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Description
このような透過型表示装置では、表示画像や表示視覚情報が背景や環境の明るさ又は輝度に影響を受けてその視認性が劣化し、又は風景画像に重畳された表示画像や表示視覚情報が風景画像の変化によって影響を受けてその視認性が劣化するため、背景や環境の明るさ又は輝度を測定又は推定し、その背景、環境の明るさ又は輝度に応じて表示画像又は表示視覚情報の表示輝度を制御することが提案されている。また、透過型表示装置では、さらなる視認性の向上のために、背景又は環境の明るさ又は輝度のみならず、その細かさに応じて表示画像又は表示視覚情報の表示輝度を制御することも提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特に、車両用表示装置の場合、背景明るさ及び細かさの変化が早く、かつ大きい上に、観察時間も短いため、コントラストが劣化していると、表示画像、及び/又は表示視覚情報の識別を短時間にできないという問題があった。
このため、この車両用表示装置のような透過型表示装置では、視認性の更なる向上が求められていた。
また、視認性の更なる向上には、表示輝度を上げ、制御できる表示輝度の範囲を広くすることも必要になるが、ルームミラーとして用いられている車両用表示装置の表示面部材がハーフミラーである場合には、ハーフミラーとして用いられる従来の表示面部材の透過率には限度があり、高い透過率の表示面部材が求められていた。
即ち、本発明は、上記目的の如く、環境光、表示デバイスの表示輝度(背景画像及び反射画像、又は透過画像の明るさ又は輝度)、及び観察距離に応じて最適化されたコントラストによって表示コンテンツを表示することができ、表示コンテンツの視認性を向上させることができる表示装置を提供することを目的とする。
また、表示面部材は、ハーフミラー、又は波長選択フィルムであり、投影ユニットは、液晶ディスプレイ、反射型液晶パネル、及びホログラフィック光学素子の少なくとも1つであり、表示装置は、ヘッドアップディスプレイ、及びオーグメンテッド・リアリティデバイスの1つであることが好ましい。
ここで、表示面部材は、ハーフミラー、又は波長選択フィルムであり、表示ユニットは、液晶ディスプレイ、反射型液晶パネル、及びホログラフィック光学素子の少なくとも1つであり、表示装置は、画像表示機能付きミラー、及びモニター内臓ミラーの1つであることが好ましい。
また、目標空間周波数特性は、入力空間周波数特性であることが好ましく、又は、目標空間周波数特性は、入力画像の初期スペクトルに対して、予め設定、又は調整された空間周波数特性であることが好ましい。
また、画像処理ユニットは、表示画像の表示空間周波数特性と目標空間周波数特性との差が最小となるように、入力画像の画像データを画像処理して表示画像の画像データを出力することが好ましい。
また、画像処理ユニットは、視認される表示画像のコントラストを、目標空間周波数特性を持つ画像のコントラストからの変化が最小となるように最適化することが好ましい。
また、表示輝度取得部、観察距離検出部、及び環境光検出部は、予め設定された時間間隔で、それぞれ表示輝度、観察距離、及び環境光の輝度を検出して、それぞれ検出された表示輝度、観察距離、及び環境光の輝度を算出部に出力し、算出部は、表示輝度取得部、観察距離検出部、及び環境光検出部からそれぞれ出力された表示輝度、観察距離、及び環境光の輝度に基づいて、時間間隔で、視覚感度関数を算出し、画像処理部は、時間間隔で、算出された視覚感度関数の逆関数を畳み込み演算し、変化率を積算して表示画像の表示空間周波数特性を求め、表示画像が、求められた表示空間周波数特性を持つように画像処理を行うことが好ましい。
ここで、uは、空間周波数(cycle/deg)であり、Lは、表示輝度(cd/m2)であり、Lsは、環境光の輝度(cd/m2)であり、X0は、観察距離における表示面部材の表示面の視野角(deg)である。
