JP4214480B2 - 画像処理装置および方法、並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、画像処理装置および方法、並びにプログラムに関し、特に、例えば液晶ディスプレイのように、白色で表示させる輝度レベルと黒色で表示させる輝度レベルのダイナミックレンジが固定されているディスプレイに表示させる画像のコントラストを強調する場合に用いて好適な画像処理装置および方法、並びにプログラムに関する。

従来、テレビジョン放送等の画像が全体的に明るいときの、画像のコントラストを改善する技術として、直流伝送率補正と称する方法がある。この直流伝送補正は、入力される画像信号（以下、入力信号とも記述する）のうちの輝度信号について、その平均値（以下、平均輝度と記述する）を算出し、平均輝度に基づいて決定される値だけ全画素の輝度から一律に減少させる技術である（特許文献１参照）。

直流伝送補正によれば、入力信号の輝度レベルが、例えば図１に示されるような場合、その値に拘わらず全体的に減少されて、図２に示されるような出力信号に補正される。ただし、図１および図２において、横軸は時間ｔを示し、縦軸は入力信号または出力信号の輝度レベルを示す。また、縦軸の白レベルと黒レベルは、それぞれ、入力信号の画像が表示されるディスプレイの白色として表示する輝度レベル、または黒色として表示する輝度レベルを示している。

したがって、図１の入力信号においては黒色として表示されるほどではなかった輝度の比較的低い部分が、図２の出力信号において黒色として表示されるので、画像の暗い部分がより暗く強調されることになる。

なお、図２に示された出力信号から明らかなように、直流伝送補正では、本来白色で表示されるべき輝度の高い信号も、そのレベルが下方に補正されてしまうことになるが、例えばCRT(Cathode Ray Tube)を用いたディスプレイのように、白レベルと黒レベルのダイナミックレンジが固定されていないディスプレイでは、図３に示すように、白直流伝送補正とは独立した処理として、色レベルを下げることができるので、本来白色で表示されるべき部分を白色で表示することができる。

特開２００３−１３１６２３号公報（第１５段落、および図４）

しかしながら、従来の直流伝送補正技術を使用した場合、画素の白レベルと黒レベルのダイナミックレンジが固定されている液晶ディスプレイ等では、白レベルを維持した状態で黒レベルだけを下げることができないので、信号全体のレベルが下がることにより、本来白色で表示されるべき部分を白色で表示することができない。したがって画面全体が暗くなってしまうという課題があった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ディスプレイの白レベルを変更することなく、画像のコントラストを改善できるようにすることを目的とする。

本発明の画像処理装置は、画像を構成する画素の輝度の平均値Ａｖを検出する平均値検出手段と、画像を構成する各画素に対して、ルックアップテーブルまたは関数を用いて、画素の輝度ｐに対応する補正係数Ｋｐを決定する補正係数決定手段と、各画素に対して、検出された平均輝度Ａｖ、および決定された補正係数Ｋｐに基づき、補正値Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ）を算出する補正値算出手段と、各画素の輝度の補正結果として、算出された補正値Ｃを画素の輝度ｐに加算する加算手段とを含み、補正値算出手段は、画素の輝度ｐが最大値である場合、補正値Ｃとして最大値である０を算出する。

前記補正係数決定手段は、画素の輝度ｐが最大値である場合、補正係数Ｋｐを最大値である０に決定し、画素の輝度ｐが最小値である場合、補正係数Ｋｐを負の数である最小値に決定することができる。

本発明の画像処理方法は、画像を構成する画素の輝度の平均値Ａｖを検出する平均値検出ステップと、画像を構成する各画素に対して、ルックアップテーブルまたは関数を用いて、画素の輝度ｐに対応する補正係数Ｋｐを決定する補正係数決定ステップと、各画素に対して、検出された平均輝度Ａｖ、および決定された補正係数Ｋｐに基づき、補正値Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ）を算出する補正値算出ステップと、各画素の輝度の補正結果として、算出された補正値Ｃを画素の輝度ｐに加算する加算ステップとを含み、補正値算出ステップは、画素の輝度ｐが最大値である場合、補正値Ｃとして最大値である０を算出する。

本発明のプログラムは、画像を構成する画素の輝度の平均値Ａｖを検出する平均値検出ステップと、画像を構成する各画素に対して、ルックアップテーブルまたは関数を用いて、画素の輝度ｐに対応する補正係数Ｋｐを決定する補正係数決定ステップと、各画素に対して、検出された平均輝度Ａｖ、および決定された補正係数Ｋｐに基づき、補正値Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ）を算出する補正値算出ステップと、各画素の輝度の補正結果として、算出された補正値Ｃを画素の輝度ｐに加算する加算ステップとを含み、補正値算出ステップは、画素の輝度ｐが最大値である場合、補正値Ｃとして最大値である０を算出する処理を画像処理装置のコンピュータに実行させる。

