=0.5が得られる。

これらはそれぞれ乗算器４，５，６によって入力値Ｒ_ｉｎ、Ｇ_ｉｎ、Ｂ_ｉｎが乗算され、加算器７でその出力が加算される。加算器７からはＲ_ｉｎ×ｆ_ｒ（Ｒ_ｉｎ）＋Ｇ _ｉｎ×ｆ_ｇ（Ｇ_ｉｎ）＋Ｂ_ｉｎ×ｆ_ｂ（Ｂ_ｉｎ）＝０．７×０．９＋０．３×０．１４＋０．５×０．５＝０．９２が出力される。

また、平方和計算器８では、入力値0.7,0.3,0.5の二乗である0.49,0.09,0.25が加算さ
れ、平方和Ｓ=0.83が出力される。

加算器７の出力値0.92と平方和計算器８の出力値0.83は除算器９に入力され、各色に対して共通の補正係数Ｃ=0.92/0.83=1.11を得る。

これを元の入力値に乗算し、最終的な出力値R_out=Ｃ×R_in=0.776、G_out=Ｃ×G_in=0.333
、B_out=Ｃ×B_in=0.554が出力される。このR_out、G_out、B_outの比は、R_out:G_out:B_out=0.776:0.333:0.554=0.7:0.3:0.5=R_in:G_in:B_inとなり、階調補正前のＲＧＢの比と等しく、色味の変化がない。

また、ＲＧＢ入力値(R_in,G_in,B_in)=(0.3,0.7,0.5)が入力された場合、同様にして、(f_r(R_out),f_g(G_out),f_b(B_out))=(0.5,0.45,0.5)となり、除算器９の出力（補正係数Ｃ）は、Ｃ=(0.3×0.5+0.7×0.45+0.5×0.5)/(0.3²+0.7²+0.5²)=0.715/0.83=0.86である。

最終的な出力値は、(R_out,G_out,B_out)=(0.258,0.603,0.431)となり、R_out:G_out:B_out=0.258:0.603:0.431=0.3:0.7:0.5=R_in:G_in:B_inで、階調補正前のＲＧＢの比と等しく、色味の変化がない。

本実施例の構成で上記課題で挙げた不具合の生じるパターンと同様の映像について色補正を行うと、図３のようになり、図１２に示すような輝度の段差がなく滑らかに輝度が変化する。以上のように、本実施例では、特定の範囲の色を強調するとき、輝度の段差がなく滑らかに輝度を変化させつつ、色味を変化させずに色を強調することができる。

<実施例２>
本発明の実施例２を図４に示す。図４において、１３は乗算器１０の出力がＲの取りうる最大値を超えないように制限をかけるリミッタ、１４は乗算器１１の出力がＧの取りうる最大値を超えないように制限をかけるリミッタ、１５は乗算器１２の出力がＢの取りうる最大値を超えないように制限をかけるリミッタである。その他の構成は実施例１と同様であるので、同符号を付して説明を省略する。本実施例では、リミッタ１３，１４，１５が制限手段である。

本実施例では、乗算器１０，１１，１２から値が出力されるまでは上記実施例１と同じである。乗算器１０からの出力Ｃ×R_inはリミッタ１３に入力される。リミッタ１３では
、乗算器１０からの値がＲが取りうる最大値（8ビットの場合255）を超えているかを判定し、超えていなければそのままの値を出力して、超えていれば最大値（8ビットの場合255）を出力する。リミッタ１４、リミッタ１５も同様に、それぞれ乗算器１１、乗算器１２からの出力Ｃ×G_in、Ｃ×B_inと最大値を比較して、最大値を超えていなければそのままの値、超えていれば最大値を出力する。

このようにすることにより、補正係数Ｃが大きくなりすぎて出力値が、補正後の輝度信号の取りうる最大の値を超えてしまうことを防ぐことができる。

<実施例３>
本発明の実施例３を図５に示す。図５において、１６はＲＧＢの入力値のうち最大値を検出して出力する最大値検出器、１７はＲＧＢが取りうる最大値を最大値検出器１６の出力で除算した値を出力する係数算出器、１８は除算器９の出力と係数算出器１７の出力を比較して小さい方を出力する比較器である。その他の構成は実施例１と同様であるので、同符号を付して説明を省略する。本実施例では、最大値検出器１６と係数算出器１７が最大値算出手段である。比較器１８及び乗算器１０，１１，１２が比較乗算手段である。

