JP4949612B2 - デジタル表示パネルにおけるコントラストを向上させるための画像処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、フロントプロジェクションまたはバックプロジェクションシステムにより表示された映像画像のコントラストを向上するための画像処理方法に関する。本発明は、光バルブと当該光バルブの光源から構成される映像プロジェクタに適用することができる。光バルブは反射型あるいは透過型であってもよい。本発明には、特にＬＣＯＳ、ＬＣＤあるいはＤＬＰタイプのバルブを有する映像プロジェクタに適用可能である。

従来の光バルブを有する映像プロジェクタは、利用されるバルブ技術に依存した５００：１と１０００：１の間のコントラストを有する画像を現在生成することができる。デジタル映画や最高級のテレビ装置のようなある応用では、このコントラスト値は常に十分であるとは限らない。この値を向上させるために、既知の解決方法として、表示対象の画像のコンテンツに依存して、バルブに供給される光度を調節するというものがある。例えば、表示対象の画像が暗いシーンを示す場合にはバルブに供給される光度は抑えられる一方、この同一のバルブにより処理される映像信号のレベルはそれと全く比例して引き上げられる。これにより、映像信号のビット数が効果的に増やされるため、コントラストはより向上する。従って、テレビへの応用では常に重要な低グレイレベルに対して、高コントラストを達成することができる。

光度を調節するための従来技術の１つは、表示対象の画像においてピークグレイレベルＮＧ_ｍａｘを検出し、これをＮＧ_ＭＡＸ（８ビット符号化では２５５）で表示可能な最大グレイレベルと比較することからなり、
−グレイレベルＮＧ_ｍａｘがグレイレベルＮＧ_ＭＡＸの１／２以下である場合、対象画像に対してバルブに供給される光度は１／２とされ、バルブの制御回路に供給される映像信号の振幅は２倍され、
−グレイレベルＮＧ_ｍａｘがグレイレベルＮＧ_ＭＡＸの１／２以上である場合、バルブに供給される光度はそれのピーク値に保たれ、バルブの制御回路に供給される映像信号のレベルはそのままに維持される。

この技術は図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示される。図１Ａは、フレームＴ及びＴ＋１において表示される２つの画像の時間の関数として映像信号を示している。この信号は、バルブの制御回路に供給される。第１画像の電圧レベルＮＧ_ｍａｘは電圧レベルＮＧ_ＭＡＸ／２より低く、第２画像の電圧レベルＮＧ_ｍａｘは電圧レベルＮＧ_ＭＡＸ／２より高い。図２Ｂは、これら２つの画像のそれぞれに対してバルブに供給される光度（輝度）を示す。前に定義されたプロセスによると、それは第１画像に対してＬ_ｍａｘ／２、第２画像に対してＬ_ｍａｘに等しい。従って、第１画像の映像信号の電圧は２倍され、第２画像の電圧はそのままに維持される。これにより、暗い画像の映像レベルのレンダリングは向上される。

このテクニックは多くの欠点を有する。第１に、画素がＮＧ_ＭＡＸ／２を上回る場合、画像コントラストは向上しない。従って、画像が暗い背景上に１つの明るい点を有する場合、画像コントラストは向上されない。

さらに、ＮＧ_ＭＡＸ／２以下のグレイレベルＮＧ_ｍａｘを有する画像から、ＮＧ_ＭＡＸ／２以上のグレイレベルＮＧ_ｍａｘを有する画像への移行時、あるいはその反対の移行時には、光源内には（Ｌ_ｍａｘ／２からＬ_ｍａｘへの移行中、あるいはその反対への移行中）高い電流需要がある。最後に、バルブに供給される光を調節するための装置は、Ｌ_ｍａｘ／２からＬ_ｍａｘ、あるいはその反対への瞬時の切り替えができない。従って、移行時において、映像信号レベルは正しく調整されず、移行期間中ぼやけた画像領域が現れてしまう。

本発明は、上述の問題点のすべてあるいは一部が解決されることを可能にする画像処理方法を提供する。

本発明は、少なくとも１つの光源と、表示対象の画像の映像信号に依存して、前記光源により生成される光のすべてあるいは一部を透過または反射するための少なくとも１つの光バルブから構成される表示装置により表示される画像を処理する方法であって、以下のステップ：
−画像映像信号のピークグレイレベル値より低い第１閾値より高い画像映像信号のグレイレベルに圧縮係数Ｃを適用するステップと、
−前記光源により生成される光の光度を圧縮後の前記画像のピークグレイレベルに対応する輝度値に調整するステップと、
−前記光バルブに供給される前記映像信号と、圧縮前における前記画像のピークグレイレベル値の圧縮後における前記画像のピークグレイレベル値に対する比に等しい拡張係数Ｄとを掛け合わせるステップとからなることを特徴とする方法に関する。