本発明においては、画像を構成する画素の輝度の平均値Ａｖが検出され、画像を構成する各画素に対して、ルックアップテーブルまたは関数を用いて、画素の輝度ｐに対応する補正係数Ｋｐが決定される。また、各画素に対して、検出された平均輝度Ａｖ、および決定された補正係数Ｋｐに基づき、補正値Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ）が算出され、各画素の輝度の補正結果として、算出された補正値Ｃが画素の輝度ｐに加算される。なお、補正値Ｃとして、画素の輝度ｐが最大値である場合、最大値である０が算出される。

本発明によれば、ディスプレイの白レベルを変更することなく、画像のコントラストを改善することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図４は、本発明の一実施の形態である画像処理装置の構成例を示している。この画像処理装置は、白レベルと黒レベルのダイナミックレンジが固定されている液晶ディスプレイ等に組み込まれるものである。

図４の構成例において、フレームバッファ１は、入力されるテレビジョン放送等の画像信号（入力信号）を、１画像（フィールド画像またはフレーム画像）分を保持する。平均輝度検出部２は、フレームバッファ１に保持された１枚分の画像信号の平均輝度Ａｖを算出して補正信号生成部６に出力する。なお、平均輝度検出部２において、１枚分の画像信号を元に平均輝度を算出するのではなく、より多くの枚数の画像信号を元に平均輝度を算出するようにしてもよい。

画素読み出し部３は、フレームバッファ１に保持された１枚分の画像信号を、１画素ずつ読み出し、補正係数決定部４および加算部７に出力する。補正係数決定部４は、ルックアップテーブル(LUT)保持部５に保持されているルックアップテーブル（以下、LUTと記述する）を参照することにより、画素読み出し部３から入力された、画素の画像信号の輝度レベルＰに対応する補正係数Ｋｐ（負の数または０）を決定して補正信号生成部６に出力する。なお、ルックアップテーブルの代わりに、輝度レベルＰを入力とし、補正係数Ｋｐを出力とする関数を用いて、補正係数Ｋｐを決定するようにしてもよい。

LUT保持部５は、輝度レベルＰと補正係数Ｋｐとの対応関係を示すLUTを保持している。輝度レベルＰと補正係数Ｋｐとの対応関係は、例えば図５に示す直線１１のように、輝度レベルＰが最小値であるとき、補正係数Ｋｐも負の値の最小値となり、輝度レベルＰが最大値であるとき、補正係数Ｋｐも最大値である０となるように対応付けられている。なお、輝度レベルＰと補正係数Ｋｐとの関係は、図５に示された直線１１のように線形である必要はなく、非線形であっても構わない。

補正信号生成部６は、次式（１）に従い、補正係数決定部４から入力される補正係数Ｋｐと平均輝度検出部２から入力される平均輝度Ａｖとに基づき、補正信号Ｃを生成して加算部７に出力する。
Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ） …（１）

なお、Ｗｌは、当該画像処理装置が組み込まれる液晶ディスプレイ等の白レベルであって、予め設定されている値である。

加算部７は、画素読み出し部３から入力される画素毎の画像信号に、対応する補正信号生成部６から入力される補正信号Ｃを加算して出力信号を生成する。

次に、当該画像処理装置によるコントラスト強調処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１において、フレームバッファ１は、入力された画像信号を、１画像分だけ保持する。平均輝度検出部２は、フレームバッファ１に保持された１枚分の画像信号を取得し、ステップＳ２において、その平均輝度Ａｖを算出して補正信号生成部６に出力する。

ステップＳ３において、画素読み出し部３は、フレームバッファ１に保持された１枚分の画像信号のうち、例えばラスタースキャン順に１画素分の画像信号を読み出して、補正係数決定部４および加算部７に出力する。ステップＳ４において、補正係数決定部４は、ルックアップテーブル保持部５に保持されているLUTを参照することにより、画素読み出し部３から入力された画素の画像信号の輝度レベルＰに対応する補正係数Ｋｐを決定して補正信号生成部６に出力する。

ステップＳ５において、補正信号生成部６は、式（１）に従い、補正係数決定部４によって決定された補正係数Ｋｐと、平均輝度検出部２によって算出された平均輝度Ａｖとに基づいて補正信号Ｃを生成し、加算部７に出力する。ステップＳ６において、加算部７は、画素読み出し部３から入力された画素の画像信号の輝度レベルＰに、補正信号生成部６から入力された対応する補正信号Ｃを加算し、この結果を出力信号として後段に出力する。

