JP4122381B2 - 表示デバイスの色表示方式 - Google Patents

Description

本発明は、表示デバイスの色域内における色の表示方式に関し、特にその高確度表示方式に関する。

表色系にはＲＧＢ表色系とＸＹＺ表色系がよく知られている。ＲＧＢ表色系は実際に存在する単色光を原刺激として、それらの原刺激値の合成によって実在する色が定義されている。この表色系は物理的な発色物質と対応づけて表色できるが、次のような欠点がある。負の等色関数が存在する。負の等色関数は実際の光学機器の設計において不便である。色度座標上のｇ＝Ｇ／（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）は広いが、ｒ＝Ｒ／（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）が狭い。

そこで、ＲＧＢ表色系の欠点を除去し、表色上の計算に便利なＸＹＺ表色系がＣＩＥ−１９３１として定義されている。線形関係が成り立つと仮定すれば、ＲＧＢ表色系とＸＹＺ表色系との間には下記（１０）式の関係が存在する。
（１０）式から明らかなように、ＲＧＢ表色系とＸＹＺ表色系との間には線形な関係があると想定しているので、ＲＧＢとＸＹＺの変換は輝度最高値、すなわち階調で２５５の値を使って０〜２５５として線形的に行っていた。

上述した従来の方法では、中間調再現特性の非線形性や、温度変化、経年変化により三原色それぞれの角度（三刺激値の比）が変化する場合には、ＲＧＢ表色系とＸＹＺ表色系の変換を正確に行うことができないという欠点がある。したがって、従来の方法を有効とするためには、ディスプレイの三原色（ＲＧＢ）のそれぞれに対する色度（Ｃ）を常に正しく一定にしておく必要がある。しかし、現実にはこれは不可能である。
そこで、本発明ではＲＧＢ表色系とＸＹＺ表色系の変換を正確に実行する処理方式および装置を提供することが課題である。

上記課題を解決するため、本発明ではＸＹＺ表色系の画像信号を入力したとき、非線形等による歪誤差が最小になるよう、ＸＹＺ表色系の入力階調値をＲＧＢ表色系へ正確に変換してＲＧＢ表色系の画像信号値を出力する高忠実色再現機能を備えたシステムを含む補正装置と、この補正装置から出力されるＲＧＢ表色系の画像信号を入力して画像を表示する表示デバイスとを具備して表示デバイスの色表示方式を構成する。

前記補正装置は使用するデータのビット数をn とするとき、０〜（２ⁿ −１）の任意の階調値をとり得る色信号Ｃ（Ｘ_c ，Ｙ_c ，Ｚ_c ）を前記表示デバイスのＲＧＢそれぞれの最大階調値である（２ⁿ −１）に対応するＸＹＺ値を用いてＲＧＢリニア値に変換する手段と、
前記ＲＧＢリニア値に対応する前記表示デバイスの動作点ｄにおけるＲ_d ，Ｇ_d ，Ｂ_d を測定値から求め、且つ対応する（Ｘ_rd，Ｙ_rd，Ｚ_rd），（Ｘ_gd，Ｙ_gd，Ｚgd），（Ｘ_bd，Ｙ_bd，Ｚ_bd）の値を事前に作成しておいた対応表から求め、Ｘ_c ＝ａＸ_rd＋ｂＸ_gd＋ｃＸ_bd
Ｙ_c ＝ａＹ_rd＋ｂＹ_gd＋ｃＹ_bd
Ｚ_c ＝ａＺ_rd＋ｂＺ_gd＋ｃＺ_bd
からａ，ｂ，ｃを求める演算手段と、
前記演算手段で求められたａ，ｂ，ｃがいずれも１に近い予め定めた許容範囲内であるかを判定し範囲内にあれば、Ｒ_d ，Ｇ_d ，Ｂ_d 値を入力色信号に対応するＲＧＢの真値であるとして出力する判定手段と、
前記判定手段で範囲外と判定された場合は演算結果のａ，ｂ，ｃを帰還して再度前記演算手段による演算を実行させる帰還手段と、
を含む表示デバイスの色表示方式である。

上記表示デバイスの色表示方式において、表示デバイスはＣＲＴ，ＬＣＤ，あるいはＰＤＰなど、あらゆる形式の表示デバイスである。

ＸＹＺ表示系の値をＲＧＢ表示系に変換する際、表示デバイスへ入力される励起電圧（励起電流）と表示色の強さとの間の非線形性等の影響を除去するため、励起電圧（励起電流）の階調値を（２ⁿ −１）から出発し、計算により誤差が小さくなるように階調値を変えてゆき、最小誤差を求めることにより変換を実行する最適階調値を決定し、これにより最適ＲＧＢ値を表示デバイスに供給できるという効果がある。

