JP4966383B2

JP4966383B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP4966383B2
Application number: JP2010005219A
Authority: JP
Inventors: 野雄磨佐; 中亮助野; 場雅裕馬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011145405A; US8854295B2; US20110169873A1

Description

本発明は、複数の光源を有するバックライトを備えた液晶表示装置に関する。

液晶表示装置において、表示する映像のコントラストの向上や、消費電力の低減を目的として、映像信号に合わせてバックライトが発する光の強度を制御する技術について研究が行われている。特に、画面を複数の領域に分割し、領域毎に光源を配置し、映像信号に合わせて各領域の光源の強度を独立に制御する方法が一般的となっている。

しかしながら、光源の強度を制御する分割領域数は入力映像の画素数と比較して大幅に少ないため、夜景のような明暗混在する映像に対しては、光源の独立制御の結果、輝度むらや輝度変動といった画質劣化が発生するという問題があった。

輝度むらや輝度変動といった画質劣化に対する対策として、入力映像に対して、光源を制御する分割領域(以下、照明領域)内の最大輝度を当該照明領域の光源強度として算出し、隣接する照明領域間の光源強度差が許容値以下になるように、光源強度値を増加させる方向に補正するという方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。

特開２００８‐１２２７１３号公報

しかしながら、特許文献１では、全照明領域中の最大の光源強度値に合わせて、各照明領域の強度を増加させる方向に補正するので、輝度むらを低減するために照明領域の強度が全体的に高くなり光源が無駄に明るく発光するという問題がある。一方で、消費電力を低減するためには、隣接照明領域の強度差の閾値を大きくする必要があり、この場合、輝度むらや輝度変動の低減効果が不十分になるという問題があった。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、消費電力を抑制しながら、輝度むらや輝度変動を発生しない映像を表示することが可能な液晶表示装置を提供する。

発明を解決するための手段

本発明の一態様としての液晶表示装置は、
それぞれの光の強度を制御可能な複数の光源を有するバックライトと、
前記バックライトからの光を変調することで前記複数の光源に対応する複数の照明領域に映像を表示する液晶パネルと、
複数の画素の信号値を含む入力映像信号に基づき、前記照明領域毎の代表強度値を算出する強度値算出部と、
前記照明領域と前記照明領域の周囲の照明領域との位置関係に応じて定義された第１の重みを用いて前記複数の照明領域の前記代表強度値の平滑化処理を行い、平滑化された値が前記代表強度値よりも小さくなるほど大きな値となる第２の重みを前記照明領域毎に算出する重み算出部と、
前記第２の重みに基づき前記照明領域の前記代表強度値を補正して求まる補正強度値を、前記第１の重みを用いて前記平滑化処理することにより前記照明領域毎の光源強度値を算出する強度値補正部と
前記光源強度値で前記光源が発光したときの前記照明領域における光の強度分布を推定する強度分布推定部と、
前記強度分布に基づいて前記入力映像信号を補正して補正映像信号を求める信号補正部と、
前記光源強度値に応じた強度で前記光源が発光されるように制御する光源制御部と、
前記補正映像信号に従って前記液晶パネルの変調を制御する液晶制御部と、
を備える。

本発明によれば、明暗混在するような映像に対して、消費電力を大幅に増加させることなく、輝度むらや輝度変動といった画質劣化を抑制して、映像を表示することができる。

本発明の第１の実施形態の液晶表示装置を示す図。バックライトの詳細構成を示す図。液晶表示装置の動作の流れを示すフローチャート。第２の重みの算出方法を説明する図。関数の例を示す図。第１の実施形態の効果を説明する図。第１の実施形態の効果を説明する図。第２の実施形態に係るバックライトの詳細構成を示す図。本発明の第３の実施形態の液晶表示装置を示す図。照明領域と小領域の関係を示す図。第３の実施形態の効果を説明する図。第３の実施形態の効果を説明する図。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、互いに同様の動作をする構成や処理には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

[第１の実施形態]
図１は、本実施形態の液晶表示装置１００を示す図である。

液晶表示装置１００は、変換部１０２と、強度値算出部１０４と、重み算出部１０６と、強度値補正部１０８と、強度分布推定部１１０と、信号補正部１１２と、画像表示部１１８と、光源制御部１１４と、液晶制御部１１５と、を備えている。

画像表示部１１８は、それぞれ独立に強度を制御可能な複数の光源を有するバックライト１１９と、バックライト１１９からの光の透過率又は反射率を変調する液晶パネル１２０とを有する。光源制御部１１４はバックライト１１９における各光源の強度を制御する。液晶制御部１１５は、液晶パネル１２０を駆動制御する。本実施形態では、バックライト１１９における各光源が、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合を例にして説明を行う。

変換部１０２は、入力映像信号１０１を、ＲＧＢへのフォーマット変換及びガンマ変換して入力映像信号１０３を得る。なお、入力映像信号１０１が既にＲＧＢフォーマットの場合には変換は省略される。

ここでバックライト１１９における各光源の空間的な配置に基づいて、液晶パネル１２０の表示領域を仮想的に分割した領域を照明領域として定義する。すなわち照明領域は各光源の個数と同数存在し、各照明領域は、各光源のうちそれぞれ異なる光源（最も近傍に位置する光源）に対応づけられる。入力映像信号１０３の各画素の信号が各照明領域のうちいずれの領域に属するかはあらかじめ定義して、強度値算出部１０４に記憶させておく。

強度値算出部１０４は、入力映像信号１０３から照明領域毎に当該照明領域内の画素の強度値の代表値である照明領域強度値（代表強度値）１０５を算出する。

重み算出部１０６は、照明領域と照明領域の周囲の照明領域との位置関係（相対的位置）に応じて定義された第１の重みを用いて各照明領域の代表強度値を平滑化し、各照明領域のそれぞれの平滑化強度値が各々の代表強度値よりも小さくなるほど大きな値となる第２の重み１０７を各照明領域に対して算出する。なお、第１の重みは入力画像に依らず一定の値で、予めLUTに保存されているとする。

