JP5047700B2 - 画像表示装置、画像処理方法、及びプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、プロジェクタ、プロジェクションディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなど表示面上で隣接する画素同士が互いに影響を及ぼす画像表示装置に好適な画像処理に関する。
照明光を画像データに基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子を使用して、該画像表示素子から出射された画像光を光学系を通してスクリーンに表示する投射型画像表示装置などでは、画像表示素子では画素ごとに明確に区切られた範囲で各画素の表示が行われるが、それをスクリーンに拡大投射するためには各種の光学系を通して投射することが必要となる。しかし、レンズやフィルタなどの各種光学的な部品を通すごとに収差が発生し、それにより本来の画素の表示範囲外の隣接する画素にまで影響を与えることになってしまう。また、画像表示素子への光源からの光の特性や、画像表示素子の光源からの光を受けて画像光を出す特性によっても、本来の画素の表示範囲外の隣接する画素にまで影響を与えることが発生することがある。隣接画素への影響が非常に狭い範囲に限定される場合には、画像表示素子の画素間にブラックマトリックスを設けることにより、その影響を防止することができるが、ブラックマトリックスにより光の利用効率が低下してしまう。この光の利用効率の低下は、影響する範囲が広くなるほど無視できないものとなることから、大きな範囲のブラックマトリックスは使用することは現実的ではなく、影響範囲が狭い場合にしか用いることができない。
このような場合に従来では、エッジや細部などの高周波数成分を強調するエッジ強調処理を行っていた。エッジ強調処理はボケた画像を鮮明にする方法として知られているが(アンシャープ・マスキング処理など)、画素プロファイル(画素が表示される表示領域の光量分布)による影響の違いに対応することができず、改善効果は限定的であり、処理の程度が大きくなると逆に画質を低下させてしまう場合が発生する。
また、特許文献1に記載のように、文字などの無彩色部分をエッジ強調処理することにより、画像を鮮明にする方法がある。しかし、全画面が周辺画素の画素値の影響を受けるような場合には、全体がボケることになることから、特定の文字などの部分だけのエッジ強調では自然画などの他の画像はボケたままとなり、画質改善効果は限定的となってしまう。
一方、特許文献2に記載のように、1フレームの画像データを複数のサブフレームの画像データに分割して、画素ずらしを行い、時分割して表示することで、画像表示素子の解像度以上の表示を実現する投射型画像表示装置が知られているが、この種の画像表示装置では、元の画素の表示範囲が表示解像度の画素の表示範囲より大きい場合には、他の画素の表示により影響を与えてしまい、画像のボケやにじみ、コントラストの低下などを発生させていた。図16は、縦横1/2ピッチ画素ずらしを行い、各々2倍の解像度の表示を行う例であり、表示する画素の大きさは丸印1の四角の範囲であるが、画像表示素子の一画素が表示する範囲は網掛けで示したaの範囲であることから、周囲の画素の表示により大きな影響を与えてしまい、画像のボケやにじみ、コントラストの低下などが発生する。このため、特許文献2では、画像表示素子の液晶セルから出射した光が投射光学系の光軸に対して平行になるような、液晶レンズアレイの特性が凸レンズの場合には、その光路を平行光にもどすような凹レンズアレイとするような光学素子を設けることで、元の画素の表示範囲が表示解像度の画素の表示範囲と合うようにすることを行っているが、全体の液晶の特性を合わせる正確な制御と、光学素子の設置が難しく、高コストなものとなってしまう。
特許第2746918号公報 特開2003−228072号公報
本発明は、表示面上で隣接する画素同士が互いに影響を及ぼす画像表示装置において、隣接する画素同士が重なり合うことによる表示への影響を低減して、コントラストや鮮明さが向上した見易い画像を表示できるようにすることにある。
詳しくは、本発明では、光学系を通して画像を表示する投射型画像表示装置、例えば、1フレームの画像データを複数のサブフレームの画像データに分割し、画素ずらしを行い時分割して表示することで、表示素子の解像度以上の表示を実現する投射型画像表示装置などにおいて、画像データを表示のために出力するのに先立ち補正することにより、画素の表示が他の画素の表示に影響を与えることにより発生する画像のボケや、コントラストの低下などを軽減して本来の表示に近付け、より見易い画像を表示することを目的とする。
本発明は、表示対象の画像データについて、隣接画素の表示の重なり合いによる影響を低減する補正処理を行い、該補正処理された補正画像データに基づいた画像光を投射して表示する画像表示装置であって、
前記画像データにおける補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の種類の数である一致度を判定する一致度判定手段と、
