JP4899321B2

JP4899321B2 - 画像信号処理方法、画像信号処理装置および画像表示装置

Info

Publication number: JP4899321B2
Application number: JP2005057255A
Authority: JP
Inventors: 和弘山田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: JP2005295513A

Description

本発明は、画像信号に対して非線形補正を施す画像信号処理方法、画像信号処理装置およびそれを用いた画像表示装置に関する。

人間の視覚特性は非線形であり、特に人間が感じる明るさの程度は図５に示すように輝度に対して対数関数的な特性を示す。また、ＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）の画像信号に対する表示輝度は、図６（ａ）に示したようにいわゆるガンマ特性をもつ。したがってＣＲＴを用いた表示装置においては、ガンマ特性と対数関数的な視覚特性とが打ち消しあって、人間が感じる明るさの程度は画像信号に対してほぼ線形な特性を示すことになる。

これに対して、近年登場したＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）やＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）等の表示装置はガンマ特性をもたず、図６（ｂ）に示したように画像信号に対する表示輝度は線形の特性をもっている。したがってこれらの表示装置においては、人間が感じる明るさの程度は画像信号に対して対数関数的な特性を示すことになる。そこで、画像信号に対して人間が感じる明るさの程度を線形な特性に戻すためには、画像信号に非線形補正を施す必要がある。その方法として、例えば図７に示したようにルックアップテーブル（以下、「ＬＵＴ」と略記する）を用いて非線形補正を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、このようなＬＵＴの入出力特性の一例を示す図である。ここで、「入力階調」は補正前の画像信号であって、ＬＵＴへの入力画像信号の信号レベルを「０」〜「２５５」までの２５６段階で表したものであり、「表示階調」は補正後の画像信号であって、ＬＵＴからの出力画像信号の信号レベルを、その最大値が「２５５」となるように規格化したものである。なお図８には、入力階調が「０」、「１０」、「２０」、・・・、「２５０」のときの表示階調についてのみ示している。
特開平１０−１５３９８３号公報

表示装置が暗所に設置されており周囲光等が無い場合においては、ＰＤＰ等のガンマ特性をもたない表示装置に対して入力階調に図８に示した非線形補正を施すと、入力階調と表示輝度との関係は図９（ａ）の特性線Ａで示したようにガンマ特性を示す。したがって、入力階調に対して人間が感じる明るさの程度は、図９（ｂ）の特性線Ｂで示したようにほぼ線形な特性となる。

しかし、明所においては、図９（ａ）の特性線Ｃで示すように周囲光の影響を受けて表示輝度が一様に上昇してしまうため、従来の非線形補正を施しても人間が感じる明るさの程度を線形な特性に戻すことができなくなる。図９（ｂ）の特性線Ｄはこのときの入力階調に対して人間が感じる明るさの程度を示しており、入力階調の低い部分において、階調の変化をはっきりと認識できなくなる。

これは人間の視覚特性に依存するものであり、以下のように考えることができる。暗所においては、図８に示した表示階調がそのまま表示輝度を示すものと仮定すると、入力階調が１０階調から２０階調に増加すると表示輝度は「０．２」から「０．９」に増加し、人間は明るさが４．５倍になったと感じる。ところが、明所においては、周囲光の影響で、例えば「３０」に相当する輝度分だけ表示輝度が上昇したと仮定すると、入力階調が１０階調から２０階調に増加しても表示輝度はそれぞれ「３０．２」から「３０．９」に増加するだけであり、人間には明るさの変化はほとんど感じられない。もちろん明るい画像の場合には、例えば暗所における２４０階調と２５０階調に対する表示輝度の比は２４４．１／２２３．２＝１．０９であり、明所における同表示階調の比、２７４．１／２５３．２＝１．０８と大きな差はなく、周囲光の影響を無視することができる。

このように、従来の非線形補正の方法によれば、表示装置が設置されている場所の周囲光の影響を受けるため、人間が感じる明るさの程度を線形な特性に戻すことができず、特に入力階調の低い、暗い画像において階調の変化を認識できなくなり、階調がつぶれてしまうという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、画像信号に対する表示輝度が線形の特性をもつ表示装置であっても、周囲光の影響を受けて表示装置の表示輝度が一様に上昇しても、画像信号に対して人間が感じる明るさの特性を線形とすることができる画像信号処理方法、画像信号処理装置およびそれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は表示装置に入力する画像信号に非線形補正を施す画像信号処理方法であって、人間の感じる明るさが補正前の画像信号に対してほぼ線形となるように、表示装置が設置される場所の明るさと表示装置が表示する最大輝度とに基づいて非線形補正の特性を変化させることを特徴とする。この方法によれば、ユーザが表示モードを切替えて表示装置の表示する最大輝度を変えても、人間が感じる明るさの程度を入力階調に対してほぼ線形な特性に戻すことができる。