強度値補正部１０８は、上述の第１の重みと、第２の重み１０７とに基づき照明領域強度値１０５を補正して、各照明領域のそれぞれに対する光源強度値１０９を算出する。より詳細に、強度値補正部１０８は、各照明領域の第２の重み１０７に基づき各々の代表強度値を補正した強度値（補正強度値）を上記第１の重みを用いて平滑化し（重み算出部１０６と同様の方法で平滑化し）、各照明領域の平滑化された値を、各々に対する光源強度値として得る。

強度分布推定部１１０は、光源強度値１０９に従ってバックライト１１９が光を液晶パネル１２０に照射した際に液晶パネル１２０の各画素位置に入射する光の強度(以下、強度分布と記載)１１１を推定する。

信号補正部１１２は、液晶の透過率または反射率を補正するために、強度分布１１１に従って入力映像信号１０３を補正した補正映像信号１１３を求める。

光源制御部１１４は、光源強度値１０９に応じた強度で各光源が発光するように制御するための光源強度制御信号１１６を生成し、光源強度制御信号１１６をバックライト１１９に送る。

バックライト１１９は光源制御部１１４からの光源強度制御信号１１６に従って各光源を発光させる。

液晶制御部１１５は、補正映像信号１１３に従って各画素の液晶の透過率又は反射率を制御するための液晶制御信号１１７を生成し、液晶制御信号１１７を液晶パネル１２０に送る。

液晶パネル１２０は、液晶制御部１１５からの液晶制御信号１１７に従って各画素の液晶の透過率又は反射率を設定して、バックライト１１９からの発光を変調することにより、補正映像信号１１３に応じた映像を表示領域（各照明領域）に表示する。

図２は、バックライト１１９の詳細構成を示す図である。

バックライト１１９は、複数個の白色光源１２１を備えている。それぞれの光源は、発光強度を独立に制御することが可能である。なお、図２はバックライトの構成の1例であり、その他の構成であってもよい。

次に、本実施形態の液晶表示装置１００の動作の詳細について説明する。

図３は、本実施形態の液晶表示装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。

まず、変換部１０２は入力映像信号１０１の各画素の信号をRGBフォーマットの信号に変換する。その後、各画素の色成分毎の階調値S_inに対して式(１)のガンマ変換を行いL_inに変換する。

γはガンマ係数を表す。また、予め入力される階調値とガンマ変換後の階調値とを対応付けたルックアップテーブルを用意しておき、参照することでガンマ変換演算を行ってもよい。入力映像信号１０１の全画素のR・G・Bの値に対して上記の変換を行い、ガンマ変換された入力映像信号１０３を得る（S２０１）。

次に、強度値算出部１０４は、入力映像信号１０３の各画素に対してＲ，Ｇ，Ｂの信号値の最大値を算出し当該画素の強度値とする。本実施形態では、R,G,Bの信号値の最大値を当該画素の強度値としたが、R,G,Bの信号値の平均値やR,G,Bの信号値をY,U,V信号に変換したYを当該画素の強度値としても良い。強度値算出部１０４はさらに、各照明領域内の画素の強度値の最大値を算出し照明領域強度値（代表強度値）１０５とする（S２０２）。本実施形態では、照明領域強度値１０５は照明領域内の画素の強度値の最大値としたが、照明領域内の画素の明度の最大値と最小値の中心値に定数を乗じた値、照明領域内の画素の強度値の平均値や最頻値や中央値でもよい。

次に、重み算出部１０６は各照明領域とその周辺の照明領域との位置関係に応じて定義された第１の重みを用いて、各照明領域の照明領域強度値を平滑化し、照明領域の平滑化強度値がその照明領域強度値よりも小さくなるほど大きな値となる第２の重み１０７を照明領域ごとに算出する（S２０３）。

図４を用いて、第２の重みの算出方法を具体的に説明する。図4の例では、表示領域が、横方向に8個、縦方向に4個の、計３２個の照明領域からなる場合を考える。照明領域強度値１０５をBL(m,n)と表現する。ただし、mは照明領域の水平方向のインデックスであり、nは垂直方向のインデックスを示し、当該照明領域を照明領域(m,n)と表現する。

重み算出部１０６はまず、照明領域強度値BL(m,n)に対して、予め保持してある空間的な重みである第１の重みw1のみを用いて空間的平滑化処理を行う。照明領域強度値BL(m,n)に対して、平滑化された当該照明領域の強度値をBL_LPF(m,n)とする。BL_LPF(m,n)は、照明領域強度値BL(m,n)と第１の重みw1を用いて、式（2）のように算出される。すなわち着目する照明領域(m,n)と周辺の照明領域との相対位置関係に応じて、水平方向のサイズＨ, 垂直方向のサイズＶの行列の各要素に第１の重みw1を格納したフィルタに基づき、着目する照明領域(m,n)と周辺の照明領域とにおける各照明領域強度値の重み付け合計を計算することで、照明領域強度値BL(m,n) の平滑化処理を行う。平滑化処理はすべての照明領域（ｍ＝０〜７、ｎ＝０〜３）の照明領域強度値に対してそれぞれ行う。

ただし、H、Vはそれぞれ平滑化フィルタの水平方向と垂直方向のサイズである。

次に、平滑化前後のBL(m,n)とBL_LPF(m,n)を比較し、平滑化処理による強度値の低下度合いを示す値G(m,n)を式(３)のように算出する。

図4の例では、照明領域(3,1)の強度値は平滑化によって低下しており、BL(3,1)>BL_LPF(3,1)であるため、

となる。一方で、照明領域(5,1)の輝度値は、平滑化によって増加しており、BL(5,1)≦BL_LPF(5,1)であるため、G(5,1)=1となる。

重み算出部１０６は、さらに、式（４）に示すように、空間的な平滑化による強度の低下度合いを表すG(m,n)を関数Fに入力することで出力w2(m,n)を各照明領域のそれぞれに関して算出する。この出力w2(m,n)が、強度値の低下に対する重みである第２の重み１０７となる。重み算出部１０６は、各照明領域のそれぞれについて算出した第２の重み１０７（w2(m,n)）を強度値補正部１０８に送る。
w2(m,n)=F(G(m,n)) （４）