即ち、本発明によれば、環境光、背景画像の明るさ又は輝度もしくは表示デバイスの発光強度、及び観察距離に応じて最適化されたコントラストによって表示コンテンツを表示することができ、表示コンテンツの視認性を向上させることができる。
本発明は、観察者、例えば車輌のドライバ、航空機のパイロット、医療従事者、及びコンピュータゲームのゲームプレイヤにとって表示画像、及び/又は表示コンテンツが最適、即ち高コントラストになるように、観察者の環境(光学観察環境)を取得し、画像、及び/又はコンテンツの最適化、例えば表示輝度等の表示状態の最適化を行うことができる表示装置、即ち透過型表示装置である。ここで、環境とは、観察距離、環境光(明るさ又は輝度)、及び表示デバイスの表示光(明るさ又は輝度)、例えば背景環境光(明るさ又は輝度)もしくはディスプレイの発光(明るさ又は輝度)を指している。
本発明においては、このような最適化することにより、最適なコントラスト条件で表示し、視認性を向上させているのである。
本発明のアプリケーションとしては、例えば、スマートミラー等の車輌用表示装置、ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)、ヘッドマウント(頭部装着)ディスプレイ(HMD:Head Mounted Display)等のオーグメンテッド・リアリティデバイス(AR:Augmented Reality Device:(拡張現実)等の分野に適用することができ、このような分野の透過型表示装置として用いることができる。
図1に示す第1の実施形態に係る透過型表示装置10と、図3に示す第2の実施形態に係る透過型表示装置11とは、表示画像が投影(反射)画像であるか、透過画像であるかで異なり、表示輝度として、背面環境光の輝度及び反射輝度を取得するか、透過輝度を取得するかで異なる以外は、同様の構成を有するので、始めに、図1に示す第1の実施形態に係る透過型表示装置10について説明し、図3に示す第2の実施形態に係る透過型表示装置11については、後に、主に、相違点について説明する。
本実施形態の透過型表示装置10としては、スマートミラー等の車輌用表示装置、ヘッドアップディスプレイ(HUD)等のオーグメンテッド・リアリティ(AR)デバイス等、及びこれらをカーナビゲーションなどのナビゲーションの表示装置として用いる車輌用表示装置等を挙げることができる。
投影ユニット12は、表示面部材14から離れた位置に対応して配置され、表示面部材14の表示面14aに入力画像を投影する、具体的には入力画像を表示画像として表示するために像様に発光した入力画像の投影光を表示面14aに照射して反射させて表示画像として表示するための投影デバイスである。投影デバイスとしては、入力画像を投影することができれば、どのようなものでも良く、ブラウン管でも良いが、小型ディスプレイが好ましい。小型ディスプレイとしては、例えば、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)、反射型液晶パネル(LCOS:Liquid Crystal On Silicon)、及びホログラフィック光学素子などで構成されていることが好ましい。
また、このようなハーフミラー、又は波長選択フィルムは、透明な樹脂材、又は透明なガラス等に貼付されて用いられるのが好ましい。例えば、ハーフミラー、又は波長選択フィルムは、車両用表示装置等の場合には、フロントガラス(図示せず)に、航空機などの場合には、透明樹脂又はガラス製の風防(キャノピー)(図示せず)に貼付されて支持されて用いられることが好ましいが、メータ類の透明ガラス又は樹脂基板(図示せず)に貼付されて用いられても良い。
表示輝度取得部15は、表示面部材14の背面側から入射する背面環境光を検出する背面環境光取得センサ16と、表示面部材14の表示面14aにおける反射輝度(平均輝度)を取得する反射輝度取得部17とを有し、背面環境光取得センサ16によって検出された背面環境光(外の光、交通信号機の信号、空等)の透過輝度と、反射輝度取得部17によって取得された入力画像の投影光の反射輝度(制御可能な投影画像、又は投影コンテンツの輝度)とを用いて表示デバイス13の表示面14aに表示された表示画像の表示輝度を求めるものである。例えば、表示輝度取得部15は、背面環境光の透過輝度と表示面14aにおける反射輝度とを積算して表示輝度として算出しても良い。
