JP5079017B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に関し、特に、バックライトの輝度制御と画像の階調変換を行う表示装置に関する。

液晶表示装置など、バックライトを備えた表示装置では、入力画像に応じてバックライトの輝度制御を行うことにより、バックライトの消費電力を削減することができる。また、バックライトの輝度制御と共に、入力画像に対してバックライトの輝度低下分を補償する階調変換を行うことにより、輝度制御を行わないときと同様の画像を表示しながら、バックライトの消費電力を削減することができる。

バックライトの輝度制御と画像の階調変換を行う方法には、以下のような方法がある。第１の方法として、入力画像のヒストグラムを作成し、入力画像に含まれる各画素の階調の中で小さい側から所定割合の位置（例えば、９０％の位置）にある階調を求め、求めた階調より大きい階調をすべて最大階調に変換する方法がある。第２の方法として、入力画像のヒストグラムに基づきデータ分布などを解析し、解析結果に応じてγ曲線のγ値を切り替える（例えば、γ値を２．２から１．８に切り替える）方法がある。

また、特許文献１には、画像信号の１画面分の最大値を検出する手段と、検出した最大値で光透過率が一定になる光透過型表示手段と、検出した最大値に比例した光出力の得られる光源とを備えた画像表示装置が記載されている。特許文献２には、最大忠実再現階調より小さい階調には一定のゲインを適用し、最大忠実再現階調より大きい階調には階調の最大値を最終到達点としたロールオフ曲線を適用する画像調整方法が記載されている。特許文献３には、表示データから特性決定量を求め、特性決定量の前後で変化するゲインを適用して輝度変換を行う画像表示方法が記載されている。特許文献４には、表示すべき画像に応じて光源から光変調表示部に入る光の強度を制御する表示装置が記載されている。

しかしながら、上記従来の方法には、以下のような問題がある。図８は、上記第１の方法の階調変換特性と表示輝度特性を示す図である。図８において、ＣＶＭは階調の最大値を表し、ＣＶｔｈは入力画像に含まれる各画素の階調の中で小さい側から９０％の位置にある階調を表す。この方法では、ＣＶｔｈより大きい階調はすべてＣＶＭに変換されるので、ＣＶｔｈより大きい階調を表示したときの輝度は同じになる（図８のＸ１部分）。このため、第１の方法では、ある範囲の階調を同じ輝度で表示する「階調つぶれ」が発生する。

図９は、上記第２の方法の階調変換特性と表示輝度特性を示す図である。この方法では、階調つぶれは発生しないが、γ値を切り替えるために、小さい階調を表示したときの輝度が正しくなくなる（図９のＸ２部分）。このため、第２の方法では、ずれた階調を表示する「階調ずれ」が発生する。

特許文献１記載の方法では、入力画像に階調の最大値が１個でも含まれていると、バックライトの輝度を低くできない。このため、バックライトの消費電力を削減できる場合が限定される。

特許文献２記載の方法では、画質調整を行ったときの輝度低下率が制限されていないので、例えば黒い背景中の白い文字を表示したときに、文字の輝度が大幅に低下する。また、ロールオフ曲線の最終到達点が階調の最大値であるので、入力画像に含まれる最大階調が階調の最大値と異なる場合（例えば、階調の最大値が２５５で、入力画像に含まれる最大階調が１２８である場合）でも、消費電力を削減できない。さらに、バックライトの消費電力削減を優先するために、表示画像の画質が大きく劣化することがある。

特許文献３には、特性決定量の前後でゲインを直線的に変化させる方法の詳細は記載されているが、ゲインを曲線的に変化させる方法の詳細は記載されていない。文献の記載に従って、特性決定量の前後でゲインを直線的に変化させると、特性決定量の前後で階調の連続性が損なわれる。また、特許文献３記載の方法でも、黒い背景中の白い文字の輝度が低下する問題を解決できない。

それ故に、本発明は、画質劣化を抑制しながら、バックライトの消費電力を削減する表示装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面は、バックライトの輝度制御と画像の階調変換を行う表示装置であって、
複数の画素回路を含む表示パネルと、
前記表示パネルを駆動する駆動回路と、
前記表示パネルの背面に光を照射するバックライトと、
入力画像に対して、境界階調より小さい階調には一定のゲインを適用し、前記境界階調より大きい階調には階調が大きいときほど小さくなるゲインを適用する階調変換を行い、変換後の画像を前記駆動回路に対して出力する階調変換部と、
前記入力画像を解析し、前記階調変換部の特性と前記バックライトの輝度を決定する画像解析部とを備え、
前記画像解析部は、前記入力画像に基づき前記境界階調と前記入力画像に含まれる最大階調とを求め、求めた２個の階調に基づき、前記バックライトの輝度を低くする輝度制御を行ったときの前記最大階調の輝度低下率が制限値以下になるように前記階調変換部の特性を決定し、前記境界階調より小さい階調について、前記バックライトの輝度制御と前記階調変換部による階調変換を行ったときの表示輝度が輝度制御と階調変換を行わないときの表示輝度と一致するように前記バックライトの輝度を決定することを特徴とする。

本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面において、
前記画像解析部は、前記最大階調と前記境界階調の差に基づき、前記輝度低下率が前記制限値以下になるように、前記階調変換部の特性を定めるパラメータを決定することを特徴とする。