図５に関数Fの例を示す。最小値１から最大値Xmaxまでの範囲内の値を有するG(m,n)は、関数Fの３０１〜３０３に例示するような様々な入出力特性のうちの１つによってw2(m,n)に変換される。関数Fの入出力特性は線形であっても非線形であってもよく、出力F(G(m,n))は入力の最大値であるXmaxを超えても良い。ただし関数Ｆは単調増加であるとする。関数３０１は、入力されたG(m,n)をそのままw2(m,n)として出力する関数である。関数３０２は、入力されたG(m,n)を小さくして出力する関数であり、関数３０３は入力されたG(m,n)を大きくして出力する関数である。関数３０１の場合は、入力されるG(m,n)と、出力されるw2(m,n)の値が同じであることから、関数を用いることなく、計算されたG(m,n)をそのままw2(m,n)として取得してもよい。どの関数を使用するのかは、たとえば使用するバックライトの特性等に応じてあらかじめ設計の段階で決定することが考えられる。

図５の例では関数FによってG(m,n)をw2(m,n)に変換したが、G(m,n)とF(m,n)とを対応づけたルックアップテーブルを用意しておき、参照することでw2(m,n)を算出しても良い。

以上のように、照明領域の照明領域強度値を空間的に平滑化して得られる値は、当該照明領域の照明領域強度値と周辺照明領域の照明領域強度値との大小関係によって変化する。このため、空間的平滑化による強度値の低下の度合いG(m,n)を算出することで、各照明領域とその周辺の照明領域の照明領域強度値の相対関係を見積もることが可能である。その結果、当該照明領域の照明領域強度値に対して、周辺照明領域の照明領域強度値が大きい場合は、平滑化による強度値の低下はないので、重みw2(m,n)は小さくなる。逆に、周辺照明領域の照明領域強度値が小さいほど、平滑化による当該照明領域の強度値の低下が大きくなるため、重みw2(m,n)は大きくなる。

次に、強度値補正部１０８は、前述の第１の重みw１と、重み算出部１０６で算出された第２の重み１０７とを用いて、各照明領域の照明領域強度値１０５を補正して、光源強度値１０９をそれぞれ算出する（S２０４）。

照明領域強度値１０５の補正方法を具体的に説明する。強度値補正部１０８は、式（５）に示すように、照明領域強度BL(m,n)に対して、第１の重みw1と第２の重みw2を用いて、空間的平滑化を行うことで、光源強度値BL_out(m,n)を算出する。すなわち、各照明領域の照明領域強度値をそれぞれの第２の重みw2で重み付け（乗算）した上で、先に示した式（２）と同様にして、第１の重みw1を用いた平滑処理を行う。強度値補正部１０８は、各照明領域（図４ではｍ＝０〜７、ｎ＝０〜３）についてそれぞれ算出した光源強度値１０９BL_out(m,n)を、強度分布推定部１１０と光源制御部１１４に送る。

強度分布推定部１１０は、各光源が各々の光源強度値１０９に従って光を液晶パネル１２０に照射した際における液晶パネル１２０の各画素位置に入射する光の強度分布１１１を推定する（S２０５）。具体的には、各照明領域の光源強度値１０９と、予め与えられている光源の発光強度分布を式(６)に示すように畳み込み演算することで、各位置(x,y)における光源の強度分布１１１であるW(x,y)を求めている。

ただし、M、Nはそれぞれ発光強度分布の水平方向と垂直方向のサイズであり、BL_out(x,y)は、座標(x,y)が含まれる領域の光源強度、P(i,j)は位置(i,j)における発光強度分布の強度値を示す。また、画像の外郭部にあたる領域に関しては、光源強度値１０９を鏡面反射させることで、式(６)の畳み込み演算を行い、光源強度分布１１１であるW(x,y)を求めている。

強度分布推定部１１０で算出された光源強度分布１１１は、信号補正部１１２に入力される。

次に、信号補正部１１２は、強度分布１１１に従って、入力映像信号１０３を補正して補正映像信号１１３を求める（S２０６）。入力映像信号１０３中の位置(x,y)の画素のＲＧＢの値をそれぞれR_in(x,y),G_in(x,y),B_in(x,y)とする。一般に、液晶パネル１２０上で表示されるRGBの値D_R(x,y),D_G(x,y),D_B(x,y)は、強度分布１１１の(x,y)における強度値W(x,y)の下で、液晶パネル１２０の色成分毎の透過率 T_R(x,y),T_G(x,y),T_B(x,y)を使用して式(７)のように表される。
D_R(x,y)=T_R(x,y)×W(x,y)
D_G(x,y)=T_G(x,y)×W(x,y) （７）
D_B(x,y)=T_B(x,y)×W(x,y)
D_R(x,y)=R_in(x,y), D_G(x,y)=G_in(x,y), D_B(x,y)=B_in(x,y)であるので、R_in(x,y),G_in(x,y),B_in(x,y)は式（８）のように表現される。
R_in(x,y)=T_R(x,y)×W(x,y)
G_in(x,y)=T_G(x,y)×W(x,y) （８）
B_in(x,y)=T_B(x,y)×W(x,y)
従って、R_in(x,y),G_in(x,y),B_in(x,y)を表示するための補正透過率R_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y)は、式(９)のように算出される。

透過率の補正は、式(９)によって行っても良いし、予め入力階調値と光源強度分布の値と透過率とを対応付けたルックアップテーブルを用意しておき、参照することで補正透過率を求める構成であってもよい。

補正透過率(R_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y))によって、液晶パネル１２０に表示される補正映像の階調値を(R_out(x,y),G_out(x,y),B_out(x,y))とする。補正映像の階調値R_out(x,y)は式（１０）のように補正透過率R_TR(x,y)を逆ガンマ変換することで求められる。（G_out(x,y)、B_out(x,y)についても同様。）

