JP5134658B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、画像表示装置に関する。

省電力化等を目的として、階調を持つ画像等を表示する表示装置のピーク輝度を減少さ
せる処理が行われている。しかし、ピーク輝度を減少させると表示装置のダイナミックレ
ンジが低下する。ピーク輝度を低下することで、画像内の暗部と明部との階調間の輝度差が縮まるためである。

入力画像内の黒側区間及び白側区間の輝度ヒストグラムの総数を算出し、算出結果から
生成される輝度を上げるγカーブ及び輝度を下げるγカーブをブレンドしたγカーブを生
成する技術が開示されている。

γカーブのゲインを、白側と黒側の階調値の出現頻度に基づいて画面内で一様に設定し
ているため、出現頻度が低い黒側区間、または、白側区間において階調間の輝度差が縮ま
り階調つぶれが起きる。

特開２００９−１７２００号公報

本発明が解決しようとする課題は、ピーク輝度を増加又は減少させた場合でも、階調つ
ぶれと局所領域ごとの輝度ムラが抑制された画像を表示することにある。

上記課題を解決するために、実施態様の画像表示装置では、設定部が処理対象の画像を
表示する際の画面の輝度を指示する画面輝度信号を設定する。第1ガンマ算出部が、前記
画面輝度信号に応じて、階調変換特性を示す第１ガンマ信号を前記処理対象の画像に対し
て１つ算出し、第2ガンマ算出部が、前記処理対象の画像の領域の画素値に応じて、階調
変換特性を示す第２ガンマ信号を前記領域ごとに算出する。得られた前記第１ガンマ信号
と、前記処理対象の前記領域に対応する前記第２ガンマ信号とを用いて、変換部が前記処
理対象の画像の階調を変換し、階調が変換された前記処理対象の画像を表示部が表示する
。

第１の実施形態の画像表示装置を示す図。 変換部の構成を示す図。 第１の実施形態の画像表示装置の動作を示す図。 第１の実施形態のグローバルガンマ算出部の動作を示す図。 第１の実施形態のローカルガンマ算出部の動作を示す図。 第１の実施形態の変換部の動作を示す図。

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、本実施形態の画像表示装置１００を示す図である。画像表示装置１００は、画
面輝度設定部１０、グローバルガンマ算出部１１、ローカルガンマ算出部１２、明るさ情
報算出部１５３、ブレンド率算出部１５４、変換部１５、画像を表示する表示部１６を有
する。

入力映像信号の形式は、様々に想定され得る。本実施形態においては、Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＵｎｉｏｎのＹＣｂＣｒ伝送規格
に従った例について述べる。ＹＣｂＣｒ伝送規格では各画素は画素値として輝度成分、赤
緑成分、青黄成分の３チャンネルの信号を有する。画面内の位置（ｕ，ｖ）の映像信号の
うち輝度成分を階調値ｘ（ｕ、ｖ）と記載する。入力映像信号は、あらゆる機器または媒
体から入力される画像であって構わない。例えば、ＨＤＤなどの記録媒体から、ネットワ
ークを介して接続された外部装置から、又はＴＶなどの放送波から入力された映像信号で
あってよい。

画面輝度設定部１０は、表示部１６が画像を表示する際のピーク輝度を指示する画面輝
度信号を設定する。画面輝度設定部１０は、ユーザがインターフェース（図示しない）に
よって入力した入力映像信号に関する画面表示のパラメータに応じて画面輝度信号を設定
する。または、照度センサー（図示しない）を備えセンサーが計測した画像表示装置１０
０が置かれた環境の照度に応じて画面輝度信号を設定する構成であっても構わない。例え
ば、照度が高い場合にはピーク輝度を高くし、照度が低い場合にはピーク輝度を低くする
ような画面輝度信号を設定する。また、画像表示装置１００がバッテリー（図示しない）
で駆動する場合にはバッテリーの残量に応じて画面輝度信号を設定する構成であっても構
わない。例えば、バッテリーの残量が多い場合にはピーク輝度を高くし、バッテリーの残
量が少ない場合にはピーク輝度を低くするような画面輝度信号を設定する。このような画
面輝度信号は、グローバルガンマ算出部１１と、表示部１６とに送られる。