本発明の第３の局面は、本発明の第２の局面において、
前記パラメータが、前記最大階調と前記境界階調の差に対する、前記階調変換部の特性を特徴づける階調と前記境界階調の差の割合であることを特徴とする。

本発明の第４の局面は、本発明の第３の局面において、
前記境界階調をＣＶｔｈ、前記最大階調をＣＶｍａｘ、前記パラメータをＬＧｓ、前記階調変換部の出力階調の最大値をＣＶＭとし、｛ＣＶｔｈ＋ＬＧｓ（ＣＶｍａｘ−ＣＶｔｈ）｝をＣＶａ、（ＣＶＭ／ＣＶａ）×ＣＶｔｈをＣＶｂとしたとき、
前記階調変換部は、前記境界階調より小さい階調にはゲインが（ＣＶＭ／ＣＶａ）の階調変換を行い、前記境界階調より大きい階調には、特性が点（ＣＶｔｈ，ＣＶｂ）を始点とし、点（ＣＶａ，ＣＶＭ）を制御点とし、点（ＣＶｍａｘ，ＣＶＭ）を終点としたスプライン曲線となる階調変換を行うことを特徴とする。

本発明の第５の局面は、本発明の第２の局面において、
前記画像解析部は、前記最大階調と前記境界階調の差に対応づけて、前記輝度低下率が前記制限値以下になるように定めた前記パラメータを予め記憶していることを特徴とする。

本発明の第６の局面は、本発明の第１の局面において、
前記階調変換部は、前記境界階調より大きい階調には、特性がスプライン曲線となる階調変換を行うことを特徴とする。

本発明の第７の局面は、本発明の第１の局面において、
前記画像解析部は、前記入力画像に含まれる各画素の階調の中で小さい側または大きい側から所定割合の位置にある階調を前記境界階調として決定することを特徴とする。

本発明の第８の局面は、表示パネルと前記表示パネルの駆動回路とバックライトとを有する表示装置を用いた表示方法であって、
入力画像に対して、境界階調より小さい階調には一定のゲインを適用し、前記境界階調より大きい階調には階調が大きいときほど小さくなるゲインを適用する階調変換を行うステップと、
前記駆動回路を用いて、変換後の画像に基づき前記表示パネルを駆動するステップと、
前記バックライトを用いて、前記表示パネルの背面に光を照射するステップと、
前記入力画像を解析し、階調変換特性と前記バックライトの輝度を決定するステップとを備え、
前記階調変換特性と前記バックライトの輝度を決定するステップは、前記入力画像に基づき前記境界階調と前記入力画像に含まれる最大階調とを求め、求めた２個の階調に基づき、前記バックライトの輝度を低くする輝度制御を行ったときの前記最大階調の輝度低下率が制限値以下になるように前記階調変換特性を決定し、前記境界階調より小さい階調について、前記バックライトの輝度制御と前記階調変換を行ったときの表示輝度が輝度制御と階調変換を行わないときの表示輝度と一致するように前記バックライトの輝度を決定することを特徴とする。

本発明の第１または第８の局面によれば、入力画像を解析し、解析結果に基づきバックライトの輝度制御を行うことにより、入力画像の特性に応じてバックライトの消費電力を削減することができる。また、バックライトの輝度を低くする輝度制御を行ったときの最大階調の輝度低下率を制限することにより、最大階調やこれに近い階調の輝度を大幅に低下させることなく表示することができる。また、境界階調より小さい階調には一定のゲインを適用し、境界階調より大きい階調には単調に減少するゲインを適用することにより、階調つぶれを抑制し、階調ずれを抑制することができる。このように画質劣化を抑制しながら、バックライトの消費電力を削減することができる。また、バックライトの輝度を好適に制御することにより、境界階調より小さい階調については輝度制御と階調変換を行わないときと同じ輝度で表示し、輝度制御と階調変換を行わないときと同様の画像を表示することができる。また、階調の最大値ではなく、入力画像に含まれる最大階調に基づきバックライトの輝度を決定することにより、バックライトの消費電力をより効果的に削減することができる。

本発明の第２の局面によれば、最大階調と境界階調の差に基づき、最大階調の輝度低下率が制限値以下になるように階調変換部の特性を定めるパラメータを決定することにより、画質劣化を抑制しながら、バックライトの消費電力を削減することができる。

本発明の第３の局面によれば、最大階調と境界階調の差に基づき、最大階調の輝度低下率が制限値以下になるように最大階調と境界階調の差に対する、階調変換部の特性を特徴づける階調と境界階調の差の割合を決定し、決定した割合を用いて階調変換部の特性を決定することにより、画質劣化を抑制しながら、バックライトの消費電力を削減することができる。

本発明の第４の局面によれば、境界階調より大きい階調には特性がスプライン曲線となる階調変換を行うことにより、境界階調より大きい部分の階調変換特性は連続的かつ滑らかに変化する。また、このスプライン曲線は、境界階調において、境界階調より小さい部分の階調変換特性に接するので、階調変換特性は境界階調の前後で連続的かつ滑らかに変化する。したがって、階調変換部の出力階調や表示輝度が不連続になることを抑制し、画質劣化を抑制することができる。