(R_out(x,y),G_out(x,y),B_out(x,y))が、液晶パネル１２０上で表示可能な範囲を超える場合、(R_out(x,y),G_out(x,y),B_out(x,y))は、表示可能な範囲の最大値(R_outMAX, G_outMAX, B_outMAX)に固定される(以下、クリッピング処理と称する)。

したがって、クリッピング処理を考慮した階調値（補正した階調値）を(R’_out(x,y), G’_out(x,y), B’_out(x,y))とすると、(R’_out(x,y), G’_out(x,y), B’_out(x,y))は以下の式で求めることができる。
R_out ＞R_outMAXのとき R’_out(x,y)＝R_outMAX
G_out ＞G_outMAXのときＧ’_out (x,y)＝Ｇ_outMAX
B’_out＞B_outMAXのときＢ’_out (x,y)＝Ｂ_outMAX
また、
R_out≦R_outMAXのとき R’_out(x,y)＝R_out (x,y)
G_out≦G_outMAXのときＧ’_out (x,y)＝Ｇ_out (x,y)
B’_out≦B_outMAXのときＢ’_out (x,y)＝Ｂ_out (x,y)
なお、階調値に対して、
（１）曲線的で高い値であるほど曲線の傾きがゆるやかであるような階調特性や、
（２）階調値が小さい場合には直線的で、階調値が大きい場合には曲線的でかつ高い値であるほど曲線の傾きがゆるやかになるような階調特性
に従って、階調値(R_out(x,y),G_out(x,y),B_out(x,y))を表示可能な範囲に丸めて階調補正しても良い。また、本実施形態では、色成分毎について独立に階調を補正しているが、入力映像信号のRGBの比率を保持して表示出来るように、色成分毎の色比率を保持して階調を補正しても良い。

信号補正部１１２は、各画素の補正された階調値(R’_out(x,y), G’_out(x,y), B’_out(x,y))を、補正映像信号１１３として液晶制御部１１５に送る。

液晶制御部１１５は、信号補正部１１２からの補正映像信号１１３に基づき各画素の液晶の透過率を制御するための液晶制御信号１１７を生成して液晶パネル１２０に送り、液晶パネル１２０は、液晶制御信号１１７に従って各画素における液晶の透過率を設定する（Ｓ２０７）。光源制御部１１４は、強度値補正部１０８から受けた光源強度値１０９に示される強度で各光源を発光させるための光源強度制御信号１１６を生成してバックライト１１９に送り、バックライト１１９は光源強度制御信号１１６に従って各光源を発光させる（S２０７）。各光源から照射された光は液晶パネル１２０の各画素でそれぞれの透過率に応じて変調され、これにより補正映像信号１１３に応じた映像が液晶パネル１２０の表示領域に表示される（Ｓ２０７）。

ここで、本実施形態の効果について説明する。照明領域の例として、図6に示すような６ｘ６の照明領域を考える。図6中で、各照明領域中の数値は、各照明領域の照明領域強度値（代表強度値）であるとする。

図6(a)のような照明領域強度値が存在する場合に、ガウシアンフィルタを用いて平滑化を行うと、平滑化後の強度値は図6(b)のようになる。ただし、ガウシアン係数（第１の重み）は図６(h)のような係数を使用している。図6(b)において中央の照明領域の強度値(２５５)が大幅に低下している。また元の強度値が50だった照明領域は強度値が増加し、中央から外へ向かうにつれて滑らかに強度値が変化している。このようにガウシアンフィルタに代表される空間的重みのみを使用して平滑化を行う場合、図6(a)の例に示すような強度値の低い暗い照明領域が支配的で一部に強度値の高い明るい照明領域が混在するような場合は、平滑化によって明るい照明領域の強度値が大幅に低下することとなり、この強度値の低下が原因となって、階調潰れや色ずれといった画質劣化が生じる。

また、従来方式(特許文献1)を用いて平滑化した場合を考える。従来方式では、隣接照明領域の強度値の差または比率を閾値以内におさめるように各照明領域の強度値を増加させる方向に補正する。図6(c)に、補正後の最外郭の照明領域の強度値が元の強度値と同レベル(５０〜５１)になるように、差分閾値Aを使用して、各照明領域の強度値を補正した場合の結果を示す。同様に、図6(d)に、最外郭の照明領域の強度値が元の強度値と同レベル(５０〜５１)になるような比率閾値Bを使用して強度値を補正した場合の結果を示す。

これに対して、本実施形態（提案方式）に従って各照明領域の強度値を補正した結果を図６(g)に示す。ただし、提案方式は、照明領域の空間的位置に基づく第１の重みは図6(h)のガウシアン係数を使用している。図７(a)に、図６(c)、図６(d)および図６(g)の垂直方向３ライン目の水平方向の照明領域の強度の変化を示す。図７(a)について、従来方式は、差分閾値を用いても比率閾値を用いても、照明領域間の強度が等差もしくは等比に変化するため、中央の照明領域の強度(最大値)から最外郭の照明領域の強度(最小値)までの強度の変化が急峻になる。一方で、提案方式は、中央の照明領域の強度(最大値)が大幅に低下することなく、その周りの照明領域の強度は増加し、中央の照明領域からの距離に応じて滑らかに強度が変化することがわかる。

もう１つの例として、提案方式による最外郭の照明領域の補正強度(図６(g)では“７４”)と従来法による最外郭の照明領域の補正強度が同等のレベルになるような差分閾値Cと比率閾値Dで、従来法により各照明領域の強度を補正した結果を図６(e)、図6(f)にそれぞれ示す。図６(e)、図６(f)、図６(g)の垂直方向３ライン目の水平方向の照明領域の強度の変化を図７(b)に示す。図7(b)について、各方式で最外郭の照明領域の強度は同等だが、従来方式は差分閾値Cと比率閾値Dのいずれを用いても、中央の照明領域と最外郭の照明領域との間の強度が等差もしくは等比で変化するため、全体的に強度が高くなる傾向がある。これに対して、提案方式は、中央の照明領域の強度が大幅に低下することなく、最外郭照明領域の強度までなめらかに各照明領域の強度が変化するので、光源の冗長な発光を抑えることが可能である。