出力信号の輝度レベルは、図５と式（１）からも明らかなように、入力信号の平均輝度Ａｖが高いほど、補正信号Ｃはその値が大きくなる。また、入力信号の輝度レベルＰが低いほど、補正信号Ｃは小さくなり（負の数である補正信号Ｃの絶対値は大きくなり）、入力信号の輝度レベルＰが最大のとき、補正信号Ｃは最大値の０となる。

したがって、共通の平均輝度Ａｖが適用される１枚の画像では、入力信号において輝度レベルＰの低い画素ほど、出力信号においてより輝度が低減され、入力信号における輝度レベルＰが高い画素ほど、出力信号における輝度の減少量は小さくなる。そして、入力信号における輝度レベルＰが最大値である場合、出力信号における輝度レベルは入力信号における値と同じとなる。

図７は、コントラスト強調処理が施される前の画像信号（入力信号）と、当該処理後の画像信号（出力信号）の輝度レベルの関係を示している。図７において、横軸は入力信号の輝度レベルであり、縦軸は出力信号の輝度レベルである。平均輝度Ａｖが所定の基準値である場合の、入力信号と出力信号の輝度レベルの関係が直線２１に示す通りとすれば、平均輝度Ａｖが所定の基準よりも低い場合、入力信号と出力信号の輝度レベルの関係は、直線２１よりも傾きの緩い直線２２のようなものとなる。反対に、平均輝度Ａｖが所定の基準よりも高い場合、入力信号と出力信号の輝度レベルの関係は、直線２１よりも傾きの急な直線２３のようなものとなる。また、図７から明らかなように、平均輝度Ａｖの値に拘わらず、入力信号における輝度レベルの最大値は、出力信号においても最大値となる。

したがって、画面が全体的に明るい（平均輝度Ａｖがより高い）画像ほど、コントラスト強調処理によって、輝度の低い部分がより暗く表示されることになる。

ステップＳ７において、画素読み出し部３は、フレームバッファ１に保持された１枚分の画像信号の全てを読み出したか否かを判定し、読み出していない画素があると判定した場合、次の画素を読み出すためにステップＳ３に戻る。これ以降、ステップＳ７において、フレームバッファ１に保持された１枚分の画像信号の全てが読み出されたと判定されるまで、ステップＳ３乃至Ｓ７の処理が繰り返されることになる。以上で、コントラスト強調処理の説明を終了する。

次に、図８は、図１に示された入力信号にコントラスト強調処理を施して得られる出力信号の輝度レベルを示している。ただし、図８において、横軸は時間ｔを示し、縦軸は入力信号または出力信号の輝度レベルを示す。また、縦軸の白レベルと黒レベルは、当該画像処理装置が組み込まれる液晶ディスプレイ等のダイナミックレンジ（ＤＬ）が固定されている白レベルと黒レベルである。

図１と図８を比較して明らかなように、図１の入力信号においては黒色で表示されるほどではなかった輝度の比較的低い部分（図８に波線で示す領域３１）が、図８の出力信号において輝度レベルが黒レベルまで低減されているので黒色として表示される。よって、画像の暗い部分がより暗く強調されることになる。また、図１の入力信号においては白色で表示された輝度レベルが最大値の部分（図８に波線で示す領域３２）は、図８の出力信号においても変化せず、白色で表示される。したがって、画面全体の明るさが損なわれることなく、画面のコントラストが強調されたことになる。

ところで、上述したコントラスト強調処理は、ハードウェアにより実行させることもできるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。コントラスト強調処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば図９に示すように構成される汎用のパーソナルコンピュータなどに、記録媒体６１からインストールされる。

このパーソナルコンピュータ５０は、CPU(Central Processing Unit)５１を内蔵している。CPU５１にはバス５４を介して、入出力インタフェース５５が接続されている。バス５４には、ROM(Read Only Memory)５２およびRAM(Random Access Memory)５３が接続されている。

入出力インタフェース５５には、ユーザが操作コマンドを入力するキーボード、マウス、リモートコントローラなどの入力デバイスよりなる入力部５６、画像等を表示するディスプレイ等からなる出力部５７、プログラムや画像信号等を格納するハードディスクドライブなどよりなる記憶部５８、およびLAN(Local Area Network)アダプタなどよりなり、インタネットに代表されるネットワークを介した通信処理を実行する通信部５９が接続されている。また、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、および半導体メモリなどからなる記録媒体６１に対してデータを読み書きするドライブ６０が接続されている。