上記効果により、本発明は表示輝度変化、経時変化、温度変化などにより原色の色度（三刺激値の比）が変化しても、その変化する値をデータとして備えているので、それをもとにして表示色を正確に再現することができる。また、本発明によれば、表示デバイスに対して厳密な校正の必要がないので、極めて簡便な方法で表示色を忠実に再現できるという効果がある。しかし、三刺激値の測定器には相応な確度が必要である。さらに、表示デバイスがＬＣＤであるか、ＣＲＴであるか、あるいはＰＤＰであるかを問わないので、加法混色が成り立つものであれば、構成原理にかかわりなくあらゆる種類の表示デバイスに本発明の方式が適用できるという効果がある。

ＲＧＢそれぞれの三刺激値について、ＲＧＢ信号の表示デバイスへの入力値とＸＹＺ表色系上のＹ刺激値（ＲLinear、Ｇlinear、ＢLinearと記載）との関係を示す測定例である。 刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚの最大値が１になるように設定し、ＲＧＢとＸＹＺの関係を正規化して両対数軸に示した説明図である。 表示色の色再現を高忠実に実行するシステムのフローチャートである。 高忠実色再現システムを実装した表示装置のブロック構成を示す系統図である。

符号の説明

１ 補正装置
２ 表示デバイス

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１はＲＧＢそれぞれの３刺激値について、ＲＧＢ信号の表示デバイスへの入力値とＸＹＺ表色系上の刺激値との関係を示す測定例を正規化したものである。図１で（ａ）はＲ（赤）、（ｂ）はＧ（緑）、（ｃ）はＢ（青）に対するものである。横軸上でn ビットのディジタル励起電圧（あるいは励起電流）は０〜（２ⁿ −１）まで１づつステップ状に変化する。図２は入力励起電圧の最小および最大の階調値を０および（２ⁿ −１）に設定し、かつ、刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚの最大値が１になるように設定してＲＧＢとＸＹＺの関係を正規化した例を示す説明図である。
縦軸上で各刺激値Ｘi ，Ｙi ，Ｚi,（i ＝Ｒ or Ｇ or Ｂ）は横軸上のディジタル励起値に対応して変化するが、必ずしもリニアに対応しているというわけではない。

次の表１は入力励起電圧の値と、Ｘ，Ｙ，Ｚ刺激値、および輝度の関係を示す一例である。

ここで、励起電圧や励起電流などの励起値に対する刺激値の関係が線形であると仮定する。そこで、色（Ｃ）はこれが表示されたときの３原色のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれの三刺激値を使って、一般に次の（１）式のように表される。
Ｘ_C ＝Ｘ_R ＋Ｘ_G ＋Ｘ_B
Ｙ_C ＝Ｙ_R ＋Ｙ_G ＋Ｙ_B （１）
Ｚ_C ＝Ｚ_R ＋Ｚ_G ＋Ｚ_B
ここで、Ｘ_R ，Ｘ_G ，Ｘ_B はそれぞれ刺激値Ｘ_C のＲ，Ｇ，Ｂ成分、Ｙ_R ，Ｙ_G ，Ｙ_B はそれぞれ刺激値Ｙ_C のＲ，Ｇ，Ｂ成分、Ｚ_R ，Ｚ_G ，Ｚ_B はそれぞれ刺激値Ｚ_C のＲ，Ｇ，Ｂ成分である。

実際の多くの表示デバイスでは励起電圧や励起電流などの励起値の階調によって原色の色度が変化するが、励起値の階調が０から（２ⁿ −１）まで、

の関係にしたがって、ディジタル的に変化する。このとき、ａ₁ ＝ａ₂ ＝ａ₃ ＝・・・＝ａ_n-1 ＝１であるならば、（Σａ_i ２^i-1 −１）＝２ⁿ −１となる。このように変化しても原色の色度（Ｃ）が著しく線形関係から離脱しないように動作点を設定することは可能である。なぜならば、励振電圧（または電流）と輝度との関係は連続量であるため、上記（Σａ_i ２^i-1 −１）における係数ａ_i には上限と下限が存在し、動作点の設定方式を適切に選べば、ａ_i の変化量は十分小さくできる。このような状態を仮定すれば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれについて励起値が（２ⁿ −１）のときの三刺激値（ＸＹＺ）を使って次の（２）式のように表される。
以下、（２）式〜（４）式において、（２ｎ−１）は、（２ⁿ −１）の意味で用いている。
Ｘ_C ＝Ｘ_R(2n-1) Ｒ＋Ｘ_G(2n-1) Ｇ＋Ｘ_B(2n-1) Ｂ
Ｙ_C ＝Ｙ_R(2n-1) Ｒ＋Ｙ_G(2n-1) Ｇ＋Ｙ_B(2n-1) Ｂ （２）
Ｚ_C ＝Ｚ_R(2n-1) Ｒ＋Ｚ_G(2n-1) Ｇ＋Ｚ_B(2n-1) Ｂ
ここで、Ｒ，Ｇ，Ｂは色Ｃを表示したときの原色の輝度の割合を表し、それぞれ０から１の間のアナログ値である。今後、これをリニア値とも呼ぶ。
（２）式を行列形式で表すと次の（３）式のようになる。