グローバルガンマ算出部１１は、画面輝度信号に応じて階調変換特性を示すグローバル
ガンマ信号を処理対象の入力映像信号に対して１つ算出し、変換部１５へ送る。つまり、
１枚（１フレームまたは１フィールド）の画像に対して１つのグローバルガンマを算出す
る。

ローカルガンマ算出部１２は、処理対象の入力映像信号内の複数の領域毎に、領域内の
画素値に応じて階調変換特性を示すローカルガンマ信号を算出し、ブレンド率算出部１５
４へ送る。ローカルガンマ算出部１２は、入力映像信号をＭ×Ｎ個の小領域に分割し、（
ｍ，ｎ）番目の小領域内の画素値のヒストグラムを算出する。（ｍ，ｎ）番目の小領域の
局所的な階調性を保持するローカルガンマ信号を（ｍ，ｎ）番目の小領域内の画素値のヒ
ストグラムに基づいて算出する。

変換部１５は、処理対象の入力映像信号の階調値を、ローカルガンマ信号と、変換を行
う領域に対応するローカルガンマ信号とを用いて変換を行って映像信号を求める。変換部
１５の詳細な構成については後述する。

表示部１６は、画像を表示する。本実施形態では、表示部１６が液晶ディスプレイであ
る例について述べる。そのため、表示部１６は、バックライト１６１と、液晶パネル１６
２とを備える。画面輝度信号に応じた輝度でバックライト１６１を点灯させる。また、変
換部１５が階調変換を行った映像信号を液晶パネル１６２に書き込むことで画像を表示す
る。
なお、表示部１６は画像等の情報を表示可能であればよい。例えば、有機ＥＬパネルや
、プラズマディスプレイパネル、ＣＲＴ等を用いてもよい。なお、有機ＥＬパネルのよう
な自発光型の表示装置を用いた場合、前記画面輝度信号は表示素子の発光のピーク輝度を
、映像信号は各表示素子に割り当てる映像信号を意味し，前記画面輝度信号に従って各素
子に流入する駆動電流のゲインを制御し，前記映像信号と前記ゲインとに基づいて各素子
がそれぞれ発光することで画像を表示する。

図２は、変換部１５の詳細な構成を示す図である。変換部１５は、明るさ情報算出部１
５３と、ブレンド率算出部１５４と、階調変換部１５５とを備える。

明るさ情報算出部１５３は、入力映像信号を用いて、画像内の空間的な輝度の分布を示
す明るさ情報を算出する。

ブレンド率算出部１５４は、明るさ情報を用いて、グローバルガンマ信号とローカルガ
ンマ信号の合成度合いを示すブレンド率を算出し、変換部１５へ送る。ブレンド率は、画
素ごとに算出しても良いし、画素の周辺領域単位に算出しても構わない。

階調変換部１５５は、グローバルガンマ信号とローカルガンマ信号とブレンド率とを用
いて入力映像信号を階調変換した信号である映像信号を算出し、表示部１６に送る。

図３は、画像表示装置の動作を示す図である。

処理対象の入力映像信号が画像表示装置１００に入力する（Ｓ３１）。画面輝度設定部
１０は、処理対象の入力映像信号を表示する際の表示部１６の画面輝度を指示する画面輝
度信号ｐｌを設定する（Ｓ３２）。前述の通り、画面輝度信号の設定方法は種々の方法で
あって構わない。

グローバルガンマ算出部１１は、画面輝度信号ｐｌを用いて、画面一様の階調変換特性
であるグローバルガンマ信号Gを算出する（Ｓ３３）。グローバルガンマ信号Ｇは、次の
式で（１）で表される。

ここで、ｘは入力映像信号の階調値、ｘｍａｘは入力映像信号の階調値の最大値、γは
表示部１６の特性から定まるガンマ、ＰＬは画面輝度設定部１０が設定しうる画面輝度信
号の最大値を示す。