前記画像データにおける補正対象画素の画素値を、該補正対象の画素とその周囲の参照画素の該補正対象画素の表示に関与する割合、及び、前記一致度をもとに補正して、補正画像データを生成する画像処理手段と、
を有することを主要な特徴とする。
本発明によれば、補正対象画素とその周囲の参照画素の当該補正対象画素の表示に関与する割合、及び、該補正対象と角参照画素の画素値の一致度(画素値の種類の数)をもとに、表示対象の入力画像データを補正することにより、画素表示の重なり合いによる影響を低減し、コントラストや鮮明さが向上した見易い画像を表示する出力画像データを生成することができる。特に、画像の種類等によらないコントラストや鮮明さが向上した見易い画像を表示する出力画像データを生成することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、画素が表示される表示領域の光量分布を画素プロファイルと称すことにする。
図1に本実施例の機能ブロック図を示す。図1は一般にコンピュータ装置で構成され、画像処理部20はCPUとプログラム等に基づいてその処理機能を実現する。入力画像データ記憶部10、画素プロファイル記憶部30及び出力画像データ記憶部40にはRAM、その他、任意のメモリが使用される。画素プロファイル記憶部30は画素プロファイルを記憶している。画素プロファイルの具体例については後述する。
入力画像データは、画素、ライン、フレーム等の単位で一旦、入力画像データ記憶部10に格納され、順次、画像処理部20に送られる。画像処理部20は、入力画像データ記憶部10から送られてくる入力画像データについて、各画素毎に、当該画素を補正対象画素として、該補正対象画素の画素値を補正して出力画像データを生成する。詳しくは、画像処理部20では、画素プロファイル記憶部30に記憶された画素プロファイルを参照して、補正対象画素とその周囲の画素(参照画素)の当該補正対象画素の表示に関与する割合をもとに、該補正対象画素の画素値について補正処理を行う。画像処理部20で補正処理された出力画像データは、出力画像データ記憶部40に格納された後、表示部50に送られて表示される。表示部50は、例えば、特許文献2に記載のように、1フレームの画像データを複数のサブフレームに画像データに分割し、時分割で画像表示素子の解像度以上の表示を実現する投射型画像表示装置などである。
以下に、画素プロファイル記憶部30内の画素プロファイル及び画像処理部20での補正処理について詳述する。
先に述べたように、光学系を通して画像を表示する投射型画像表示装置などでは、画像表示素子では画素ごとに明確に区切られた範囲で各画素の表示が行われるが、光学系を通すことにより画素の表示される範囲が広がり、他の画素の範囲にまで影響を与えるようになってしまう。特に表示される1フレームの画像データを複数のサブフレームの画像データに分割し、時分割で表示素子の解像度以上の表示を実現する投射型画像表示装置では、画素の表示範囲は、解像度が低い表示素子の表示範囲のままであることから、表示解像度の画素の表示範囲より大きくなり、他の画素の表示が表示に大きな影響を与えている。図16は縦横2方向にシフトする画素と表示範囲の一例である。低い解像度の表示画素領域だと、画素に重なりが発生する。
図2は補正対象画素と参照画素の位置関係を示した図で、X22が補正対象画素、X11,X21,X31,X12,X32,X13,X23,X33が参照画素である。図3は3×3画素と、その中央の画素の表示時の光量の分布(画素プロファイル)を示した図である。図3の画素プロファイルから、他の画素の表示領域に、中央の画素の表示が影響することが見て取れる。換言すれば、中央の画素(補正対象画素)の表示に、その周囲の他の画素(参照画素)の光量が影響を与える。
図4は画素プロファイルの一例であり、図4(a)のa11〜a33は、補正対象画素とその周囲の参照画素の光量の該補正対象画素の表示に影響を与える割合を示し、図4(b)はa11〜a33の具体例を示したものである。図4(b)のa11〜a33の値は、補正対象画素X22を表示する場合、該補正対象画素の表示領域に各画素X11〜X33が表示される光量を補正対象画素の表示領域全体の光量で割った値である。この図(b)に示すような画素プロファイルを予め作成して画素プロファイル記憶部30に記憶しておく。
図2において、X22の画素(補正対象画素)を表示する場合、X11はa11、X21はa21、X31はa31、X12はa12、X32はa32、X13はa13、X23はa23、X33はa33の光量分が影響し、X22はa22の光量分だけ表示に反映される。すなわち、X22の領域に表示される画素の値は、X11〜X33のX22に表示する光量に占める割合をa11〜a33、X11〜X33を画素値とすると、
Q=a11・X11+a21・X21+a31・X31
+a12・X12+a22・X22+a32・X32
+a13・X13+a23・X23+a33・X33 …(1)
となる。この値QはX22の本来の画素値と差が生じるために表示画像のボケの原因となる。そこで、この表示画像のボケを軽減するために、差分(影響分)を補正量として元の画素値にフィードバックする。