このパーソナルコンピュータ５０にコントラスト強調処理を実行させるプログラムは、例えば記録媒体６１に格納された状態でパーソナルコンピュータ５０に供給され、ドライブ６０によって読み出されて記憶部５８に内蔵されるハードディスクドライブにインストールされている。記憶部５８にインストールされているプログラムは、入力部５６に入力されるユーザからのコマンドに対応するCPU５１の指令によって、記憶部５８からRAM５３にロードされて実行される。

なお、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に従って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。

入力信号の輝度レベルの一例を示す図である。 図１の入力信号に直流伝送補正を施した結果を示す図である。 図１の入力信号に直流伝送補正を施し、さらに白レベルを変更した状態を示す図である。 本発明を適用した画像処理装置の構成例を示すブロック図である。 輝度レベルと補正係数の関係の一例を示す図である。 コントラスト強調処理を説明するフローチャートである。 コントラスト強調処理が施される前後の輝度レベルの関係を示している。 図１の入力信号にコントラスト強調処理を施した結果を示す図である。 本発明を適用したパーソナルコンピュータの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ フレームバッファ， ２ 平均輝度検出部， ３ 画素読み出し部， ４ 補正係数決定部， ５ ルックアップテーブル保持部， ６ 補正信号生成部， ７ 加算部

Claims (4)

1. 画素の白レベルＷｌと黒レベルのダイナミックレンジが固定されているディスプレイに表示させる画像を処理する画像処理装置において、
   画像を構成する画素の輝度の平均値Ａｖを検出する平均値検出手段と、
   前記画像を構成する各画素に対して、ルックアップテーブルまたは関数を用いて、前記画素の輝度ｐに対応する補正係数Ｋｐを決定する補正係数決定手段と、
   各画素に対して、検出された平均輝度Ａｖ、および決定された前記補正係数Ｋｐに基づき、補正値Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ）を算出する補正値算出手段と、
   各画素の輝度の補正結果として、算出された前記補正値Ｃを前記画素の輝度ｐに加算する加算手段とを含み、
   前記補正値算出手段は、前記画素の輝度ｐが最大値である場合、前記補正値Ｃとして最大値である０を算出する
   画像処理装置。
2. 前記補正係数決定手段は、前記画素の輝度ｐが最大値である場合、前記補正係数Ｋｐを最大値である０に決定し、前記画素の輝度ｐが最小値である場合、前記補正係数Ｋｐを負の数である最小値に決定する
   請求項１に記載の画像処理装置。
3. 画素の白レベルＷｌと黒レベルのダイナミックレンジが固定されているディスプレイに表示させる画像を処理する画像処理装置の画像処理方法において、
   画像を構成する画素の輝度の平均値Ａｖを検出する平均値検出ステップと、
   前記画像を構成する各画素に対して、ルックアップテーブルまたは関数を用いて、前記画素の輝度ｐに対応する補正係数Ｋｐを決定する補正係数決定ステップと、
   各画素に対して、検出された平均輝度Ａｖ、および決定された前記補正係数Ｋｐに基づき、補正値Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ）を算出する補正値算出ステップと、
   各画素の輝度の補正結果として、算出された前記補正値Ｃを前記画素の輝度ｐに加算する加算ステップとを含み、
   前記補正値算出ステップは、前記画素の輝度ｐが最大値である場合、前記補正値Ｃとして最大値である０を算出する
   画像処理方法。
4. 画素の白レベルＷｌと黒レベルのダイナミックレンジが固定されているディスプレイに表示させる画像を処理する画像処理装置の制御用のプログラムであって、
   画像を構成する画素の輝度の平均値Ａｖを検出する平均値検出ステップと、
   前記画像を構成する各画素に対して、ルックアップテーブルまたは関数を用いて、前記画素の輝度ｐに対応する補正係数Ｋｐを決定する補正係数決定ステップと、
   各画素に対して、検出された平均輝度Ａｖ、および決定された前記補正係数Ｋｐに基づき、補正値Ｃ＝Ｋｐ・（Ａｖ／Ｗｌ）を算出する補正値算出ステップと、
   各画素の輝度の補正結果として、算出された前記補正値Ｃを前記画素の輝度ｐに加算する加算ステップとを含み、
   前記補正値算出ステップは、前記画素の輝度ｐが最大値である場合、前記補正値Ｃとして最大値である０を算出する
   処理を画像処理装置のコンピュータに実行させるプログラム。

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