図４に、グローバルガンマ信号Ｇの一例を示す。ＰＬ＝ｐｌの場合と、ＰＬ＞ｐｌの場
合の階調値ｘに対する表示部１６の表示特性を示す図である。グローバルガンマ信号Ｇは
、高輝度での階調潰れを防ぐため、高階調部を丸めることが望ましい。

ローカルガンマ算出部１２は、入力映像信号をＭ×Ｎ個の小領域に分割する（S３４）。
小領域の形状は様々に想定され得る。本実施形態では、水平方向にM分割、垂直方向にN分
割した矩形の小領域を想定する。なお、該小領域は、人物やオブジェクトごとにクラスタ
リングした非線形形状の領域であっても構わない。

ローカルガンマ算出部１２は、（ｍ，ｎ）番目の小領域内に存在する画素の階調値のヒ
ストグラムＨｍｎを算出する（S３５）。ヒストグラムは階調値の最大値であるｘｍａｘ
個のビンを用意することが望ましい。

第１の実施形態におけるステップＳ３５では、階調値ヒストグラムＨｍｎを（ｍ，ｎ）
番目の小領域内の階調値から算出しているがこの探索範囲は該小領域の周辺の小領域に拡
張されても構わない。例えば、該小領域の周辺の（m−１，ｎ−１），（m，ｎ−１），（
m＋１，ｎ−１），（m−１，ｎ），（m，ｎ），（m＋１，ｎ），（m−１，ｎ＋１），（m
，ｎ＋１），（m＋１，ｎ＋１）番目の小領域内の画素の階調値を参照して、（ｍ，ｎ）
晩円の階調値ヒストグラムを作成しても構わない。このように階調値ヒストグラムＨｍｎ
を作成することで、各領域におけるヒストグラムの形状の差が小さくなり、後段のステッ
プ（Ｓ３６）によって算出される前記ローカルガンマ信号の差に起因する輝度ムラの発生
を抑制できる。

階調値ヒストグラムＨｍｎを用いて（ｍ，ｎ）番目の小領域の局所的な階調性を保持す
るローカルガンマ信号Ｌｍｎを算出し、変換部１５へ送る（Ｓ３６）。ローカルガンマ信
号Ｌｍｎは次式により算出する。

式（２）の第１項は画面輝度信号がｐｌの場合とＰＬの場合の明度に関する二乗誤差を示
す。式（２）の第２項は画面輝度信号がｐｌの場合とＰＬの場合の明度の勾配に関する二
乗誤差であり、Ｅ（ｘ、ｐｌ）は画面輝度信号がｐｌ時のＬｍｎの評価値を示す。ｘは入
力映像信号の階調値、Ｒ（ｘ、ＰＬ） は画面輝度信号がＰＬ時の階調値ｘの明度、ｒ（
ｘ、ｐｌ）は画面輝度信号がｐｌ時の階調値ｘの明度を示す。λは２つの重みつき二乗誤
差に対する線形結合係数であり０．５より小さい値に設定することが望ましい。また、ｗ
α（ｘ）とｗβ（ｘ）は第１項と第２項の線形結合関数である。

本実施形態のおけるＬｍｎ（ｘ）の算出方法は、ｘｍａｘ＝２５６として、まず０階調
と２５６階調の内分点である１２８階調に対する出力階調Ｌｍｎ（ｘ０１）を求め、続い
て０階調と１２８階調の内分点である６４階調、及び、１２９階調と２５６階調の内分点
である１９２階調の出力階調Ｌｍｎ（ｘ１１）、Ｌｍｎ（ｘ１３）を求める。以下、全て
の階調値が決まるまで上記処理を繰り返して行う。ここでは、繰り返し処理の階層番号を
ｌ、入出力階調の位置を示す番号をｐとし、各階層の入力階調をｘｌｐと表すこととする
。

今、入力階調ｘｉｐ−１、ｘｉｐ＋１を内分する点ｘｌｐの出力階調Ｌｍｎ（ｘｌｐ）
を求めることを考える。このとき、ヒストグラムＨｍｎを階調ｘｉｐ−１〜ｘｉｐの頻度
と、階調ｘｉｐ〜ｘｉｐ＋１の頻度の二つの部分ヒストグラムで表すことで、階調ｘｉｐ
−１〜ｘｉｐ＋１に対する重みｗα（ｘ）、ｗβ（ｘ）が次式により算出される。