本発明の第５の局面によれば、最大階調の輝度低下率が制限値以下になるように定めたパラメータを予め記憶しておくことにより、最大階調の輝度低下率が制限値以下になるパラメータを容易に求めることができる。

本発明の第６の局面によれば、境界階調より大きい階調には特性がスプライン曲線となる階調変換を行うことにより、境界階調より大きい部分の階調変換特性は連続的かつ滑らかに変化する。したがって、境界階調より大きい階調について階調変換部の出力階調や表示輝度が不連続になることを抑制し、画質劣化を抑制することができる。

本発明の第７の局面によれば、上記割合に基づき境界階調を決定することにより、入力画像に含まれる所定割合の画素を一定のゲインを適用する階調変換を行って表示することができる。また、バックライトの輝度を好適に制御すれば、入力画像に含まれる所定割合の画素を輝度制御と階調変換を行わないときと同じ輝度で表示することができる。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す液晶表示装置の階調変換特性と表示輝度特性を示す図である。 図１に示す液晶表示装置の画像解析部の処理を示すフローチャートである。 図１に示す液晶表示装置で作成されるヒストグラムの例を示す図である。 図１に示す液晶表示装置の変換テーブルの例を示す図である。 図１に示す液晶表示装置のリニアゲインシフト係数を求める処理のフローチャートである。 図１に示す液晶表示装置の入力画像の例を示す図である。 図１に示す液晶表示装置の入力画像の他の例を示す図である。 図１に示す液晶表示装置の入力画像の他の例を示す図である。 図１に示す液晶表示装置の入力画像の他の例を示す図である。 従来の第１の方法の階調変換特性と表示輝度特性を示す図である。 従来の第２の方法の階調変換特性と表示輝度特性を示す図である。

符号の説明

１…液晶表示装置
１０…液晶パネル
１１…走査信号線駆動回路
１２…映像信号線駆動回路
２０…表示制御回路
２１…タイミング制御部
２２…画像解析部
２３…階調変換部
２４…ＰＷＭ信号生成部
３０…バックライト
３１…バックライト電源回路

図１は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置１は、液晶パネル１０、走査信号線駆動回路１１、映像信号線駆動回路１２、表示制御回路２０、バックライト３０、および、バックライト電源回路３１を備えている。表示制御回路２０は、タイミング制御部２１、画像解析部２２、階調変換部２３、および、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号生成部２４を含んでいる。

液晶表示装置１には外部から、液晶パネル１０に表示すべき画像（以下、入力画像という）を表す映像信号Ｖ１と、映像信号Ｖ１の入力タイミングを示すタイミング制御信号Ｃ１とが入力される。液晶表示装置１は、入力画像を解析し、解析結果に応じた階調変換を行った画像を液晶パネル１０に表示すると共に、解析結果に応じてバックライト３０の輝度を制御する。以下、入力画像は、３個の色成分（Ｒ成分、Ｇ成分およびＢ成分）を含むものとする。

液晶パネル１０は、ｍ本の走査信号線Ｇ１〜Ｇｍ、ｎ本の映像信号線Ｓ１〜Ｓｎ、および、（ｍ×ｎ）個の画素回路Ｐを含んでいる（ただし、ｍとｎは２以上の整数）。走査信号線Ｇ１〜Ｇｍは互いに平行に配置され、映像信号線Ｓ１〜Ｓｎは走査信号線Ｇ１〜Ｇｍと直交するように互いに平行に配置される。（ｍ×ｎ）個の画素回路Ｐは、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍと映像信号線Ｓ１〜Ｓｎの各交点に対応して２次元状に配置される。走査信号線Ｇ１〜Ｇｍは、同じ行に配置された画素回路Ｐに共通して接続される。映像信号線Ｓ１〜Ｓｎは、同じ列に配置された画素回路Ｐに共通して接続される。

液晶表示装置１に入力されるタイミング制御信号Ｃ１には、水平同期信号ＨＳＹＮＣや垂直同期信号ＶＳＹＮＣなどが含まれる。タイミング制御部２１は、タイミング制御信号Ｃ１に基づき、走査信号線駆動回路１１に対するタイミング制御信号Ｃ２と、映像信号線駆動回路１２に対するタイミング制御信号Ｃ３とを出力する。画像解析部２２は、入力画像を解析し、解析結果に基づき階調変換部２３の特性とバックライト３０の輝度を決定する（詳細は後述）。階調変換部２３は、映像信号Ｖ１に対して画像解析部２２で決定された特性を有する階調変換を行い、変換後の映像信号Ｖ２を映像信号線駆動回路１２に対して出力する。ＰＷＭ信号生成部２４は、画像解析部２２で決定された輝度に応じた幅を有するＰＷＭ信号Ｃ４を出力する。

走査信号線駆動回路１１と映像信号線駆動回路１２は、液晶パネル１０の駆動回路である。走査信号線駆動回路１１は、タイミング制御信号Ｃ２に従い、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍを順に選択する。映像信号線駆動回路１２は、タイミング制御信号Ｃ３に従い、映像信号Ｖ２に応じた電圧を映像信号線Ｓ１〜Ｓｎに印加する。これにより、選択された走査信号線に接続された画素回路Ｐに対して、映像信号Ｖ２に応じた電圧を映像信号線を経由して書き込むことができる。液晶パネル１０の画素の透過率は、画素回路Ｐに書き込まれた電圧によって定まる。したがって、走査信号線駆動回路１１と映像信号線駆動回路１２を用いて、映像信号Ｖ２に基づく画像を液晶パネル１０に表示することができる。