本実施例では、除算器９から値が出力されるまでは前記実施例１と同じである。ＲＧＢの入力値R_in、G_in、B_inは最大値検出器１６に入力され、最大の値が出力される。最大値
検出器から出力されたＲＧＢの最大値は係数算出器１７に入力される。係数算出器１７はＲＧＢの取りうる最大の値V_max（8ビットの場合255）を、入力された値で除算し、その結果を比較器１８に出力する。比較器１８は除算器９の出力と係数算出器１７の出力を比較し、小さい方の値を出力する。比較器１８から出力された値が乗算器１０，１１，１２に
入力され、入力信号R_in、G_in、B_inに乗算されて最終的な出力値R_out、G_out、B_outが得ら
れる。

前記実施例１では、補正係数ＣがV_max/max(R_in,G_in,B_in)を超えると、R_out、G_out、B_outのいずれか一つがV_maxを超えてしまう場合があったが、本実施例ではあらかじめV_max/max(R_in,G_in,B_in)を係数算出器１７で計算し、補正係数Ｃと比較して小さい方を選択するようにしているため、取りうる最大の値を超えることなく色補正を行うことができる。

なお、実施例１〜３では補正係数Ｃを（数式４）を用いて算出しているが、本発明の条件を満たす補正係数であればどのようなものを用いても良い。

また、実施例１〜３においてブロック図を用いて説明しているが、本発明を実現する構成は上記実施例で示したものに限られるものではない。

実施例１に係る映像信号補正装置のブロック図である。実施例１に係る階調補正関数の例である。実施例１に係る映像断面の信号、補正係数、出力輝度を示した図である。実施例２に係る映像信号補正装置のブロック図である。実施例３に係る映像信号補正装置のブロック図である。従来の階調補正を行う場合の階調補正関数の例である。従来の階調補正を行う場合の階調補正関数の別の例である。従来の階調補正を説明するブロック図である。従来の色補正行う場合の補正関数の例である。従来例を組み合わせて色変化がないように色の強調処理を行う例である。図１０の例の動作を説明するための階調補正関数の例である。図１０の例で不具合を生じる例である。

符号の説明

１Ｒ階調補正手段
２Ｇ階調補正手段
３Ｂ階調補正手段
４，５，６乗算器
６除算器
７加算器
８平方和計算器
９除算器
１０，１１，１２乗算器
１３，１４，１５リミッタ
１６最大値検出器
１７係数算出器
１８比較器

Claims

３色の入力輝度信号に対して、少なくとも２つの異なる階調補正関数に従って該入力輝度信号を補正する映像信号補正方法において、
各色毎の前記階調補正関数を用いて、前記各色毎の入力輝度信号に対して共通の補正係数を算出するステップと、
前記入力輝度信号に前記補正係数を乗じるステップと、を有し、
前記３色の入力輝度信号を、それぞれＡ _１、Ａ _２、Ａ _３とし、各色毎の階調補正関数を、それぞれｆ _１（ｘ）、ｆ _２（ｘ）、ｆ _３（ｘ）としたとき、
前記補正係数Ｃは、

であることを特徴とする映像信号補正方法。
前記入力輝度信号に前記補正係数を乗じた値が、補正後の輝度信号の取りうる最大値を超えないように制限をかけるステップを更に有する
ことを特徴とする請求項１に記載の映像信号補正方法。
補正後の輝度信号の取りうる最大値を、前記３色の入力輝度信号のうちの最大値で除算するステップを更に有し、
前記入力輝度信号に乗じる補正係数は、前記算出された補正係数と前記除算することで得られた値のいずれか小さい方である
ことを特徴とする請求項１に記載の映像信号補正方法。
３色の入力輝度信号に対して、少なくとも２つの異なる階調補正関数に従って該入力輝度信号を補正する映像信号補正装置において、
各色毎の前記階調補正関数を用いて、前記各色毎の入力輝度信号に対して共通の補正係数を算出する補正係数算出手段と、
前記入力輝度信号に前記補正係数を乗じる乗算手段と、を有し、
前記３色の入力輝度信号を、それぞれＡ _１、Ａ _２、Ａ _３とし、各色毎の階調補正関数を、それぞれｆ _１（ｘ）、ｆ _２（ｘ）、ｆ _３（ｘ）としたとき、
前記補正係数Ｃは、

であることを特徴とする映像信号補正装置。
前記入力輝度信号に前記補正係数を乗じた値が、補正後の輝度信号の取りうる最大値を超えないように制限をかける制限手段を更に有する
ことを特徴とする請求項４に記載の映像信号補正装置。
補正後の輝度信号の取りうる最大値を、前記３色の入力輝度信号のうちの最大値で除算する除算手段を更に有し、
前記入力輝度信号に乗じる補正係数は、前記算出された補正係数と前記除算することで得られた値のいずれか小さい方である
ことを特徴とする請求項４に記載の映像信号補正装置。