以上、本実施形態によれば、明暗が混在するような入力画像に対して、強度値の高い照明領域の強度値を大幅に低下させることなくかつ強度値の低い照明領域の強度値が高くなり過ぎることなく、各照明領域の強度を平滑化し、低消費電力で輝度むらが発生しない画像や映像を表示することが可能になる。

[第２の実施形態]
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の構成において、バックライト１１９における各光源が、それぞれ複数色の色光源を持ち、各色光源は独立に制御可能である場合を示す。図８は本実施形態に係るバックライト１１９を示したものである。第１の実施形態では図２に示したように、バックライト１１９におけるすべての光源において発光する色は白色であった。これに対し、本実施形態では、光源１２２ごとにR光源１２３、G光源１２４、B光源１２５を有し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色光源の強度を個別に制御することが可能である。なお、本実施形態では光源がRGB３色だが、光源が４色以上であっても良い。

第１の実施形態と同様に、本実施形態でも、バックライト１１９における各光源１２２の空間的な配置に基づいて、液晶パネル１２０の表示領域を仮想的に分割した領域を照明領域として定義する。各照明領域は、各光源１２２のうちそれぞれ異なる光源（最も近傍に位置する光源）に対応づけられる。

強度値算出部１０４は、入力映像信号１０３の照明領域内の画素の信号値から色成分毎の最大値を、各色光源の照明領域強度値（代表強度値）１０5として算出する。照明領域内の各色成分の照明領域強度値（代表強度値）は、照明領域内の画素の明度の最大値と最小値の中心値に定数を乗じた値、照明領域内の画素の強度値の平均値や最頻値や中央値でもよい。

重み算出部１０６は各色成分について、照明領域と照明領域の周囲の照明領域との位置関係に応じて定義された第１の重みを用いて各照明領域の代表強度値を平滑化し、各照明領域のそれぞれの平滑化強度値が各々の代表強度値よりも小さくなるほど大きな値となる、各色成分の第２の重み１０７を照明領域ごとに算出する。具体的な重みの算出方法については第１の実施形態と同様である。

強度値補正部１０８は、上述の第１の重みと、重み算出部１０６で各色成分について算出された第２の重み１０７とを用いて、照明領域の各色成分の強度値を補正し、光源強度値１０９を算出する。具体的な強度値の補正方法は第１の実施形態と同様である。

強度分布推定部１１０は、光源強度値１０９に応じた強度でバックライト１１９が光を液晶パネル１２０に照射した際に液晶パネル１２０の各画素位置に入射する各色成分の光の強度分布１１１を推定する。具体的には、各照明領域の光源強度値１０９と、予め与えられた光源の発光強度分布を式(１１)に示すように畳み込み演算することで、各位置(x,y)における各色成分の光源の強度分布１１１であるR_BL(x,y),G_BL (x,y),B_BL (x,y)を求める。

ただし、M、Nはそれぞれ発光強度分布の水平方向と垂直方向のサイズであり、BL_Rout(x,y),BL_Gout(x,y),BL_Bout(x,y)は、座標(x,y)が含まれる領域の各色成分の光源強度、P_R(i,j),P_G(i,j),P_B(i,j)は、位置(i,j)における各色成分の発光強度分布の強度値を示す。また、画像の外郭部にあたる領域に関しては、光源強度値１０９を鏡面反射させることで、式(１１)の畳み込み演算を行い、光源強度分布１１１であるR_BL(x,y),G_BL (x,y),B_BL (x,y)を求める。強度分布推定部１１０で算出された光源強度分布１１１は、信号補正部１１２に入力される。

信号補正部１１２は、強度分布１１１に従って、入力映像信号１０３を補正して補正映像信号１１３を求める。入力映像信号１０３中の位置(x,y)の画素のＲＧＢの値をそれぞれR_in(x,y),G_in(x,y),B_in(x,y)とする。一般に、液晶パネル１２０上で表示されるRGBの値D_R(x,y),D_G(x,y),D_B(x,y)は、強度分布１１１の(x,y)における強度値R_BL(x,y),G_BL (x,y),B_BL (x,y)の下で、液晶パネル１２０の色成分毎の透過率 T_R(x,y),T_G(x,y),T_B(x,y)を使用して式(１２)のように表される。

ただし、係数k１１〜ｋ３３は、光源強度R_BL(x,y),G_BL(x,y),B_BL(x,y)の下で、液晶パネル１２０の各色成分の透過率を最大にした際の
ｋ１１：サブピクセルRを透過する光のR成分の強度。
ｋ１２：サブピクセルGを透過する光のR成分の強度。
ｋ１３：サブピクセルBを透過する光のR成分の強度。
ｋ２１：サブピクセルRを透過する光のG成分の強度。
ｋ２２：サブピクセルGを透過する光のG成分の強度。
ｋ２３：サブピクセルBを透過する光のG成分の強度。
ｋ３１：サブピクセルRを透過する光のB成分の強度。
ｋ３２：サブピクセルGを透過する光のB成分の強度。
ｋ３３：サブピクセルBを透過する光のB成分の強度。
を表す。

D_R(x,y)=R_in(x,y), D_G(x,y)=G_in(x,y), D_B(x,y)=B_in(x,y)であるので、R_in(x,y),G_in(x,y),B_in(x,y)を表示するための液晶パネル１２０の補正透過率をR_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y)とすると、(R_in(x,y),G_in(x,y),B_in(x,y))と(R_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y))の関係は、式(１３)のように表さる。

従って、(R_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y))は式(１４)のように算出される。

透過率の補正は、式(１４)によって求めても良いし、予め入力階調値と光源強度分布の値と透過率とを対応付けたルックアップテーブルを用意しておき、参照することで透過率を求める構成であってもよい。また、式（１２）では、液晶パネル１２０上で表示される信号をRGB各成分のD_R(x,y),D_G(x,y),D_B(x,y)で表現したが、液晶パネル１２０上で表示される信号をXYZ成分でD_X(x,y),D_Y(x,y),D_Z(x,y)と表現するとD_X(x,y),D_Y(x,y),D_Z(x,y)は、強度分布１１１の(x,y)における強度値R_BL(x,y),G_BL (x,y),B_BL (x,y)の下で、液晶パネル１２０の色成分毎の透過率 T_R(x,y),T_G(x,y),T_B(x,y)を使用して式(１２)’のように表される。