あるいは、逆行列を使えば、次の（４）式が得られる。

一般の表示デバイスでは、赤、緑、青、三原色それぞれにおける中間調階調再現特性において色度が変化するので、階調間の三刺激値の比は、
Ｘｉ：Ｙｉ：Ｚｉ≠Ｘｊ：Ｙｊ：Ｚｊであり、上記の単純なマトリクス計算では色Ｃに対する励起値の正確な階調値を求めることができない。

（１）式〜（２）式の説明で色Ｃに対して求められたリニアなＲ，Ｇ，Ｂの値を用い、最初に測定された中間調再現特性（図１）を使って、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の励起値の階調を求める。これらは表示デバイスに固有の値であることからデバイスのＲＧＢと呼び、（５）式によりＲｄ，Ｇｄ，Ｂｄと表す。
Ｒｄ← Ｒ_linear
Ｇｄ← Ｇ_linear （５）
Ｂｄ← Ｂ_linear

これらのデバイスＲ，Ｇ，Ｂに対する三組の三刺激値を測定結果から求める。
（Ｘｒｄ，Ｙｒｄ，Ｚｒｄ）、（Ｘｇｄ，Ｙｇｄ，Ｚｇｄ）、（Ｘｂｄ，Ｙｂｄ，Ｚｂｄ）
もし、表示デバイスが理想的にリニアで励起の階調の値が異なっても三刺激値の値の比が変化しなければ、これらの三つの三刺激値から加算して求められる色の三刺激値は、（１）式に示された色Ｃの三刺激値と一致する比をもつはずである。しかし、実際には色度は励起の階調の値が異なると変化するために、こうして求められた各階調の値の三刺激値の和から求められた色Ｃと実際の色Ｃとは一致せず、このときの三刺激値は計算から求めたものと一致しない。

ここで、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三刺激値をそれぞれａ，ｂ，ｃ倍、例えばａ＝１．１０，ｂ＝０．９０，ｃ＝０．９５とすることで任意の実測色Ｃの三刺激値とほぼ一致させることができる。すなわち、（６）式が得られる。
Ｘ_C ≒ａＸｒｄ＋ｂＸｇｄ＋ｃＸｂｄ
Ｙ_C ≒ａＹｒｄ＋ｂＹｇｄ＋ｃＹｂｄ （６）
Ｚ_C ≒ａＺｒｄ＋ｂＺｇｄ＋ｃＺｂｄ
（６）式を行列形式で表すと次の（７），（８）式のようになる。

（７）式は、色Ｃを表示するときの三原色について、それぞれの三刺激値に、より近づいた表示デバイスの三刺激値を使ってＸ_c ，Ｙ_c ，Ｚ_c を求めるための関係式を表している。係数ａ，ｂ，ｃはそのときのＲ，Ｇ，Ｂ原色の輝度比を表すので、修正されたリニア（Ｒａ，Ｇｂ，Ｂｃ）と考えることができる。リニア関数が成立するときと同様に中間調再現特性からそれぞれに対する表示デバイスが取りうる階調の値を次の式（９）の関係に従って求める。
Ｒｄ’⇔Ｒ_a-linear
Ｇｄ’⇔Ｇ_b-linear （９）
Ｂｄ’⇔Ｂ_c-linear
こうして求められる色Ｃを表示したときの三原色それぞれに対する三刺激値は
（Ｘｒｄ’，Ｙｒｄ’，Ｚｒｄ’）、（Ｘｇｄ’，Ｙｇｄ’，Ｚｇｄ’）、（Ｘｂｄ’，Ｙｂｄ’，Ｚｂｄ’）
となる。

こうして得られる三刺激値の和は、リニア関係を仮定して求めた三刺激値の和より、実際の色Ｃの三刺激値に近づく。
しかし、未だ実測された色Ｃの三刺激値との違いが大きい場合には上述の操作を両者の値が近づくまで繰り返して実行する。両者の値がどれほど近づいたかは係数ａ，ｂ，ｃの値を調べることにより判別できる。収束条件の理想値は、ａ，ｂ，ｃがいずれも１であるときである。したがって、ａ，ｂ，ｃのそれぞれが１に近いあらかじめ決められた値となるまで繰り返して実行することにより、求める精度の色度値が得られる。