従って、前記第１閾値を上回るグレイレベルの電圧ダイナミックレンジは圧縮され、これによりゲインされたダイナミックレンジが画像信号全体に再割り当てされる。

本発明はまた、光を生成する光源と、前記光源により生成された前記光のすべてあるいは一部を透過あるいは反射する光バルブと、前記光バルブを制御し、表示対象の画像の映像信号を受信し、前記表示対象の画像を表す制御信号を前記光バルブに供給する回路とを有する画像表示装置であって、前記制御回路は、
−画像映像信号のピークグレイレベル値より低い第１閾値より高い前記画像映像信号のグレイレベルに圧縮係数Ｃを適用する手段と、
−前記光源により生成された前記光の輝度を圧縮後における前記画像のピークグレイレベルに対応する輝度値に調整する手段と、
−前記光バルブに供給される映像信号と、前記圧縮前における画像のピークグレイレベルの前記圧縮後における画像のピークグレイレベルに対する比に等しい拡張係数Ｄとを掛け合わせる手段とからなることを特徴とする画像表示装置に関する。

本発明によると、限定数の画素（画像において最も高いグレイスケールを有する画素）のグレイレベルが圧縮され、電圧ダイナミックレンジにおけるゲインが画像全体に再割り当てされる。画像のより高いグレイレベルの圧縮は、光バルブに供給される光度の低下と、バルブに供給される映像信号のレベルの同一の割合の増大を可能にする。これにより、表示された画像のコントラストは向上する。

以下の説明において、ＮＧ_ｍａｘは表示対象の画像の圧縮前のピークグレイレベルを表し、ＮＧ’_ｍａｘは表示対象の画像の圧縮後のピークグレイレベルを表す。さらに、Ｌ（ＮＧ）はグレイレベルＮＧに関する輝度を表す。

本発明によると、以下のステップが実行される：
−圧縮係数ＣをＮＧ_１＜ＮＧ_ｍａｘである閾値ＮＧ_１より高い画像映像信号のグレイレベルに適用し、
−光源から生成される光の輝度を圧縮後の画像のピークグレイレベルＮＧ’_ｍａｘに対応する輝度値に調整し、
−光バルブに供給される映像信号の電圧レベルを、圧縮前の画像のピークグレイレベルＮＧ_ｍａｘの圧縮後の画像のピークグレイレベルＮＧ’_ｍａｘに対する比に等しい拡張係数Ｄと掛け合わせる。

一実施例によると、閾値ＮＧ_１は、例えば、画像中の画素数の所定割合であるＸに対して、画像中の上位Ｘパーセントの明るさの画素の中の、もっとも低いグレイレベルの値として定義される。１９２０×１０８０画素からなる画像に対して、例えば、Ｘは１０％あるいは１９２０×１０８０／１０画素に等しい。この閾値は、表示対象の画像により変化する。この閾値の計算例が、図５を参照して以下に説明される。この実施例では、閾値ＮＧ_１は、表示対象の画像がより明るいか、あるいはより暗いかに依存して、高くあるいは低くなる。好ましくは、閾値ＮＧ_１は、ＮＧ_ＭＡＸ／２以上に設定される。ここで、ＮＧ_ＭＡＸはパネルにより表示可能なピークグレイレベルである。

図２は、閾値ＮＧ_１を上回る画像中のグレイレベルへの圧縮係数Ｃの適用を示す。圧縮前の画像のグレイレベルを表す横座標と、圧縮後のグレイレベルを表す縦座標を有する。この図で、Ｃ＝（ＮＧ_ｍａｘ−ＮＧ_１）／（ＮＧ_２−ＮＧ_１）である。ただし、ＮＧ_２は圧縮後のピークグレイレベルＮＧ’_ｍａｘに対応する。

このより高いグレイレベルの圧縮は、ＮＧ_１を上回るグレイレベル間の輝度のギャップを抑えるという効果を有する。画像を表示するのに必要な光の輝度は、ＮＧ_１＜ＮＧ_２＜ＮＧ_ｍａｘなるグレイレベルＮＧ_２に通常関連付けされる輝度値に対応する値Ｌ（ＮＧ’_ｍａｘ）に低減される。