また、本発明の画像信号処理方法の非線形補正は、補正前の画像信号のγ乗（γ＞１）に比例する画像信号を補正後の画像信号とし、表示装置が設置される場所の明るさが明るいほどγの値を小さい値に設定し、かつ表示装置の表示可能な最大輝度が高いほどγの値を大きな値に設定してもよい。この方法によれば、γの値を変えて非線形補正の特性を変化させることができる。

また、本発明は表示装置に入力する画像信号に非線形補正を施す画像信号処理装置であって、表示装置が設置される場所の明るさを検出する周囲光検出部と、周囲光検出部の検出結果および表示装置が表示する最大輝度を示す信号を入力するとともに補正前の画像信号に非線形補正を施して補正後の画像信号に変換する変換部とを備え、変換部は、非線形補正の特性がそれぞれ異なる複数のルックアップテーブルと、周囲光検出部の検出結果と表示装置が表示する最大輝度に基づき複数のルックアップテーブルの中から１つのルックアップテーブルを選択するルックアップテーブル選択部とを備え、非線形補正の特性は、人間の感じる明るさが補正前の画像信号に対してほぼ線形となるように設定されたことを特徴とする。この構成によれば、ユーザが表示モードを切替えて表示装置の表示する最大輝度を変えても、人間が感じる明るさの程度を入力階調に対してほぼ線形な特性に戻すことができる。

また、複数のルックアップテーブルとルックアップテーブル選択部との機能を演算処理装置を用いて実現した構成としてもよい。この構成によれば、少ない回路部品を用いて変換部を構成できる。

また、本発明の画像表示装置は、上記の画像信号処理装置を備えた画像表示装置である。この構成により、周囲光の影響を受けて表示装置の表示輝度が一様に上昇しても、画像信号に対して人間が感じる明るさの特性を線形とすることができる画像表示装置を提供することができる。

本発明によれば、周囲光の影響を受けて表示装置の表示輝度が一様に上昇しても、画像信号に対して人間が感じる明るさの特性を線形とすることができる画像信号処理方法、画像信号処理装置およびそれを用いた画像表示装置を提供することができる。

以下本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における画像表示装置１００の回路ブロック図である。画像信号処理装置１０１は入力画像信号、すなわち入力階調に非線形補正を施し表示装置１０３に出力する。表示装置１０３は、ＤＭＤやＰＤＰ等を用いた、ガンマ特性をもたない表示装置である。画像信号処理装置１０１は、周囲の明るさを検出する周囲光検出部１０４と、周囲の明るさに基づいて入力階調を非線形補正する変換部１０５とを備えている。

周囲光検出部１０４は、周囲の明るさを検出する光センサ１０６と、光センサ１０６からの検出信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部１０７とを有する。変換部１０５は、入力階調に非線形補正を施すための複数のＬＵＴ１０８_１〜１０８_４と、複数のＬＵＴ１０８_１〜１０８_４の中から周囲光検出部１０４の検出信号に基づいて１つのＬＵＴを選択するＬＵＴ選択部１１２とを有する。図１には４つのＬＵＴ１０８_１〜１０８_４を記載しているが、もちろんＬＵＴの数は４つに限られるものではなく、必要に応じて任意の数で構成することができる。一般的にはＬＵＴの数を増やすことにより、広い範囲の外周光に対応することができ、また、ＬＵＴ切替えに伴う表示輝度の変化を小さく設定することができる。

複数のＬＵＴ１０８_１〜１０８_４のそれぞれは、
（表示階調）＝Ｋ×（入力階調）^γ
にしたがって、入力階調に非線形補正を施す。ここで、ガンマ係数γは１より大きい値であり、ＬＵＴ毎にそれぞれ異なった値に設定されている。また係数Ｋは、表示階調の最大値を入力階調の最大値と等しくするための係数であり、
Ｋ＝（入力階調の最大値）^{（１−γ）}
で表される。