すなわち、Q1を補正後のX22の画素値とすると、
Q1=X22+α(X22−Q) …(2)
とする。ここで、αは補正量(X22−Q)の重み付け係数を示し、変数または所定の定数とする。式(2)により、X22の画素領域に表示される画素値は元の画像データに近づき、コントラストが向上した見易い画像を表示する出力画像データを生成することができる。
図5に、図1の画像処理部20の処理フローチャートを示す。本実施例では、式(2)のαは所定の定数(例えば、α=1)とする。また、画素プロファイル記憶部30には、代表的な一つの画素プロファイル(例えば、図4(b))が記憶されているとする。
画像処理部20は、順次、補正対象画素X22の画素値と、その周囲の参照画素X11、X21、X31、X12、X32、X13、X23、X33の画素値を取得する(ステップ101、102)。そして、画素プロファイル記憶部30から画素プロファイル(例えば、図4(b))を読み出し(ステップ103)、その画素プロファイルをもとに式(1)によりQ値を計算する(ステップ104)。次に、αを一定として(例えば、α=1)、式(2)によりQ1を計算して、補正対象画素X22の画素値を補正する(ステップ105)。
画像処理部20は、ステップ101〜105の処理を入力画像データがなくなるまで繰り返すことで(ステップ106)、画像出力データを生成する。
図11は元画像、図12は、該元画像について図4(b)の画素プロファイルを適用して、式(1)を計算し、注目画素の表示に、該画素プロファイルの割合でもって当該画素及び周囲の画素の光量が影響を与えるようにした場合のシミュレーション画像である。図12は図11の元画像に比べて、画像が劣化(ボケ発生)しているのが分かる。
一方、図13は、図11の元画像について同じく図4(b)の画素プロファイルを適用して式(1)を計算し、さらにα=1として式(2)を計算して補正処理を行った場合のシミュレーション画像である。図13の画像は図10の画像に比べて画像の劣化が低減され、コントラストが向上しているのが分かる。なお、αの値は勿論1に限られるものではない。特にαの値を、補正対象画素の画像データが当該補正対象画素の表示に寄与する割合の逆数(図4(b)の例では、α=2.5)とし、自然画などでは適度な効果が得られる。
通常、光学的な要因により、画素プロファイルは表示される画面全体で均一ではない。そこで、本実施例は画面の表示位置または表示領域に対応して異なる画素プロファイルを使用して、式(1)、(2)の計算を行うことにより、画面全体で最適な補正処理を実現するものである。式(2)のα値を所定の定数(例えば、α=1)とすることは実施例1と同様である。図6に画面の領域と当該領域で使用する画素プロファイルの対応関係の一例を示す。
本実施例の処理フローチャート例を図7に示す。ハードウェア構成は図1と同様であるが、画素プロファイル記憶部30には、図6に示すような画面の領域に対応した複数の画素プロファイルが格納されている。
画像処理部20は、入力画像データについて、順次、補正対象画素X22の画素値と、その周囲の参照画素X11、X21、X31、X12、X32、X13、X23、X33の画素値を取得する(ステップ201、202)。そして、補正対象画素X22の位置(座標)により、画素プロファイル記憶部30から当該補正対象画素位置に対応した画素プロファイルを読み出し(ステップ203)、その画素プロファイルをもとに式(1)によりQ値を計算する(ステップ204)。次に、αを一定として(例えば、α=1)、式(2)によりQ1を計算して、補正対象画素X22の画素値を補正する(ステップ205)。
画像処理部20は、ステップ201〜205の処理を入力画像データがなくなるまで繰り返すことで(ステップ206)、出力画像データを生成する。
本実施例によれば、画面全体で実際の状況に即した最適な補正処理を行うことができ、画素表示の重なり合いによる表示の影響を低減し、コントラストが向上した元の画像に近い画像を表示する出力画像データを生成することが可能になる。
本実施例は、式(2)のα値を変数とし、補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の一致度(画素値の種類の数)に応じて可変に設定するものである。具体的には、一致度が高い場合には、αの値を小さく、一致度が低い場合にはαの値を大きくする。
図8に本実施例の機能ブロック図を示す。先の図1と同様に、図8は一般にコンピュータ装置で構成され、画像処理部20及び一致度判定部60はCPUとプログラム等に基づいてその処理機能を実現する。入力画像データ記憶部10、画素プロファイル・変数記憶部35及び出力画像データ記憶部40にはRAM、その他、任意のメモリが使用される。本実施例の場合、画素プロファイル・変数記憶部35は、画素プロファイル(例えば、図4(b))の他に、補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の一致度(画素値の種類の数)に対応したα値を記憶している。α値の具体例については後述する。