グレイレベルＮＧ_２がＮＧ_１に接近するほど、圧縮係数はより高い。一実施例によると、グレイレベルＮＧ_２は閾値ＮＧ_１の関数であってもよい。例えば、ＮＧ_２は、ＮＧ_１とＮＧ_ｍａｘの算術平均、すなわち、ＮＧ_２＝（ＮＧ_１＋ＮＧ_ｍａｘ）／２とされてもよい。

この場合、ＮＧ_ｍａｘに対するレベルＮＧ_１が低くなるに従い、レベルＮＧ_２もまた低くなり、輝度値Ｌ（ＮＧ’_ｍａｘ）＝Ｌ（ＮＧ_２）はより低くなる。

他の実施例によると、係数ＣはＮＧ_１の値とは無関係に一定とされてもよい。従って、ＮＧ_２はＮＧ_１に比例して増大していく。

光バルブに供給される光度の減少は（Ｌ（ＮＧ_ＭＡＸ）の代わりにＬ（ＮＧ_２）とされ、ここでＮＧ_ＭＡＸはスクリーンに表示可能なピークグレイレベル）、圧縮後の映像信号の振幅と、

に等しい拡張係数との乗算を可能にする。

本発明の方法が実現される映像プロジェクタが図３に示される。このプロジェクタは、光源１、光源１により生成される光度を表示対象の画像のコンテンツの関数として変調する光変調器２、及び光変調器２から出力される光をバルブ４に送り、バルブ４により生成される画像をレンズシステム６に送る光学系３を有する。光変調器２と光バルブ４は、表示対象の画像の映像信号Ｖ_ｉｎを受け取る制御回路５により制御される。制御回路５は、光バルブ４に供給される信号Ｖ_ｏｕｔと、光変調器２に供給される輝度値Ｌ（ＮＧ’_ｍａｘ）とを計算する。

本発明による方法を実現する制御回路６において実行されるステップを示すブロック図が図４に示される。

制御回路はまず、閾値ＮＧ_１を計算する。閾値ＮＧ_１の計算例が図５に与えられる。この図において、ＮＧはグレイレベルインデックスを示し、Ｂ_ＮＧは対象画像中のグレイレベルＮＧを有する画素数を示し、Ａ_ＮＧは、

（Ａ_ｍａｘは画像中の画素数に等しい）による

を満たす画素数を示す。

ＮＧ_１を定義するため、グレイレベルＮＧ＝ＮＧ_ｍａｘから始まり、ＮＧはＡ_ＮＧ＞ＸＡ_ｍａｘとなるまでデクリメントされる。ただし、Ｘは画像中の画素総数の割合を表す。例えば、１０％に等しい場合、ＮＧはＡ_ＮＧ＞Ａ_ｍａｘ／１０となるまでデクリメントされる。閾値ＮＧ_１は、得られた値ＮＧに等しくなるよう設定される。

図４を再び参照するに、制御回路はその後グレイレベルＮＧ_２の値を計算する。前述のように、ＮＧ_２は、例えば、ＮＧ_１とＮＧ_ｍａｘの算術平均に等しい。

グレイレベルＮＧ_２に通常関連付けされる値に対応する輝度値が光変調器２に送られる。従って、変調器２によりバルブ４に供給される光度は、この画像に対してＬ（ＮＧ’_ｍａｘ）に固定される。

制御回路５はまた、図３に示されるようなＮＧ_１を上回るグレイレベルを圧縮することにより、映像信号Ｖ_ｉｎを変換する。その後、この変換された信号は、より高いレベルにより使用されていない電圧ダイナミックレンジを画像信号全体に再割り当てするために、拡張係数Ｄ＝ＮＧ_ｍａｘ／ＮＧ_２と掛け合わされる。結果として得られる信号Ｖ_ｏｕｔが光バルブ４に供給される。従って、このようなＶ_ｉｎからＶ_ｏｕｔへの変換により、ＮＧ_１を上回るグレイレベルの電圧ダイナミックレンジがＮＧ_１を下回るグレイレベルを利用して圧縮されるのを可能にする。

本発明の方法の結果が、図１Ａから１Ｃと比較される図６Ａから６Ｃにおけるタイミング図により示される。図６Ａは図１Ａと同一である。図６Ｂは、光バルブ４に供給される光の輝度値を示す。フレームＴにおいて表示される画像はＮＧ_ＭＡＸ／２（ＮＧ_１の下限）より高いグレイレベルを含まないため、当該画像中のどのグレイレベルも圧縮されない。しかしながら、この画像の映像信号は、当該ケースでは２に近い拡張係数と掛け合わされる。すなわち、これはＮＧ_ＭＡＸ／２より高いグレイレベルを含むフレームＴ＋１の画像である。従って、この画像の最も高いグレイレベルが圧縮される。画像映像信号は、Ｔ画像のものより小さい拡張係数と掛け合わされる。