本実施の形態においては、ＬＵＴ１０８_１は周囲光等の無い暗所における非線形補正用のＬＵＴであり、ガンマ係数γを２．２に設定している。暗所においては、ＬＵＴ１０８_１を用いて入力階調に非線形補正を施して画像表示を行うと、入力階調と表示輝度との関係は、図２（ａ）の特性線Ａに示したようになる。そして、人間が感じる明るさの程度は、図２（ｂ）の特性線Ｂに示したように、入力階調に対してほぼ線形な特性を示すことになる。また、図２（ａ）の特性線Ｃに示すように、周囲光の影響を受けて表示輝度が一様に上昇した場合、暗所用のＬＵＴ１０８_１を用いて非線形補正を行えば、図２（ｂ）の特性線Ｄに示したように人間が感じる明るさの程度は線形性が損なわれ、入力階調の低い部分において階調がつぶれてしまう。したがってこの場合には、図２（ａ）の特性線Ｅに示すように、ガンマ係数γの小さいＬＵＴ１０８_４に切替えて非線形補正を施す。すると、人間が感じる明るさの程度を、図２（ｂ）の特性線Ｆに示したように、入力階調に対してほぼ線形な特性に戻すことができる。

なお、本実施の形態においては、４つのＬＵＴ１０８_１〜１０８_４のガンマ係数γをそれぞれ２．２、２．１、２．０、１．９と設定し、周囲光検出部１０４の検出結果に基づきそれらＬＵＴを切替えているが、本発明は、入力階調に施す非線形補正の特性を周囲光に応じて変化させるものであれば、他の構成を用いてもよい。例えば、複数のルックアップテーブルとルックアップテーブル選択部との機能をデジタルシグナルプロセッサ等の演算処理装置を用いて実現し、図３に示したように、変換部２０５として演算処理装置２００を用いて、画像信号と周囲光の検出信号とを入力し表示階調を出力する構成としてもよい。この構成によれば、少ない回路部品を用いて変換部を構成できる。

また、本実施の形態においては、ガンマ係数γの値を変えて非線形補正の特性を変化させているが、他の方法により非線形補正の特性を変化させてもよい。例えば、いろいろな周囲光に対して、人間の感じる明るさが補正前の画像信号に対して線形となるような補正特性を実測することによって非線形補正の特性を求めてもよい。こうすることで、画像信号に対する表示輝度がどのような特性をもつ表示装置であっても、人間の感じる明るさが補正前の画像信号に対して線形に感じることができる補正の特性を求めることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における画像表示装置３００の回路ブロック図である。実施の形態１と同じ回路ブロックには同一の符号を付して説明を省略する。実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、非線形補正の特性を周囲光に応じて変化させるだけでなく、表示装置１０３の表示モードにも依存して変化させている点である。例えばＰＤＰを用いた表示装置においてはその駆動原理上、表示できる階調の数（以下、「階調表示能力」と略記する）と表示できる最大輝度との間にはトレードオフの関係がある。そこで、表示装置１０３の表示モードとして「ダイナミックモード」、「スタンダードモード」、「シネマモード」等を設け、ユーザが好みの表示モードを選択することができるように設計されている。ここで、「ダイナミックモード」は階調表示能力をやや犠牲にして最大輝度を高めた表示モードであり、「シネマモード」は最大輝度を抑えて階調表示能力を高めた表示モードであり、「スタンダードモード」はそれらの中間的な表示モードである。

人間が感じる明るさの程度は上述したように周囲光の影響を受けるが、もちろん表示装置の表示する輝度に直接に影響される。そして、人間の感じる明るさの程度を入力階調に対して線形にするためには、周囲光だけでなく、表示装置の表示する最大輝度にも依存して非線形補正の特性を変化させる必要がある。

変換部３０５は、入力階調に非線形補正を施すための複数のＬＵＴ１０８_１〜１０８_１２と、複数のＬＵＴ１０８_１〜１０８_１２の中から周囲光検出部１０４の検出信号および表示装置１０３から出力される表示モード信号に基づいて１つのＬＵＴを選択するＬＵＴ選択部３１２とを有する。図４にはそれぞれの表示モードに対して４つのＬＵＴ、合計１２のＬＵＴを備えた構成を示したが、もちろんＬＵＴの数は必要に応じて任意の数で構成することができる。

そして同一の表示モードに対しては、周囲光が高くなるにつれてガンマ係数γの小さいＬＵＴに切替える。また、周囲光が同一の場合には、「ダイナミックモード」ではガンマ係数γの大きいＬＵＴに切替え、「シネマモード」ではガンマ係数γの小さいＬＵＴに切替える。