この時、Ｈｍｎ（ｉ）は、（ｍ，ｎ）番目の小領域における階調値ｉの出現頻度を表す。

図５に、画面輝度信号がｐｌである場合の（ｍ，ｎ）番目の小領域におけるＬｍｎの算
出例を示す。グラフは、横軸に階調値を、縦軸の実線が出現頻度であり、実線は算出され
たローカルガンマ信号Ｌｍｎの出力特性を示している。図５から、ローカルガンマ信号Ｌ
ｍｎは、（ｍ，ｎ）番目の小領域内で出現頻度の高い階調において階調値とその勾配が大
きくなっていることが分かる。

明るさ情報算出部１５３は、入力映像信号を用いて、画像内の空間的な輝度の分布を示
す明るさ情報Ｙを算出し、ブレンド率算出部１５４へ送る（Ｓ３７）。この時、局所的な
輝度の分布の算出は、当該画素の周辺の階調値の平均値であっても良いし、中央値、最大
値、最小値、標準偏差などであっても構わない。また、明るさ情報Ｙは、処理対象画素ご
とに算出しても良いし、画素の周辺領域ごとに算出しても良い。本実施形態では、エッジ
保存型の空間平滑化フィルタを用いて、画素ごとの明るさ情報Ｙ（ｕ、ｖ）を次式によっ
て算出する場合について例示する。

ｘ（ｕ、ｖ）は入力映像信号の画素（ｕ、ｖ）における輝度成分の階調値、Ｂ（ｕ、ｖ）はフィルタリング後の輝度成分、εは輝度成分の差によって設定される閾値、Ｔ（ｕ、ｖ）は、所定のタップ数ｔに対する畳み込み関数を重畳した関数である。この時、タップ数ｔと閾値εは適切な値に調整されることが望ましい。例えば、ｔは入力映像信号をＭ×Ｎ領域に分割した小領域の直径程度に、εは入力映像信号の階調値の最大値ｘｍａｘの０．０２〜０．２０倍程度に設定されることが望ましい。ブレンド率算出部１５４は、明るさ情報Ｙを用いて、グローバルガンマ信号とローカルガンマ信号の合成度合いを示すブレンド率αを算出し、変換部１５へ送る（Ｓ３８）。グローバルガンマ信号は暗部の階調性を向上し、ローカルガンマ信号は明部の階調性を向上するための階調変換特性である。そのため、ブレンド率αは、明るさ情報Yの大きさが小さいほどグローバルガンマ信号の割合が高くなり、明るさ情報Yの大きさが大きいほどローカルガンマ信号の割合が高くなるようなαを算出することが望ましい。この時、ブレンド率の算出は、画素ごとであっても良いし、複数画素を有する領域ごとであっても構わない。本実施形態では、画素ごとのブレンド率α（ｕ、ｖ）を次式によって算出する。

ｘｍａｘは入力映像信号の階調値の最大値である。

階調変換部１５５は、グローバルガンマ信号Ｇとローカルガンマ信号Ｌｍｎとブレンド
率αとを用いて入力映像信号を階調変換した信号である映像信号ｆを算出し、表示部１６
に送る（Ｓ３９）。本実施形態では、入力映像信号の水平画素位置ｕ、垂直画素位置ｖに
対する輝度成分の階調値ｘ（ｕ、ｖ）を階調変換した映像信号ｆ（ｕ、ｖ）は次式によっ
て算出する。

ここで、ｃはブレンド強度係数であり、０〜１の間で設定されることが望ましい。本実
施形態におけるＳ１０７では、分割したＭ×Ｎ領域の全領域の全画素を式（６）に従って
階調変換し映像信号ｆとして算出する。尚、映像信号ｆは、式（６）のような線形結合以
外に、反比例演算のように非線形な結合によって算出されても構わない。