入力画像データは、画素、ライン、フレーム等の単位で一旦、入力画像データ記憶部10に格納され、順次、一致度判定部60に送られる。一致度判定部60は、入力画像データ記憶部10から送られてくる入力画像データについて、各画素毎に、当該画素を補正対象画素として、該補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の一致度を判定し、順次、該補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値、及び一致度の判定結果を画像処理部20に送る。画像処理部20は、画素プロファイル・変数記憶部35から画像プロファイル、及び、上記一致度の判定結果に対応するα値を読出し、一致度判定部60から渡される補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値、画像プロファイル、α値により、該補正対象画素の画素値を補正する。画像処理部20で補正処理された出力画像データは、出力画像データ記憶部40に格納された後、表示部50に送られて表示される。実施例1と同様に、表示部50は、例えば、特許文献2に記載のように、1フレームの画像データを複数のサブフレームの画像データに分割し、時分割で画像表示素子の解像度以上の表示を実現する投射型画像表示装置などである。
図9に補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の一致度(画素値の種類の数)とα値の対応関係の一例を示す。式(2)においてαの値を補正対象画素の画像データが該補正対象画素の表示に寄与する割合の逆数とした場合、自然画などでは適度な効果が得られる。しかし、文字や図形など画像の境界部の画素値の種類が少ないテキスト画像などでは擬似輪郭が発生するなど、画質の劣化する部分が生じる。このことから、αの値は、画像の種類を考慮する必要がある。図9は、画素プロファイルを図4(b)として、補正対象画素とその周囲の参照画素の計9画素の画素値の一致度(画素値の種類の数)により、αの値を0から補正対象画素の画像データが当該補正対象画素の表示に寄与する割合(40%)の逆数である2.5まで割り当てた例である。ここで、一致度と画素値の種類の数とは逆の関係にある。
図10に、図8の一致度判定部60と画像処理部20の処理フローチャートを示す。ここでは、画素プロファイル・変数記憶部35には、図4(b)に示す画素プロファイル、及び、図9に示す補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の一致度(画素値の種類の数)とα値の対応関係(対応テーブル等)が格納されているとする。
一致度判定部60は、入力画像データにいて、順次、補正対象画素X22の画素値と、その周囲の参照画素X11、X21、X31、X12、X32、X13、X23、X33の画素値を取得し(ステップ301,302)、これら9画素の画素値の一致度を判定する(ステップ303)。判定結果は9画素の画素値の種類の数に応じて1〜9の値をとる。例えば、9画素の画素値がすべて同じだった場合には判定結果は1(一致度は最大)であり、すべて異なっていた場合には判定結果は9(一致度は最低)である。一致度判定部60は、順次、該補正対象画素X22とその周囲の参照画素X11、X21、X31、X12、X32、X13、X23、X33の画素値、及び、一致度の判定結果を画像処理部20に送る。
画像処理部20は、画素プロファイル・変数記憶部35から画素プロファイル(ここでは図4(b))を読出し(ステップ304)、一致度判定部60から与えられる補正対象画素X22とその周囲の参照画素X11、X21、X31、X12、X32、X13、X23、X33の画素値、及び、画素プロファイルをもとに式(1)によりQ値を計算する(ステップ305)。次に、画像処理部20は、一致度判定部60から与えられる一致度の判定結果に対応するα値を画素プロファイル・変数記憶部35から読出し(ステップ306)、該α値を用いて式(2)によりQ1を計算して、補正対象画素X22の画素値を補正する(ステップ307)。本実施例では、図9に示すように、一致度が高い場合にはαの値は小さく、低い場合にはαの値は大きくなる。
以下、ステップ301〜307の処理を入力画像データがなくなるまで繰り返すことで(ステップ308)、順次、補正対象画素の画素値が補正された出力画像データが生成される。
図14は、図11の元画像について図4(b)の画素プロファイルを適用し、αの値を補正対象画素の画像データが当該補正対象画素の表示に寄与する割合(40%)の逆数である2.5として補正処理を行った場合のシミュレーション画像である。この画像の左側の自然画部分では、図13の画像(α=1)に比べよりはっきりとした画像となり、適度な補正処理の効果が得られている。しかし、画像の右側のテキスト画像では擬似輪郭が発生し、画像が劣化している。
図15は、同じく図11の元画像について図4(b)の画素プロファイルを適用し、αの値を、図9のように補正対象画素とその周囲の参照画素の計9画素の値の一致度(画素値の種類の数)により、0から補正対象画素の画像データが当該補正対象画素の表示に寄与する割合の逆数である2.5まで割り当てて補正処理を行った場合のシミュレーション画像である。図15の画像では、図13の画像(α=1)に比べ、画像が鮮明になっている。また、図14の画像(α=2.5)に比べ、画面右側のテキスト画像部分では擬似輪郭などの画質の劣化は見られず、適度に鮮明な画像になっている。