ここで、表示デバイス13の表示輝度とは、観察者26が表示デバイス13の表示部材14の表示面14aに表示された表示画像を観察する際に、観察者26の目(26)に入る表示画像に起因する輝度を言う。なお、本発明においては、表示画像の観察者26の観察、例えば視認性に影響を与える影響因子としては、観察者26の目に入る輝度を挙げることができる。表示画像の視認性への影響因子、即ち観察者26の目に入る輝度としては、上述した表示画像の表示輝度に加えて、観察する環境、例えば車輌用表示装置の場合には、車内環境の環境光の輝度も含まれるが、表示画像に起因するものでないので、本発明では、後述するように、別途考慮する。
背面環境光取得センサ16としては、表示面部材14の背面環境光の明るさ(明度)又は輝度を検出又は計測して取得できればどのようなものでも良く、例えば、輝度センサ等を挙げることができる。なお、背面環境光検出部として、輝度センサで背面環境光の輝度を直接検出する代わりに、カメラを用い、カメラによる背面の撮像画像データから背面環境光の輝度を算出するようにしても良い。
なお、反射輝度取得部17は、入力画像の画像データ及び表示面部材14の反射率から反射画像の反射輝度を求めているが、輝度センサ等の反射輝度取得センサを表示面部材14の表示面14aの正面側(視認側)の投影ユニット12と対称な位置に配置して、直接反射輝度を測定し、検出しても良いし、反射輝度取得センサの代わりに、カメラを用い、カメラによって撮像された反射画像の撮像画像データから環境光の輝度を算出するようにしても良い。
また、上述の表示輝度取得部15では、背面環境光取得センサ16による背面環境光の透過輝度と、反射輝度取得部17による投影光の反射輝度とを用いて表示デバイス13の表示輝度を求めているが、輝度センサ等の表示輝度取得センサを表示面部材14の表示面14aの正面側(視認側)の位置に配置して、直接、投影光の反射輝度及び背面環境光の透過輝度を含む表示輝度を測定し、検出しても良いし、表示輝度取得センサの代わりに、カメラを用い、カメラによって撮像された表示画像の撮像画像データから表示輝度を算出するようにしても良い。
観察距離取得センサ18としては、観察者26の観察距離、例えば視線距離を検出又は計測して取得できればどのようなものでも良く、例えば、距離センサ等を挙げることができる。なお、観察距離検出部として、距離センサで観察者26の観察距離又は視線距離を直接検出する代わりに、赤外線を使ったカメラを用い、観察距離又は視線距離として観察者26の「目」の位置を取るように赤外線カメラで推定するようにしても良いし、予め設定された座席のシート位置から推定するようにしても良い。
環境光取得センサ20としては、表示画像の観察環境の環境光の明るさ(明度)又は輝度を検出又は計測して取得できればどのようなものでも良く、輝度センサ等を挙げることができる。なお、環境光検出部として、輝度センサで環境光の輝度を直接検出する代わりに、カメラを用い、カメラによる観察環境の撮像画像データから環境光の輝度を算出するようにしても良い。
入力ユニット24は、画像処理ユニット22に、入力画像(画像データ)を入力したり、また、必要に応じて空間周波数に対する目標スペクトル強度(I)を表わす目標空間周波数特性を入力する、又は調整する操作を行うためのものである。
なお、画像処理ユニット22において、表示輝度取得部15によって検出された表示デバイス13の表示画像の表示輝度を直接用いる代わりに、背面環境光取得センサ16によって検出された背面環境光、即ち計測して取得された背面環境光の輝度(又は明るさ(明度))、及び反射輝度取得部17によって検出された投影光の反射輝度(又は明るさ(明度))を用いても良いし、背面環境光、即ちその輝度、及び投影光の反射輝度から表示輝度を求め、求められた表示輝度を用いても良い。