図６に、入力映像信号の階調値ｘに対するグローバルガンマ信号Ｇ、ローカルガンマ信
号Ｌｍｎ、映像信号ｆの出力の一例を示す。尚、図６では、α＝０．５、ｃ＝１．０であ
る。図６のように、本実施形態によれば、画面輝度信号が最大値より小さくとも、暗部の
階調性を向上しつつ、明部の階調性も維持する階調変換を行うことが可能となる。
階調変換部１５５は、（ｍ，ｎ）番目の小領域内の全画素について変換を行ったか判断
する（Ｓ４０）。変換を行っている場合（Ｓ４０，Ｙｅｓ）、Ｓ４１に進む。変換を行っ
ていない場合（Ｓ４０，Ｎｏ）、Ｓ４００に進む。明るさ情報算出部は、まだ変換されて
いない画素を選択しS３７に戻る（Ｓ４００）。

階調変換部１５５は、Ｍ×Ｎの全小領域の画素を変換したかを判定する（Ｓ４１）。変
換を行っていない場合（Ｓ４１，Ｎｏ）、Ｓ４００に進む。明るさ情報算出部は、まだ変
換されていない小領域を選択ＳＳ３５に戻る（Ｓ４１０）。変換を行っている場合（Ｓ４
０，Ｙｅｓ）、Ｓ４２進む。

表示部１６は、画面輝度信号ｐｌに基づいてバックライト１６１を発光させ、映像信号
ｆを液晶パネル１６２に書き込むことにより、画像を表示する（Ｓ４２）。

本実施形態によれば、省電力化等の目的で表示装置のピーク輝度を減少させた場合でも
、出現頻度の低い高階調部、または、低階調部の階調性が向上し、局所領域の輝度ムラを
抑制できる。また、画面内で一様なグローバルガンマを用いることで輝度ムラの発生が抑
制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。

画像表示装置１００、画面輝度設定部１０、グローバルガンマ算出部１１、ローカルガン
マ算出部１２、明るさ情報算出部１５３、ブレンド率算出部１５４、変換部１５、表示部
１６、バックライト１６１、液晶パネル１６２

Claims (5)

1. 処理対象の画像を表示する際の画面の輝度を指示する画面輝度信号を設定する設定部と、
   前記画面輝度信号に応じて、階調変換特性を示す第１ガンマ信号を前記処理対象の画像に対して１つ算出する第１ガンマ算出部と、
   前記処理対象の画像内の一部分を示す領域の画素値に応じて、階調変換特性を示す第２ガンマ信号を前記領域ごとに算出する第２ガンマ算出部と、
   前記処理対象の画像の階調を、前記第１ガンマ信号と、処理を行う前記領域に対応する前記第２ガンマ信号とを用いて変換を行う変換部と、
   階調が変換された前記処理対象の画像を、前記画面輝度信号に応じて表示する表示部と、
   を有する画像表示装置。
2. 前記変換部は、
   処理を行う前記領域に含まれる処理対象画素を含む周辺領域における画像の明るさ情報を算出する明るさ情報算出部と、
   前記明るさ情報を用いて、前記第１ガンマ信号と前記第２ガンマ信号のブレンド率を算出するブレンド率算出部と、
   前記第１ガンマ信号と、前記第２ガンマ信号と、前記ブレンド率とを用いて、階調変換を行う階調変換部と、
   を有する請求項１記載の画像表示装置。
3. 第１ガンマ算出部は、輝度の低い画像での階調つぶれを抑制する前記第１ガンマ信号を生成し、
   第２ガンマ算出部は、輝度の高い画像での階調つぶれを抑制する前記第２ガンマ信号を生成することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項記載の画像表示装置。
4. 前記ブレンド率算出部は、前記明るさ情報が暗いことを示すほど前記第１ガンマ信号の割合が高くなる前記ブレンド率を算出する請求項２乃至３のいずれか１項記載の画像表示装置。
5. 前記設定部は、計測された照度に応じて前記照度が高い場合には輝度が高く、前記照度が低い場合には輝度が低くするような画面輝度信号を設定する請求項１記載の画像表示装置。

Images