ただし、係数ｌ１１〜ｌ３３は、光源強度R_BL(x,y),G_BL(x,y),B_BL(x,y)の下で、液晶パネル１２０の各色成分の透過率を最大にした際の
ｌ１１：サブピクセルRを透過する光のX成分の強度。
ｌ１２：サブピクセルGを透過する光のX成分の強度。
ｌ１３：サブピクセルBを透過する光のX成分の強度。
ｌ２１：サブピクセルRを透過する光のY成分の強度。
ｌ２２：サブピクセルGを透過する光のY成分の強度。
ｌ２３：サブピクセルBを透過する光のY成分の強度。
ｌ３１：サブピクセルRを透過する光のZ成分の強度。
ｌ３２：サブピクセルGを透過する光のZ成分の強度。
ｌ３３：サブピクセルBを透過する光のZ成分の強度。
を表す。
D_X(x,y)=X_in(x,y), D_Y(x,y)=Y_in(x,y), D_Z(x,y)=Z_in(x,y)とすれば、X_in(x,y),Y_in(x,y),Z_in(x,y)を表示するための液晶パネル１２０の補正透過率をR_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y)とすると、(X_in(x,y),Y_in(x,y),Z_in(x,y))と(R_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y))の関係は、式(１３)‘のように表さる。

透過率の補正は、式(１４) ’によって求めても良いし、予め入力階調値と光源強度分布の値と透過率とを対応付けたルックアップテーブルを用意しておき、参照することで透過率を求める構成であってもよい。本実施の形態では、光源がRGBの3色の場合について説明しているが、式（１２）’〜（１４）’のように映像信号をXYZ空間で表現すれば、光源が４色以上であっても、各色の光源強度から補正透過率を算出することは可能である。

補正透過率(R_TR(x,y),G_TR(x,y),B_TR(x,y))によって、液晶パネル１２０に表示される補正映像の階調値を(R_out(x,y),G_out(x,y),B_out(x,y))とする。補正映像の階調値R_out(x,y)は式（１５）のように補正透過率R_TR(x,y)を逆ガンマ変換することで求められる。（G_out(x,y)、B_out(x,y)についても同様。）

(R_out(x,y),G_out(x,y),B_out(x,y))が、液晶パネル１２０上で表示可能な範囲を超える場合、(R_out(x,y),G_out(x,y),B_out(x,y))は、表示可能な範囲の最大値(R_outMAX, G_outMAX, B_outMAX)に固定される(以下、クリッピング処理)。

したがって、クリッピング処理を考慮した階調値（補正された階調値）を(R’_out(x,y), G’_out(x,y), B’_out(x,y))とすると、(R’_out(x,y), G’_out(x,y), B’_out(x,y))は以下の式で求めることができる。
R_out ＞R_outMAXのとき R’_out(x,y)＝R_outMAX
G_out ＞G_outMAXのときＧ’_out (x,y)＝Ｇ_outMAX
B’_out＞B_outMAXのときＢ’_out (x,y)＝Ｂ_outMAX
また、
R_out≦R_outMAXのとき R’_out(x,y)＝R_out (x,y)
G_out≦G_outMAXのときＧ’_out (x,y)＝Ｇ_out (x,y)
B’_out≦B_outMAXのときＢ’_out (x,y)＝Ｂ_out (x,y)
なお、階調値に対して、
（１）曲線的で高い値であるほど曲線の傾きがゆるやかであるような階調特性や、
（２）階調値が小さい場合には直線的で、階調値が大きい場合には曲線的でかつ高い値であるほど曲線の傾きがゆるやかになるような階調特性に従って、階調値を表示可能な範囲に丸めて階調補正しても良い。また、本実施形態では、色成分毎について独立に階調を補正しているが、入力映像信号のRGBの比率を保持して表示出来るように、色成分毎の色比率を保持して階調を補正しても良い。

液晶制御部１１５は、信号補正部１１２からの補正映像信号１１３に基づき各画素の液晶の透過率を制御するための液晶制御信号１１７を生成して液晶パネル１２０に送ることにより液晶パネル１２０の変調を制御する。液晶パネル１２０では液晶制御信号１１７に応じてバックライト１１９からの発光を変調することにより、補正映像信号１１３に応じた映像を表示領域に表示する。光源制御部１１４は、強度値補正部１０８から受けた光源強度値１０９に示される強度で各光源を発光させるための光源強度制御信号１１６を生成してバックライト１１９に送ることによりバックライト１１９の発光を制御する。バックライト１１９では光源強度制御信号１１６に応じて、各光源１２２の各色光源１２３〜１２５を発光させる。

以上、本実施形態によれば、光源が複数色の光源を有し、各色の光源が光の強度を独立に制御する場合であっても、明暗が混在するような入力画像に対して、強度値の高い照明領域の強度値を大幅にさせることなく、かつ、強度値の低い照明領域の強度値が高くなり過ぎることなく、照明領域の強度を平滑化し、低消費電力で輝度むらが発生しない画像や映像を表示することが可能になる。

[第３の実施形態]
本実施形態の構成は、第１の実施形態または第２の実施形態の構成において、小領域強度値算出部２０１と、強度値決定部２０４を更に備えたことを特徴とする。本実施形態の構成図を図９に示す。

第１の実施形態および第２の実施形態では、各光源に対応して液晶パネル１２０の表示領域を分割して得た領域を照明領域としたが、本実施形態では、照明領域内で照明領域のサイズよりも細かく分割した領域を小領域として定義し、小領域内の画素に応じて小領域強度値を算出し、小領域強度値から照明領域の光源強度値１０９を算出する。ただし、小領域は画素が複数個存在し、照明領域よりも粗い分割領域であるとする。また、本実施形態においては、バックライトの光源は白色1色の光源であっても、RGBのような複数色の光源であってもよい。