また、表示画像の表示空間周波数特性は、入力画像の入力空間周波数特性に対して画像処理を施した後、表示輝度(もしくは、背面環境光(輝度)及び反射画像の反射輝度、又は透過画像の透過輝度)、観察距離、及び環境光(輝度)に基づいて定まる視覚感度関数を畳み込み演算して得られたものであることが好ましい。
また、この時、画像処理ユニット22は、画像処理として、入力画像の空間周波数特性に対して、視覚感度関数の逆関数を畳み込み演算し、目標空間周波数特性と入力空間周波数特性との変化の補正演算を入力画像の画像データに対して行うことが好ましい。
CSFの算出部32は、観察距離取得センサ18から出力される観察距離、表示輝度取得部15から出力される表示輝度(又は背面環境光取得センサ16から出力される背面環境光の輝度、及び反射輝度取得部17から出力される投影光の反射輝度)、及び環境光取得センサ20から出力される環境光の輝度が入力され、入力された観察距離、並びに表示輝度(又は背面環境光の輝度及び反射輝度)、及び環境光の輝度に基づいて視覚感度関数(CSF)を算出するためのもので、本発明の算出部を構成するものある。算出部32は、例えば、図5及び図7のグラフ(b)に示すような視覚感度関数CSF、即ち空間周波数毎の視感度を算出し、算出した視覚感度関数CSF、即ち空間周波数毎の視感度を目標比較部34に送信する。
ここで、本発明においては、視覚感度関数(CSF:コントラスト感度特性)としては、下記式(1)で与えられる視感度関数(CSF:視覚伝達関数))S(u)と下記式(2)で与えられる補正係数fとの積f×S(u)、即ち補正係数fによって補正された視感度関数(CSF)S(u)を用いることが好ましい。
即ち、下記式(2)は、環境光をモデル化して視覚感度S(u)に与える影響を、視覚感度S(u)に乗算される補正係数fとして表わしたものである。
ここで、uは、空間周波数(cycle/deg)であり、Lは、表示輝度(背景環境光の輝度及び反射画像の反射輝度、又は透過画像の透過輝度)(cd/m2)であり、Lsは、環境光の輝度(cd/m2)であり、X0は、観察距離における表示面部材の表示面の視野角(deg)である。
この上記式(1)は、反射系において良く用いられるもので、また、ディスプレイ、例えば後述する表示ユニット28のような透過系においても適切に用いることができるもので、観察距離を考慮することができるものであり、背景環境光の平均輝度及び反射画像の反射輝度、又はディスプレイの透過表示画像の透過輝度による感度の違いを考慮できるものである。
目標比較部34は、こうして算出した変化率、即ち各空間周波数における強度(I)比を、算出部32から受信した視覚感度関数CSF、即ち空間周波数毎の視感度と共に、画像処理部36に送信する。
例えば、図5に示すように、入力画像の入力空間周波数特性がグラフ(a)で表され、視認される出力画像である表示画像の表示空間周波数特性がグラフ(e)で表される時、空間周波数の劣化が無く、理想的な場合には、両空間周波数特性、即ち両グラフ(a)及び(e)は、等しいものとなり、図6(B)に示す出力画像(e)は、図6(A)に示す入力画像(a)に対して空間周波数の劣化が無く、観察者は、出力画像(e)を、入力画像(a)からコントラストに劣化の無い同一の画像として視認することができる。
この視認性の劣化をもたらす空間周波数特性の変化は、図7のグラフ(a)に示す入力画像の入力空間周波数特性に対して、空間周波数空間では、図7のグラフ(b)に示すような上記外的要因に起因したCSFを畳み込むことによって生じるということができる。
その結果、図7のグラフ(a)に示す入力画像の入力空間周波数特性は、劣化して、図7のグラフ(c)に示す出力画像(表示画像)の表示空間周波数特性となる。このため、表示面部材14の表示面14aに表示された表示画像は、視認性が劣化した画像となる。