図３は上述の方式にしたがって表示色の色再現を高忠実に実行するシステムの動作フローチャートを示す図である。最初に色Ｃ（Ｘ_c ，Ｙ_c ，Ｚ_c ）信号を表示デバイスの最大階調値である（２ⁿ −１）のときの３原色それぞれのＸ，Ｙ，Ｚを使ってＲＧＢ表示系に変換し、このときのＲＧＢ表示系の値を求める。そこで、これらに対応する（Ｘｒｄ，Ｙｒｄ，Ｚｒｄ）、（Ｘｇｄ，Ｙｇｄ，Ｚｇｄ）、（Ｘｂｄ，Ｙｂｄ，Ｚｂｄ）の値を求め、これらの値を使って（６）式からＸ_c ，Ｙ_c ，Ｚ_c を計算する。再び得られたＸ_c ，Ｙ_c ，Ｚ_c を使い、ａ，ｂ，ｃが１に近いあらかじめ定められた値になるまで上の計算を繰り返す。

図４はＸ_c ，Ｙ_c ，Ｚ_c の表示値をもった画像信号を入力し、上記の高忠実色再現機能を備えたシステムを通過させた後、Ｒ_d ，Ｇ_d ，Ｂ_d の表示値をもった画像信号を表示する表示装置のブロック構成を示す画像表示の系統図である。図４において、１は高忠実色再現機能を備えたシステムを含む補正装置、２は表示デバイスである。補正装置１にＸＹＺ表示系の画像信号を入力したとき、補正装置１はＸＹＺ表色系の入力階調値をＲＧＢ表色系へ正確に変換してＲＧＢ表色系の画像信号を出力する高忠実色再現機能を備えたシステムを含む。表示デバイス２は、補正装置１から出力されるＲＧＢ表色系の画像信号を入力して画像を表示する。

上述したように本発明の色表示方式はあらゆる形式の表示デバイスに適応できるので、ＣＲＴのみならず、ＬＣＤやＰＤＰへの適用に適している。

本発明による表示デバイスの色表示方式は、多種類の表示装置に利用できる。そのため多種類の表示装置でいずれも高忠実色再現が求められる分野で広く利用できる。

Claims (2)

1. ＸＹＺ表色系の画像信号を入力したとき、非線形等による歪誤差が最小になるよう、ＸＹＺ表色系の入力階調値をＲＧＢ表色系へ正確に変換してＲＧＢ表色系の画像信号値を出力する高忠実色再現機能を備えたシステムを含む補正装置と、
   前記補正装置から出力されるＲＧＢ表色系の画像信号を入力して画像を表示する表示デバイスとを備えた表示デバイスの色表示方式であって、
   前記補正装置は使用するデータのビット数をn とするとき、０〜（２ⁿ −１）の間の任意の階調値
   

   

   をとり得る色信号Ｃ（Ｘ_c ，Ｙ_c ，Ｚ_c ）を前記表示デバイスのＲＧＢそれぞれの最大階調値である（２ⁿ −１）に対応するＸＹＺ値を用いてＲＧＢリニア値に変換する手段と、
   前記ＲＧＢリニア値に対応する前記表示デバイスの動作点ｄにおけるＲ_d ，Ｇ_d ，Ｂ_d を測定値から求め、且つ対応する（Ｘ_rd，Ｙ_rd，Ｚ_rd），（Ｘ_gd，Ｙ_{gd ，Ｚ gd}），（Ｘ_bd，Ｙ_bd，Ｚ_bd）の値を事前に作成しておいた対応表から求め、Ｘ_c ＝ａＸ_rd＋ｂＸ_gd＋ｃＸ_bd
   Ｙ_c ＝ａＹ_rd＋ｂＹ_gd＋ｃＹ_bd
   Ｚ_c ＝ａＺ_rd＋ｂＺ_gd＋ｃＺ_bd
   からａ，ｂ，ｃを求める演算手段と、
   前記演算手段で求められたａ，ｂ，ｃがいずれも１に近い予め定めた許容範囲内であるかを判定し範囲内にあれば、Ｒ_d ，Ｇ_d ，Ｂ_d 値を入力色信号に対応するＲＧＢの真値であるとして出力する判定手段と、
   前記判定手段で範囲外と判定された場合は演算結果のａ，ｂ，ｃを帰還して再度前記演算手段による演算を実行させる帰還手段と、
   を含む表示デバイスの色表示方式。
2. 前記表示デバイスはＣＲＴ，ＬＣＤ，あるいはＰＤＰである請求項１記載の表示デバイスの色表示方式。

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