このように、本実施例では、補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の一致度が高い場合にはαの値を小さく、一致度が低い場合にはαの値を大きくするなど、画像の種類に応じた補正処理を行うことにより、画像の種類によらずにコントラストや鮮明さが向上した見易い画像を表示する出力画像データを生成することができる。
なお、本実施例においても、先の実施例2のように、画面の表示位置または表示領域に対応して異なる画素プロファイル(例えば、図6)を使用することができる。これにより、さらに画面全体で元の画像データに近い画像を表示することができるようになる。
ここで、図1や図8で示した装置構成における処理機能の一部もしくは全部をコンピュータのプログラムで構成し、そのプログラムをコンピュータを用いて実行して本発明を実現することができること、あるいは、図5や図7や図10で示した処理手順をコンピュータのプログラムで構成し、そのプログラムをコンピュータに実行させることができることは言うまでもない。また、コンピュータでその処理機能を実現するためのプログラム、あるいは、コンピュータにその処理手順を実行させるためのプログラムを、そのコンピュータが読み取り可能な記録媒体、例えば、FD、MO、ROM、メモリカード、CD、DVD、リムーバブルディスクなどに記録して、保存したり、提供したりすることができるとともに、インターネット等のネットワークを通してそのプログラムを配布したりすることが可能である。
本発明の第1及び第2の実施例の機能ブロック図。 補正対象画素と参照画素の位置関係を示す図。 3×3画素とその中央画素の表示時の光量分布の一例を示す図。 画素プロファイルの一例を示す図。 本発明の第1の実施例の処理フローチャートを示す図。 本発明の第2の実施例で用いられる画素プロファイルの一例を示す図。 本発明の第2の実施例の処理フローチャートを示す図。 本発明の第3の実施例の機能ブロック図。 補正対象画素及びその周囲の参照画素の9画素の画素値の一致度と変数αの値との対応例を示す図。 本発明の第3の実施例の処理フローチャートを示す図。 元画像の一例を示す図。 図11の元画像について図4(b)の条件で式(1)を適用した場合のシミュレーション画像を示す図。 図11の元画像についてα=1として本発明の第1の実施例を適用した場合のシミュレーション画像を示す図。 図11の元画像についてα=2.5として本発明の第1の実施例を適用した場合のシミュレーション画像を示す図。 図11の元画像について本発明の第3の実施例を適用した場合(α=0〜2.5)のシミュレーション画像を示す図。 縦横2方向にシフトする画素と表示範囲の一例を示す図。
10 入力画像データ記憶部
20 画像処理部
30 画素プロファイル記憶部
35 画素プロファイル・変数記憶部
40 出力画像データ記憶部
50 表示部
60 一致度判定部

Claims (4)

  1. 表示対象の画像データについて、隣接画素の表示の重なり合いによる影響を低減する補正処理を行い、該補正処理された補正画像データに基づいた画像光を投射して表示する画像表示装置であって、
    前記画像データにおける補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の種類の数である一致度を判定する一致度判定手段と、
    前記画像データにおける補正対象画素の画素値を、該補正対象の画素とその周囲の参照画素の該補正対象画素の表示に関与する割合、及び、前記一致度をもとに補正して、補正画像データを生成する画像処理手段と、
    を有することを特徴とする画像表示装置。
  2. 前記画像処理手段は、前記一致度が高い場合には補正量を小さくし、前記一致度が小さい場合には補正量を大きくすることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  3. 表示対象の画像データについて、隣接画素の表示の重なり合いによる影響を低減する補正処理を行い、該補正処理された補正画像データに基づいた画像光を投射して表示する画像表示装置における画像処理方法であって、
    前記画像データにおける補正対象画素とその周囲の参照画素の画素値の種類の数である一致度を判定するステップと、
    前記画像データにおける補正対象画素の画素値を、該補正対象の画素とその周囲の参照画素の該補正対象画素の表示に関与する割合、及び前記一致度をもとに補正して、補正画像データを生成するステップと、
    を有することを特徴とする画像処理方法。
  4. 請求項3に記載の画像処理方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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