バックライト３０は、複数の光源（図示せず）を含み、液晶パネル１０の背面に光（バックライト光）を照射する。バックライト電源回路３１は、ＰＷＭ信号Ｃ４が所定のレベル（例えば、ハイレベル）である間だけ、バックライト３０に電源電圧を供給する。したがって、ＰＷＭ信号生成部２４とバックライト電源回路３１を用いて、バックライト３０の輝度を画像解析部２２で決定した輝度に一致させることができる。

図２は、液晶表示装置１の階調変換特性と表示輝度特性を示す図である。図２において、原点をＯ、横軸をｘ軸、縦軸をｙ軸という。階調変換部２３に入出力される階調の最小値は０、最大値はＣＶＭである。例えば８ビットの映像信号の場合には、階調の最大値ＣＶＭは２５５になる。階調変換特性は、階調変換部２３の入力階調と出力階調の関係を表し、図２では線分ＯＰ１と曲線Ｐ１Ｐ２で与えられる。表示輝度特性は、階調変換部２３の入力階調と液晶パネル１０の輝度（最大輝度を１００％としたときの相対輝度）との関係を表し、図２では曲線ＯＱ１と曲線Ｑ１Ｑ２で与えられる。

図２に示すＣＶＭ以外の３つの値（最大階調ＣＶｍａｘ、境界階調ＣＶｔｈおよびリニアゲインシフト係数ＬＧｓ）は、画像解析部２２で求められる。なお、最大階調ＣＶｍａｘは一般には階調の最大値ＣＶＭとは異なり、０≦ＣＶｔｈ≦ＣＶｍａｘ≦ＣＶＭが成り立つ。リニアゲインシフト係数ＬＧｓは、０以上１以下の値を取る。図２には、参考のために、階調変換部２３がゲイン１の階調変換を行うときの階調変換特性（線分ＯＰ４）と表示輝度特性（曲線ＯＱ１と曲線Ｑ１Ｐ４：γ値が２．２のγ曲線）が記載されている。

図２に示す階調変換特性は、最大階調ＣＶｍａｘ、境界階調ＣＶｔｈおよびリニアゲインシフト係数ＬＧｓによって定まる。階調変換特性は、これら３つの値に基づき、以下の方法で決定される。まず、次式（１）を用いて、境界階調ＣＶｔｈより最大階調と境界階調の差のＬＧｓ倍だけ大きい階調ＣＶａを求める。
ＣＶａ＝ＣＶｔｈ＋ＬＧｓ（ＣＶｍａｘ−ＣＶｔｈ） …（１）

次に、原点Ｏと点Ｐ３（ＣＶａ，ＣＶＭ）を結ぶ線分と直線ｘ＝ＣＶｔｈの交点をＰ１とする。線分ＯＰ１は次式（２）で表され、点Ｐ１のｙ座標ＣＶｂは次式（３）で与えられる。
ｙ＝（ＣＶＭ／ＣＶａ）×ｘ （ただし、０≦ｘ≦ＣＶｔｈ） …（２）
ＣＶｂ＝（ＣＶＭ／ＣＶａ）×ＣＶｔｈ …（３）

曲線Ｐ１Ｐ２は、点Ｐ１（ＣＶｔｈ，ＣＶｂ）を始点とし、点Ｐ３（ＣＶａ，ＣＶＭ）を制御点とし、点Ｐ２（ＣＶｍａｘ，ＣＶＭ）を終点とした２次のスプライン曲線である。曲線Ｐ１Ｐ２上の点（ｘ，ｙ）は、媒介変数ｔ（０≦ｔ≦１）を用いて、次式（４）と（５）で表される。
ｘ＝（１−ｔ）²×Ｐ１ｘ＋２（１−ｔ）ｔ×Ｐ３ｘ＋ｔ²×Ｐ２ｘ …（４）
ｙ＝（１−ｔ）²×Ｐ１ｙ＋２（１−ｔ）ｔ×Ｐ３ｙ＋ｔ²×Ｐ２ｙ …（５）
ただし、式（４）（５）において、Ｐｉｘ（ｉ＝１〜３）は点Ｐｉのｘ座標、Ｐｉｙは点Ｐｉのｙ座標である。

曲線Ｐ１Ｐ２は、入力階調が大きいときほど、線分Ｐ１Ｐ３およびその延長から離れる。このため、境界階調ＣＶｔｈより大きい階調には、階調が大きいときほど小さくなるゲインが適用される。また、曲線Ｐ１Ｐ２は点Ｐ１で線分Ｐ１Ｐ３に接するので、出力階調は境界階調ＣＶｔｈの前後で連続的かつ滑らかに変化する。また、曲線Ｐ１Ｐ２は点Ｐ２で線分Ｐ２Ｐ３に接するので、出力階調の変化量は最大階調ＣＶｍａｘの近傍ではほぼ０になる。