照明領域と小領域の関係を図１０を用いて説明する。図１０は液晶パネル１２０の表示領域を照明領域ごとにさらに細かく分割した図である。図中の実線で囲まれた領域が照明領域である。照明領域内をさらに分割し、点線で囲まれた領域が小領域である。図１０の例では、1つの照明領域の中に小領域が4つ存在しているが、照明領域中の小領域の数はこれに限らない。

小領域強度値算出部２０１は、入力映像信号１０３に対して、照明領域をさらに細かく分割した小領域ごとに、小領域内の画素の代表値を小領域強度値２０２として算出し、重み算出部１０６と強度値補正部１０８に送る。ここでは小領域強度値２０２は、小領域内の画素の最大の強度値とする。ただし、小領域強度値２０２（小領域内の画素の代表値）は、小領域内の画素の明度の最大値と最小値の中心値に定数を乗じた値、小領域内の画素の強度値の平均値や最頻値や中央値でもよい。

重み算出部１０６では、小領域の強度値とその周辺の小領域との位置関係に応じて定義された第１の重みを用いて、各小領域の小領域強度値（代表強度値）の平滑化を行い、少領域の平滑化された強度値が、当該小領域の小領域強度値よりも小さくなるほど大きな値となる第２の重み１０７を当該小領域ごとに算出し、強度値補正部１０８に送る。具体的な第２の重み１０７の算出方法は第1または第２の実施形態と同様である。

強度値補正部１０８は、上述の第１の重みと、重み算出部１０６で算出された小領域毎の第２の重み１０７とを用いて、各小領域強度値２０２を補正して、補正小領域強度値２０３を算出する。すなわち、第２の重み１０７に基づき各小領域の小領域強度値（代表強度値）２０２を補正し、各小領域の補正強度値を上述の第１の重みを用いて平滑化することにより、小領域毎の補正小領域強度値２０３を得る。強度値補正部１０８は、算出した補正小領域強度値２０３を強度値決定部２０４に送る。

強度値決定部２０４は、バックライト１１９の光源が白色光源である場合、照明領域内に含まれる各小領域の小領域強度値２０２の平均値を照明領域の光源強度値１０９とし、強度分布推定部１１０と光源制御部１１４に送る。なお、光源強度値の算出方法は、照明領域の中心に位置する小領域の小領域強度値を該照明領域の光源強度値としてもよい。

以下では、バックライト１１９が複数色光源を有し、各色成分について光源強度を独立に制御する場合の光源強度の算出方法を説明する。

図１０のような照明領域を4つの小領域に分割する例において、各小領域の各色成分の強度値を(R1,G1,B1),(R2,G2,B2),(R3,G3,B3),(R4,G4,B4)とする。各色成分について、式（１６）、（１７）に示すように、照明領域中の各小領域の小領域強度値の最大値(R_max,G_max,B_max)と平均値(R_ave,G_ave,B_ave)を算出する。
R_max=MAX(R1,R2,R3,R4)
G_max=MAX(G1,G2,G3,G4) （１６）
B_max=MAX(B1,B2,B3,B4)
R_ave=AVERAGE(R1,R2,R3,R4)
G_ave=AVERAGE(G1,G2,G3,G4) （１７）
B_ave=AVERAGE(B1,B2,B3,B4)

さらに、L_max=MAX(R_max,G_max,B_max)、L_ave=AVERAGE(R_ave,G_ave,B_ave)とすると、当該照明領域の各色成分の光源強度(BL_Rout,BL_Gout,BL_Bout)は、(R_max,G_max,B_max)に照明領域ごとに定める係数(L_ave/L_max)を乗じることで、式（１８）のように算出される。
BL_Rout = R_max×(L_ave/L_max)
BL_Gout = G_max×(L_ave/L_max) （１８）
BL_Bout = B_max×(L_ave/L_max)

本実施形態では、(R_max,G_max,B_max)に乗じる係数として(L_ave/L_max)を用いたが、乗じる係数はその他の値であっても良い。

また、式（１９）のように、各色成分について、各小領域の小領域強度値を平均して当該色成分の照明領域の光源強度としてもよい。
R_BLout= R_ave
G_BLout= G_ave （１９）
B_BLout= B_ave

強度分布推定部１１０は、光源強度値１０９に従って光源部１１４が光を液晶パネル１２０に照射した際に液晶パネル１２０の各画素位置に入射する光の強度分布１１１を推定する。強度分布推定部１１０で算出された光源強度分布１１１は、信号補正部１１２に入力される。信号補正部１１２は、強度分布１１１に従って、入力映像信号１０３を補正して補正映像信号１１３を求め、液晶制御部１１５に送る。液晶制御部１１５は、補正映像信号１１３に基づいて液晶制御信号１１７を生成して液晶パネル１２０に送り、液晶パネル１２０は液晶制御信号１１７に応じてバックライト１１９からの光を変調して表示領域に映像を表示する。また、光源制御部１１４は、強度値補正部１０８からの光源強度値１０９に基づいて光源強度制御信号１１６を生成してバックライト１１９に送り、バックライト１１９は光源強度制御信号１１６に従って各光源または各色光源を発光させる。

本実施形態によれば、第１の実施形態または第２の実施形態と同様に、消費電力を抑制しつつ、輝度むらの低減が可能であるが、それに加えて光源の発光輝度の不自然な変動を低減することが可能である。不自然な輝度変動低減の効果を図１１、図１２を用いて説明する。

図１１(a)と図１２(a)は、入力画像中の、輝点が移動する縦１×横４の照明領域を示したものである（図１１(a)と図１２(a)はそれぞれ同じ図である）。輝点がフレームを追うごとに一番左の照明領域から右方向へ移動する様子がわかる。

それに対して、従来方式(特許文献１)による照明領域の光源強度の変遷を図１１(b)に、提案方式による光源強度の変遷を図１２(b)に示す。

図１１(b)に示されるように従来方式による光源強度の設定は、実際には輝点が動いているのにも関わらず、フレーム１とフレーム２で各照明領域の強度が同一となり、輝点の動きに対して発光パターンが不連続となり、不自然な輝度の変動が観察される。これに対して、提案方式による光源輝度の設定は、図１２(b)に示されるように、輝点が小領域の境界を通過するたびに照明領域の強度が変化するため、不自然な輝度の変動を低減することが出来る。