このように、周囲光だけでなく、表示装置の表示モードにも依存して非線形補正の特性を変化させることにより、ユーザが表示モードを切替えて表示装置の表示する最大輝度を変えても、人間が感じる明るさの程度を入力階調に対してほぼ線形な特性に戻すことができる。

なお、実施の形態２においては表示装置が表示する最大輝度を示す信号として表示装置１０３から出力される表示モード信号を用いたが、表示装置の表示する最大輝度を示す信号であれば他の信号でもよく、例えば補正前の画像信号のＡＰＬを用いてもよい。また、表示装置の最大輝度を示す信号として、表示モードを示す信号と画像信号のＡＰＬとの２つの信号を用いてもよい。

さらに、実施の形態２においても、変換部３０５として複数のＬＵＴを切替える構成を示したが、非線形補正の特性を変化させる構成であれば他の構成を用いてもよい。例えば、変換部３０５として、デジタルシグナルプロセッサ等の演算処理装置を用いて、画像信号と周囲光の検出信号と最大輝度を示す信号とを入力し表示階調を出力する構成としてもよい。

また、実施の形態２においても、非線形補正の特性を変化させる方法として、ガンマ係数γの異なる複数のＬＵＴを切替えたが、いろいろな周囲光および表示装置の最大輝度に対して、人間の感じる明るさの程度が入力階調に対して線形となるような補正特性を実測することによって非線形補正の特性を求めてもよい。

本発明の画像信号処理方法、画像信号処理装置および画像表示装置は、周囲光の影響を受けて表示装置の表示輝度が一様に上昇しても、画像信号に対して人間が感じる明るさの特性を線形とすることができるので、画像信号に対して非線形補正を施す画像表示装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における画像表示装置の回路ブロック図（ａ）は本発明の実施の形態１の画像信号補正方法における入力階調と表示輝度との関係を示す図、（ｂ）は入力階調と人間が感じる明るさの程度との関係を示す図本発明の実施の形態１における他の画像表示装置の回路ブロック図本発明の実施の形態２における画像表示装置の回路ブロック図輝度に対して人間が感じる明るさの程度を示す図（ａ）はＣＲＴの画像信号と表示輝度との関係を示す図、（ｂ）はＤＭＤ、ＰＤＰの画像信号と表示輝度との関係を示す図従来例における画像表示装置の回路ブロック図ルックアップテーブルの入出力特性の一例を示す図（ａ）は従来例の画像信号補正方法における入力階調と表示輝度との関係を示す図、（ｂ）は入力階調と人間が感じる明るさの程度との関係を示す図

１００，３００画像表示装置
１０１画像信号処理装置
１０３表示装置
１０４周囲光検出部
１０５，２０５，３０５変換部
１０８_１〜１０８_１２ＬＵＴ
１１２，３１２ＬＵＴ選択部
２００演算処理装置

Claims

表示装置に入力する画像信号に非線形補正を施す画像信号処理方法であって、
人間の感じる明るさが補正前の画像信号に対してほぼ線形となるように、前記表示装置が設置される場所の明るさと前記表示装置が表示する最大輝度とに基づいて前記非線形補正の特性を変化させることを特徴とする画像信号処理方法。
前記非線形補正は、補正前の画像信号のγ乗（γ＞１）に比例する画像信号を補正後の画像信号とし、
前記表示装置が設置される場所の明るさが明るいほど前記γの値を小さい値に設定し、かつ前記表示装置の表示可能な最大輝度が高いほど前記γの値を大きな値に設定することを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理方法。
表示装置に入力する画像信号に非線形補正を施す画像信号処理装置であって、
前記表示装置が設置される場所の明るさを検出する周囲光検出部と、
前記周囲光検出部の検出結果および前記表示装置が表示する最大輝度を示す信号を入力するとともに、補正前の画像信号に非線形補正を施して補正後の画像信号に変換する変換部とを備え、
前記変換部は、非線形補正の特性がそれぞれ異なる複数のルックアップテーブルと、前記周囲光検出部の検出結果と前記表示装置が表示する最大輝度に基づき前記複数のルックアップテーブルの中から１つのルックアップテーブルを選択するルックアップテーブル選択部とを備え、前記非線形補正の特性は、人間の感じる明るさが補正前の画像信号に対してほぼ線形となるように設定されたことを特徴とする画像信号処理装置。
前記複数のルックアップテーブルと前記ルックアップテーブル選択部との機能を演算処理装置を用いて実現したことを特徴とする請求項３に記載の画像信号処理装置。
請求項３または請求項４に記載の画像信号処理装置を備えた画像表示装置。