このように階調変換部２３は、入力画像に対して、境界階調ＣＶｔｈより小さい階調には一定のゲイン（ＣＶＭ／ＣＶａ）を適用した階調変換を行い、境界階調ＣＶｔｈより大きい階調には階調が大きいときほど小さくなるゲインを適用した階調変換（特性がスプライン曲線Ｐ１Ｐ２となる階調変換）を行う。

図３は、画像解析部２２の処理を示すフローチャートである。画像解析部２２は、入力画像ごとに図３に示す処理を行う。図３に示すように、画像解析部２２は、まず、入力画像の色成分ごとにヒストグラムを作成する（ステップＳ１）。図４は、ステップＳ１で作成されるヒストグラムの例を示す図である。例えば入力画像が３個の色成分を含むときには、図４のようなヒストグラムが３個作成される。

次に、画像解析部２２は、作成したヒストグラムを用いて、各色成分について最大階調と境界階調を求める（ステップＳ２）。ここで、最大階調とは１つの色成分に含まれる最大の階調をいい、境界階調とは１つの色成分に含まれる各画素の階調の中で小さい側から（１００×Ｒ）％の位置にある階調をいう。ただし、割合Ｒ（０≦Ｒ≦１）は、表示画像の画質評価結果などに基づき予め決定されている。例えば図４において斜線部が全体の８０％を占め、割合Ｒが０．８のときには、境界階調は１６０となる。なお、図４では最大階調は２４０である。

次に、画像解析部２２は、Ｒ成分の最大階調、Ｇ成分の最大階調およびＢ成分の最大階調の最大値（以下、最大階調ＣＶｍａｘという）と、Ｒ成分の境界階調、Ｇ成分の境界階調およびＢ成分の境界階調の最大値（以下、境界階調ＣＶｔｈという）を求め、両者の差Ｄ（＝ＣＶｍａｘ−ＣＶｔｈ）を求める（ステップＳ３）。

次に、画像解析部２２は、差Ｄに応じたリニアゲインシフト係数ＬＧｓを求める（ステップＳ４）。画像解析部２２は、リニアゲインシフト係数ＬＧｓを求めるために、差Ｄに対応づけてリニアゲインシフト係数ＬＧｓを記憶した変換テーブルを内蔵している。図５は、変換テーブルの例を示す図である。画像解析部２２は、図５のような変換テーブルを用いて、差Ｄに応じたリニアゲインシフト係数ＬＧｓを求める。変換テーブルに記憶されるリニアゲインシフト係数ＬＧｓは、バックライト３０の輝度制御を行ったときの最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率が制限値以下になるように決定されている（詳細は後述）。

次に、画像解析部２２は、最大階調ＣＶｍａｘ、境界階調ＣＶｔｈおよびリニアゲインシフト係数ＬＧｓに基づき、上述した方法で、入力階調に対応した出力階調を求める（ステップＳ５）。

次に、画像解析部２２は、最大階調ＣＶｍａｘ、境界階調ＣＶｔｈおよびリニアゲインシフト係数ＬＧｓに基づき、バックライト３０の輝度を決定する（ステップＳ６）。ステップＳ６では、バックライト３０の輝度は、境界階調ＣＶｔｈより小さい階調について、バックライト３０の輝度制御と階調変換部２３による階調変換を行ったときの表示輝度が輝度制御と階調変換を行わないときの表示輝度と一致するように決定される。例えば表示輝度特性がγ値＝ｋのγ曲線となるときには、バックライト３０の輝度は最大輝度の（ＣＶａ／ＣＶＭ）^k 倍に決定される。

次に、画像解析部２２は、ステップＳ５で決定した階調変換特性を階調変換部２３に対して出力し、ステップＳ６で決定した輝度をＰＷＭ信号生成部２４に対して出力する（ステップＳ７）。階調変換部２３は、階調変換特性を記憶するために、入力階調に対応する出力階調を記憶するためのテーブル（図示せず）を含んでいる。ステップＳ５で決定された階調変換特性は、このテーブルに記憶される。ステップＳ６で決定された輝度は、ＰＷＭ信号生成部２４でＰＷＭ信号Ｃ４に変換される。

このように画像解析部２２は、入力画像に基づき境界階調ＣＶｔｈと最大階調ＣＶｍａｘを求め、求めた２個の階調に基づき、バックライト３０の輝度制御を行ったときの最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率が制限値以下になるように、階調変換部２３の特性を決定する。これに加えて、画像解析部２２は、境界階調ＣＶｔｈより小さい階調について、バックライト３０の輝度制御と階調変換部２３による階調変換を行ったときの表示輝度が輝度制御と階調変換を行わないときの表示輝度と一致するように、バックライト３０の輝度を決定する。

以下、最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈの差Ｄに応じたリニアゲインシフト係数ＬＧｓを求める方法を説明する。図６は、リニアゲインシフト係数ＬＧｓを求める処理を示すフローチャートである。図６に示す処理は液晶表示装置１を設計するときに行われ、この処理で求めたリニアゲインシフト係数ＬＧｓは画像解析部２２の変換テーブル（図５）に記憶される。

図６に示す処理では、まず、階調の分割数Ｎを決定する（ステップＳ１１）。例えば図５に示す例では、階調の分割数Ｎは１６に決定されている。この場合、２５６個の階調は１６個のクラスに分割され、各クラスに対応した階調（例えば、クラス内の最小階調、最大階調、中央の階調）が全部で１６個決定される。次に、バックライトの輝度の下限値を決定する（ステップＳ１２）。バックライトの輝度の下限値は、例えば最大輝度の１０％に決定される。