上記説明した以外のＮＧ_１とＮＧ_２の他の計算方法が本発明による方法の実現のため利用可能であるということは、当業者には明らかであろう。

図１Ａは、従来技術を示すタイミング図である。 図１Ｂは、従来技術を示すタイミング図である。 図１Ｃは、従来技術を示すタイミング図である。 図２は、本発明による閾値グレイレベルＮＧ_１を上回るグレイレベルの圧縮を示す。 図３は、本発明による方法が実現される映像プロジェクタの概略図である。 図４は、図３の映像プロジェクタの制御回路で実行される動作を示す。 図５は、その値を上回る画像のグレイレベルが圧縮されるような閾値の計算例を示す。 図６Ａは、図１Ａと比較される本発明による方法を示すタイミング図である。 図６Ｂは、図１Ｂと比較される本発明による方法を示すタイミング図である。 図６Ｃは、図１Ｃと比較される本発明による方法を示すタイミング図である。

符号の説明

１ 光源
２ 光変調器
３ 光学系
４ 光バルブ
５ 制御回路
６ レンズシステム

Claims (7)

1. 少なくとも１つの光源と、表示対象の画像の映像信号に依存して、前記光源により生成される光のすべてあるいは一部を透過または反射するための少なくとも１つの光バルブから構成される表示装置により表示される画像を処理する方法であって、
   第１閾値より大きな前記画像のグレイレベルの間の輝度の差を、前記第１閾値と前記画像の映像信号のピークグレイレベル値との間の圧縮前のグレイレベルを前記第１閾値と第２閾値との間の圧縮後のグレイレベルに線形変換することによって減少させるステップと、
   前記光源により生成される光の輝度を圧縮後の前記画像のピークグレイレベルに対応する輝度値に調整するステップと、
   前記光バルブに供給される前記映像信号と、圧縮前における前記画像のピークグレイレベル値の圧縮後における前記画像のピークグレイレベル値に対する比に等しい拡張係数とを掛け合わせるステップとからなり、
   前記第１閾値は、前記画像の映像信号のピークグレイレベル値より小さく、前記第２閾値は、圧縮後の前記ピークグレイレベルに等しく、前記第１閾値より大きく、前記画像の映像信号のピークグレイレベル値より小さいことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、前記第１閾値は前記表示対象の画像の上位Ｘ個の明るさの画素の最小グレイレベルに等しく、前記Ｘは前記画像の画素数の所定の割合であることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、前記第２閾値は前記第１閾値と前記表示装置による表示可能なピークグレイレベル値との算術平均値として選択されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３何れか一項記載の方法であって、前記第１閾値は前記表示装置により表示可能な最大グレイレベル値の１／２以上であることを特徴とする方法。
5. 光を生成する光源と、
   前記光源により生成された前記光のすべてあるいは一部を透過あるいは反射する光バルブと、
   前記光バルブを制御し、表示対象の画像の映像信号を受信し、前記表示対象の画像を表すための制御信号を前記光バルブに供給する回路とを有する画像表示装置であって、
   前記制御回路は、
   第１閾値より大きな前記画像のグレイレベルの間の輝度の差を、前記第１閾値と前記画像の映像信号のピークグレイレベル値との間の圧縮前のグレイレベルを前記第１閾値と第２閾値との間の圧縮後のグレイレベルに線形変換することによって減少させる手段と、
   前記光源により生成された前記光の輝度を圧縮後における前記画像のピークグレイレベルに対応する輝度値に調整する手段と、
   前記光バルブに供給される映像信号と、前記圧縮前における画像のピークグレイレベルの前記圧縮後における画像のピークグレイレベルに対する比に等しい拡張係数とを掛け合わせる手段とからなり、
   前記第１閾値は、前記画像の映像信号のピークグレイレベル値より小さく、前記第２閾値は、圧縮後の前記ピークグレイレベルに等しく、前記第１閾値より大きく、前記画像の映像信号のピークグレイレベル値より小さいことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項５記載の画像表示装置であって、前記光バルブは液晶バルブであることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項５記載の画像表示装置であって、前記光バルブはマイクロミラーバルブであることを特徴とする画像表示装置。

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