以上、本実施形態によれば、明暗が混在するような入力画像に対して、強度値の高い照明領域の強度値を大幅に低下させることなく、かつ、強度値の低い照明領域の強度値が高くなり過ぎることなく、照明領域の強度を平滑化し、低消費電力で輝度むらや不自然な輝度の変動が発生しない画像や映像を表示することが可能になる。

１００・・・液晶表示装置
１０２・・・変換部、１０４・・・強度値算出部、１０６・・・重み算出部、１０８・・・強度値補正部、１１０・・・強度分布推定部、１１２・・・信号補正部、１１４・・・光源制御部、１１５・・・液晶制御部、１１８・・・画像表示部、１１９・・・バックライト、１２０・・・液晶パネル
１０１・・・入力映像信号、１０３・・・入力映像信号、１０５・・・照明領域強度値、１０７・・・第２の重み、１０９・・・光源強度値、１１１・・・強度分布、１１３・・・補正映像信号、１１６・・・光源強度制御信号、１１７・・・液晶制御信号
１２１・・・光源、１２２・・・光源、１２３・・・R光源、１２４・・・G光源、１２５・・・B光源
２０１・・・小領域強度値算出部、２０２・・・小領域強度値、２０３・・・補正小領域強度値、２０４・・・強度値決定部

Claims

それぞれの光の強度を制御可能な複数の光源を有するバックライトと、
前記バックライトからの光を変調することで前記複数の光源に対応する複数の照明領域に映像を表示する液晶パネルと、
複数の画素の信号値を含む入力映像信号に基づき、前記照明領域毎の代表強度値を算出する強度値算出部と、
前記照明領域と前記照明領域の周囲の照明領域との位置関係に応じて定義された第１の重みを用いて前記複数の照明領域の前記代表強度値の平滑化処理を行い、平滑化された値が前記代表強度値よりも小さくなるほど大きな値となる第２の重みを前記照明領域毎に算出する重み算出部と、
前記第２の重みに基づき前記照明領域の前記代表強度値を補正して求まる補正強度値を、前記第１の重みを用いて前記平滑化処理することにより前記照明領域毎の光源強度値を算出する強度値補正部と
前記光源強度値で前記光源が発光したときの前記照明領域における光の強度分布を推定する強度分布推定部と、
前記強度分布に基づいて前記入力映像信号を補正して補正映像信号を求める信号補正部と、
前記光源強度値に応じた強度で前記光源が発光されるように制御する光源制御部と、
前記補正映像信号に従って前記液晶パネルの変調を制御する液晶制御部と、
を備えた液晶表示装置。
前記光源は、それぞれ異なる色の光を発光する、独立に強度を制御可能な複数の色光源を有し、
前記入力映像信号は、前記画素毎に複数の色の信号値を含み、
前記強度値算出部は、前記代表強度値を前記色毎に算出し、
前記重み算出部は、前記第２の重みを前記色毎に算出し、
前記強度値補正部は、前記光源強度値を前記色毎に算出する
を特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記強度値算出部は、前記照明領域内の画素の信号値の最大値を前記代表強度値として算出する
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記強度値算出部は、前記照明領域内の画素の明度の最大値と最小値の中心値に対して予め定めた定数を乗じた値を前記代表強度値として算出することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
それぞれの光の強度を制御可能な複数の光源を有するバックライトと、
前記バックライトからの光を変調することで、前記複数の光源に対応する、それぞれ複数の小領域からなる複数の照明領域に映像を表示する液晶パネルと、
複数の画素の信号値を含む入力映像信号に基づき、前記小領域毎の代表強度値を算出する小領域強度値算出部と、
前記小領域と前記小領域の周囲の小領域との位置関係に応じて定義された第１の重みを用いて、前記小領域の前記代表強度値の平滑化処理を行い、平滑化された強度値が前記代表強度値よりも小さくなるほど大きな値となる第２の重みを前記小領域毎に算出する重み算出部と、
前記第２の重みに基づき前記小領域の前記代表強度値を補正して求まる補正強度値を、前記第１の重みを用いて前記平滑化処理する強度値補正部と、
前記強度値補正部により平滑化された強度値に基づいて前記照明領域毎の光源強度値を決定する強度値決定部と、
前記光源強度値で前記光源が発光したときの前記照明領域における光の強度分布を推定する強度分布推定部と、
前記強度分布に基づいて前記入力映像信号を補正して補正映像信号を求める信号補正部と、
前記光源強度値に応じた強度で前記光源が発光されるように制御する光源制御部と、
前記補正映像信号に従って前記液晶パネルの変調を制御する液晶制御部と、
を備えた液晶表示装置。
前記バックライトが、それぞれ異なる色の光を発光する、独立に強度を制御可能な複数の色光源を有し、
前記入力映像信号は、前記画素毎に複数の色の信号値を含み、
前記小領域強度値算出部が、前記代表強度値を前記色毎に算出し、
前記重み算出部が、前記第２の重みを前記色毎に算出し、
前記強度値補正部が、前記代表強度値の補正と前記平滑化処理とを前記色毎に行い、
前記強度値決定部が、前記光源強度値を前記色毎に決定する
ことを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。
前記強度値決定部は、前記色毎に前記照明領域内の前記小領域の信号値を平均することにより前記光源強度値を得る
ことを特徴とする請求項６記載の液晶表示装置。
前記強度値決定部は、前記色毎に前記照明領域内の前記小領域の信号値の最大値に前記照明領域ごとに定めた係数を乗じることにより前記光源強度値を得る
ことを特徴とする請求項６記載の液晶表示装置。
前記小領域強度値算出部は、前記小領域内の画素の信号値の最大値を前記代表強度値として算出する
ことを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。
前記小領域強度値算出部は、前記小領域内の画素の明度の最大値と最小値の中心値に対して予め定めた定数を乗じた値を前記代表強度値として算出する
ことを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。