次に、ステップＳ１３〜Ｓ２１において、最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈとリニアゲインシフト係数ＬＧｓの値の組合せについて、最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率が制限値以下か否かを判定する。より詳細には、まず、各クラスに対応したＮ個の階調の中から、ＣＶｔｈ≦ＣＶｍａｘを満たすように最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈを選択し、０以上１０以下の整数の中から１個の整数を選択し、その０．１倍をリニアゲインシフト係数ＬＧｓとする（ステップＳ１３）。次に、図３に示すステップＳ６と同様に、最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈとリニアゲインシフト係数ＬＧｓに基づき、バックライトの輝度を決定する（ステップＳ１４）。

次に、輝度制御と階調変換を行って最大階調ＣＶｍａｘを表示したときの輝度Ａを求め（ステップＳ１５）、輝度制御と階調変換を行わずに最大階調ＣＶｍａｘを表示したときの輝度Ｂを求める（ステップＳ１６）。ただし、ステップＳ１５で輝度Ａを求めるときには、バックライトの輝度はステップＳ１２で決定された下限値以上であるとする。次に、求めた２個の輝度Ａ、Ｂに基づき、次式（６）に従い、最大階調ＣＶｍａｘを表示したときの輝度低下率Ｃを求める（ステップＳ１７）。
Ｃ＝（Ｂ−Ａ）×１００／Ｂ …（６）

次に、輝度低下率Ｃが予め定めた制限値以下であるか否かを判断し（ステップＳ１８）、輝度低下率Ｃが制限値以下である場合は判定結果を１とし（ステップＳ１９）、輝度低下率Ｃが制限値を超える場合は判定結果を０とする（ステップＳ２０）。ステップＳ１８で用いられる制限値は、表示画像の画質評価結果などに基づき、例えば４０％に決定される。次に、最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈとリニアゲインシフト係数ＬＧｓの値のすべての組合せを処理したか否かを判断し（ステップＳ２１）、未処理の組が残っている場合にはステップＳ１３へ進み、すべて処理ずみの場合にはステップＳ２２へ進む。

後者の場合、各クラスに対応したＮ個の階調の中から、最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈの差Ｄを選択する（ステップＳ２２）。次に、各クラスに対応したＮ個の階調の中から、Ｄ＝ＣＶｍａｘ−ＣＶｔｈを満たすように最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈを選択したときに、いずれの値の組合せについても判定結果が１となるＬＧｓの最小値を、差Ｄに対応したリニアゲインシフト係数ＬＧｓとして選択する（ステップＳ２３）。次に、すべての差Ｄについて処理したか否かを判断し（ステップＳ２４）、未処理の差が残っている場合にはステップＳ２２へ進み、すべて処理ずみの場合には処理を終了する。

以上の処理（図６に示す処理）を行うことにより、画像解析部２２の変換テーブル（図５）を得ることができる。なお、図６に示す処理によって、差Ｄが小さい場合のリニアゲインシフト係数ＬＧｓを求めると、ＬＧｓ＝０になることがあるが、この値をそのまま使用すると階調つぶれが発生する。そこで、階調つぶれの抑制を優先する場合には、求めた値０を例えば０．１や０．２などに補正してもよい。逆に消費電力の削減を優先する場合には、求めた値０をそのまま使用してもよい。

図６に示す処理によれば、最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率が制限値以下（例えば、４０％以下）になるように、リニアゲインシフト係数ＬＧｓを決定することができる。なお、図６に示す処理では、階調の分割数Ｎやリニアゲインシフト係数ＬＧｓの刻み幅や最大階調の輝度低下率の制限値は任意に決定してよい。例えば、階調の分割数Ｎを大きくし、さらにリニアゲインシフト係数ＬＧｓの刻み幅を小さくすれば、様々な最大階調ＣＶｍａｘと境界階調ＣＶｔｈを有する画像について、最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率がより制限値に近くなるように階調変換特性とバックライトの輝度を決定し、バックライトの消費電力をより効果的に削減することができる。

図７Ａ〜図７Ｄは、液晶表示装置１の入力画像の例を示す図である。ここでは、階調の最大値ＣＶＭは２５５である。図７Ａに示す画像は、黒色領域（階調は０）と灰色領域（階調は１６８）からなる背景の中に３個の白い文字（階調は左から順に２５５、２４３、２３０）を含んでいる。図７Ｂに示す画像は、図７Ａと同じ背景中に１個の白い文字（階調は２３０）を含んでいる。図７Ｃに示す画像は、黒い背景（階調は０）の中に１個の白い文字（階調は２５５）を含んでいる。図７Ｄに示す画像は、左端が黒く（階調は０）、右端が白い（階調は２５５）グラデーション画像である。なお、図７Ａ〜図７Ｃに示す画像では、画像全体の中で白い文字が占める割合は１０％未満である。

従来の方法を用いて図７Ａ〜図７Ｄに示す画像を表示すると、以下のような問題が発生する。上記従来の第１の方法（図８）を用いて図７Ａに示す画像を表示した場合、３個の文字はすべて灰色領域と同じ輝度で表示され、文字の上半分と灰色領域を区別できなくなる。図７Ｂに示す画像を表示した場合も、文字の上半分と灰色領域を区別できなくなる。図７Ｃに示す画像を表示した場合には、文字は黒い背景と同じ輝度で表示され、全く見えなくなる。図７Ｄに示す画像を表示した場合には、画像の右端から所定の範囲（例えば、ＣＶｔｈを小さい側から９０％の位置にある階調としたときには１０％の範囲）は最大輝度で白く表示される。従来の第１の方法では、バックライトの消費電力を大幅に削減できるが、ある範囲の階調を同じ輝度で表示する、いわゆる階調つぶれが発生するために、黒い背景中の白い文字などが見えなくなる。

上記従来の第２の方法（図９）を用いて図７Ａ〜図７Ｄに示す画像を表示すると、ほぼすべての階調で元のγ曲線からずれが生じるので、文字を所望の輝度で表示できなくなる。特許文献１記載の方法を用いて図７Ａ、図７Ｃおよび図７Ｄに示す画像を表示した場合には、画像中に階調の最大値２５５が含まれるので、バックライトの輝度を全く低くすることができない。特許文献２および３記載の方法を用いて図７Ａ〜図７Ｃに示す画像を表示した場合には、白い文字の輝度が大幅に低下する。

これに対して、本実施形態に係る液晶表示装置１において最大階調の輝度低下率の制限値を４０％として図７Ａ〜図７Ｄに示す画像を表示すると、以下の結果が得られる。バックライト３０の輝度は、図７Ａに示す画像では約２１％、図７Ｂに示す画像では約４２％、図７Ｃに示す画像では約４０％、図７Ｄに示す画像では約３１％削減される。図７Ａ〜図７Ｃに示す画像を表示した場合には、文字は背景とは異なる輝度で表示されるので、背景と区別でき、さらに図７Ａの場合には、白い文字Ｘ、ＹおよびＺをそれぞれ異なる輝度で表示することができる。このとき文字の輝度は低下するが、最大階調の輝度低下率が制限されているので、文字の輝度が制限以上に低下することはない。図７Ｄに示す画像を表示した場合には、画像の右端から所定の範囲（例えば、境界階調ＣＶｔｈを小さい側から８０％の位置にある階調としたときには２０％の範囲）では輝度の分布状況が変化するが、その範囲でも階調つぶれは発生しない。また、図７Ａ〜図７Ｄに示す画像を表示した場合、表示輝度のγ曲線からのずれはわずかである。

以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置１によれば、入力画像を解析し、解析結果に基づきバックライト３０の輝度制御を行うことにより、入力画像の特性に応じてバックライト３０の消費電力を削減することができる。また、バックライト３０の輝度制御を行ったときの最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率を制限することにより、最大階調ＣＶｍａｘやこれに近い階調の輝度を大幅に低下させることなく表示することができる。また、境界階調ＣＶｔｈより小さい階調には一定のゲインを適用し、境界階調ＣＶｔｈより大きい階調には単調に減少するゲインを適用することにより、階調つぶれを抑制し、階調ずれを抑制することができる。このように画質劣化を抑制しながら、バックライトの消費電力を削減することができる。

また、階調変換部２３は、境界階調ＣＶｔｈより大きい階調には特性がスプライン曲線となる階調変換を行う。このため、境界階調ＣＶｔｈより大きい部分の階調変換特性は連続的かつ滑らかに変化する。また、このスプライン曲線は、境界階調ＣＶｔｈにおいて、境界階調ＣＶｔｈより小さい部分の階調変換特性に接するので、階調変換特性は境界階調ＣＶｔｈの前後で連続的かつ滑らかに変化する。したがって、階調変換部２３の出力階調や表示輝度が不連続になることを抑制し、画質劣化を抑制することができる。

また、画像解析部２２は、最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率が制限値以下になるように定めたリニアゲインシフト係数ＬＧｓを変換テーブルに予め記憶している。これにより、画像が入力されるたびに煩雑な画像解析演算を行う必要がなくなり、最大階調ＣＶｍａｘの輝度低下率が制限値以下になるリニアゲインシフト係数ＬＧｓを容易に求めることができる。

また、画像解析部２２は、境界階調ＣＶｔｈより小さい階調について、バックライト３０の輝度制御と階調変換部２３による階調変換を行ったときの表示輝度が輝度制御と階調変換を行わないときの表示輝度と一致するように、バックライト３０の輝度を決定する。これにより、境界階調ＣＶｔｈより小さい階調については輝度制御と階調変換を行わないときと同じ輝度で表示し、輝度制御と階調変換を行わないときと同様の画像を表示することができる。また、階調の最大値ＣＶＭではなく、入力画像に含まれる最大階調ＣＶｍａｘに基づきバックライト３０の輝度を決定することにより、バックライト３０の消費電力をより効果的に削減することができる。

また、画像解析部２２は、入力画像に含まれる各画素の階調の中で小さい側から所定割合の位置にある階調を境界階調ＣＶｔｈとして決定する。これにより、入力画像に含まれる所定割合の画素を一定のゲインを適用する階調変換を行って表示することができる。また、バックライト３０の輝度を好適に制御すれば、入力画像に含まれる所定割合の画素を輝度制御と階調変換を行わないときと同じ輝度で表示することができる。

なお、本実施形態に係る液晶表示装置１については、各種の変形例を構成することができる。例えば、画像解析部２２は、入力画像に含まれる各画素の階調の中で大きい側から所定割合の位置にある階調を境界階調ＣＶｔｈとして決定してもよい。あるいは、画像解析部２２は、最大階調ＣＶｍａｘに基づき境界階調ＣＶｔｈを決定してもよい。また、最大階調ＣＶｍａｘ、境界階調ＣＶｔｈおよびリニアゲインシフト係数ＬＧｓに基づき、入力階調に対応する出力階調を求める処理（図３のステップＳ５）を画像解析部２２ではなく、階調変換部２３が行ってもよい。また、上記の方法で、液晶表示装置以外の表示装置を構成することができる。これら変形例に係る表示装置（液晶表示装置を含む）によっても、画質劣化を抑制しながら、バックライトの消費電力を削減することができる。

本発明の表示装置は、画質劣化を抑制しながらバックライトの消費電力を削減できるという効果を奏するので、液晶表示装置を始め、バックライトを備えた各種の表示装置に利用することができる。

Claims (8)

1. バックライトの輝度制御と画像の階調変換を行う表示装置であって、
   複数の画素回路を含む表示パネルと、
   前記表示パネルを駆動する駆動回路と、
   前記表示パネルの背面に光を照射するバックライトと、
   入力画像に対して、境界階調より小さい階調には一定のゲインを適用し、前記境界階調より大きい階調には階調が大きいときほど小さくなるゲインを適用する階調変換を行い、変換後の画像を前記駆動回路に対して出力する階調変換部と、
   前記入力画像を解析し、前記階調変換部の特性と前記バックライトの輝度を決定する画像解析部とを備え、
   前記画像解析部は、前記入力画像に基づき前記境界階調と前記入力画像に含まれる最大階調とを求め、求めた２個の階調に基づき、前記バックライトの輝度を低くする輝度制御を行ったときの前記最大階調の輝度低下率が制限値以下になるように前記階調変換部の特性を決定し、前記境界階調より小さい階調について、前記バックライトの輝度制御と前記階調変換部による階調変換を行ったときの表示輝度が輝度制御と階調変換を行わないときの表示輝度と一致するように前記バックライトの輝度を決定することを特徴とする、表示装置。
2. 前記画像解析部は、前記最大階調と前記境界階調の差に基づき、前記輝度低下率が前記制限値以下になるように、前記階調変換部の特性を定めるパラメータを決定することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記パラメータが、前記最大階調と前記境界階調の差に対する、前記階調変換部の特性を特徴づける階調と前記境界階調の差の割合であることを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
4. 前記境界階調をＣＶｔｈ、前記最大階調をＣＶｍａｘ、前記パラメータをＬＧｓ、前記階調変換部の出力階調の最大値をＣＶＭとし、｛ＣＶｔｈ＋ＬＧｓ（ＣＶｍａｘ−ＣＶｔｈ）｝をＣＶａ、（ＣＶＭ／ＣＶａ）×ＣＶｔｈをＣＶｂとしたとき、
   前記階調変換部は、前記境界階調より小さい階調にはゲインが（ＣＶＭ／ＣＶａ）の階調変換を行い、前記境界階調より大きい階調には、特性が点（ＣＶｔｈ，ＣＶｂ）を始点とし、点（ＣＶａ，ＣＶＭ）を制御点とし、点（ＣＶｍａｘ，ＣＶＭ）を終点としたスプライン曲線となる階調変換を行うことを特徴とする、請求項３に記載の表示装置。
5. 前記画像解析部は、前記最大階調と前記境界階調の差に対応づけて、前記輝度低下率が前記制限値以下になるように定めた前記パラメータを予め記憶していることを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
6. 前記階調変換部は、前記境界階調より大きい階調には、特性がスプライン曲線となる階調変換を行うことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
7. 前記画像解析部は、前記入力画像に含まれる各画素の階調の中で小さい側または大きい側から所定割合の位置にある階調を前記境界階調として決定することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
8. 表示パネルと前記表示パネルの駆動回路とバックライトとを有する表示装置を用いた表示方法であって、
   入力画像に対して、境界階調より小さい階調には一定のゲインを適用し、前記境界階調より大きい階調には階調が大きいときほど小さくなるゲインを適用する階調変換を行うステップと、
   前記駆動回路を用いて、変換後の画像に基づき前記表示パネルを駆動するステップと、
   前記バックライトを用いて、前記表示パネルの背面に光を照射するステップと、
   前記入力画像を解析し、階調変換特性と前記バックライトの輝度を決定するステップとを備え、
   前記階調変換特性と前記バックライトの輝度を決定するステップは、前記入力画像に基づき前記境界階調と前記入力画像に含まれる最大階調とを求め、求めた２個の階調に基づき、前記バックライトの輝度を低くする輝度制御を行ったときの前記最大階調の輝度低下率が制限値以下になるように前記階調変換特性を決定し、前記境界階調より小さい階調について、前記バックライトの輝度制御と前記階調変換を行ったときの表示輝度が輝度制御と階調変換を行わないときの表示輝度と一致するように前記バックライトの輝度を決定することを特徴とする、表示方法。

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