画像処理部36は、例えば、上記外的要因によって定まるCSFが、図5のグラフ(b)で表される時、空間周波数空間において、図5のグラフ(a)で表される入力画像の入力空間周波数特性(Iiとする)に対し、図5のグラフ(d)で表されるCSFの逆関数IF(CSF)をかける画像処理を入力画像の画像データに対して施して、出力画像の画像データを生成する。
Io=Ii×IF(CSF)×CSF …(3)
ここで、図5のグラフ(d)で表されるCSFの逆関数(IF(CSF)とする)と、図5のグラフ(b)で表されるCSFとの掛け算は、恒等変換となるので、図5のグラフ(e)で表される出力画像の表示空間周波数特性(Io)は、図5のグラフ(a)で表される入力画像の入力空間周波数特性(Ii)と、同じ、即ち、Io=Iiになる。
したがって、本発明においては、画像処理部36は、入力空間周波数特性(Ii)を持つ入力画像の画像データに対して、画像処理として、空間周波数空間で、入力空間周波数特性(Ii)にCSFの逆関数IF(CSF)を掛け算する処理を施しておくことにより、上記外的要因によって決定されるCSFによって空間周波数(コントラスト)の劣化があったとしても、入力空間周波数特性(Ii)と同じ表示空間周波数特性(Io)を持つ出力画像の画像データを得ることができる。
即ち、上述したように、本発明においては、目標空間周波数特性は、図5に示すように、入力画像の入力空間周波数特性(Ii)であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、図9(A)、(B)及び(C)に示すように、入力画像の初期スペクトル(スペクトル強度−空間周波数の関数)、例えば入力空間周波数特性(Ii)に対して、予め設定、又は調整された空間周波数特性であっても良い。
It=Ii×IP×CSF …(4)
IP=It×Ii−1×CSF−1 …(5)
ここで、Ii−1は、入力空間周波数特性Iiの逆特性ということができるので、It×Ii−1は、目標空間周波数特性Itと入力空間周波数特性Iiの逆特性との積、即ち、目標空間周波数特性Itと入力空間周波数特性Iiとの比(It/Ii)、もしくは目標空間周波数特性Itに対する入力空間周波数特性Iiの変化率(It/Ii)ということができる。
また、CSF−1は、視角感度関数CSFの逆関数ということができるので、上述のIF(CSF)で表すことができる。即ち、CSF−1=IF(CSF)となる。
IP=(It/Ii)×IF(CSF) …(6)
なお、出力画像の表示空間周波数特性(Io)上記式(3)で表される場合には、Io=It=Iiとして、画像処理の変換特性IPは、上記式(6)から下記式(7)で表わされることになる。
IP=IF(CSF) …(7)
上述した例では、目標空間周波数特性(It)に等しい、又は近い出力画像の表示空間周波数特性(Io)を得るために、画像処理として、入力空間周波数特性Iiに視角感度関数CSFの逆関数IF(CSF)をかけているが、元のCSFの値が0の場合には、割り算によって発散する原因となるので、画像のスペクトル強度(I)の2乗(I2)が1となる場合を最大としてクリップすることが好ましい。即ち、絶対値(I2)を強度で定義することができる
なお、メモリ38は、図示例のように、画像処理ユニット22内に備えられるものに限定されず、画像処理ユニット22の外部、例えば、入力ユニット24内に備えられていても良い。
まず、画像入力部40は、画像処理ユニット(GPU)22、即ちその目標比較部34に入力画像の画像データを入力するためのものである。入力画像の画像データは、図示しないカメラ等の撮像装置によって撮影されたものであっても良いし、予め、図示しない外部メモリやメモリ38に格納されている画像データであっても良い。
即ち、空間周波数に対する目標スペクトル強度(I)を表わす目標空間周波数特性は、観察者又はユーザ、例えば、車輛用表示装置の場合には、ドライバが入力、又は調整しても良いし、予め、システム側で準備しておいても良い。
また、外的要因の取得の更新タイミング、及び画像処理の更新タイミングとしては、上述した更新タイミング、第1及び第2の時間間隔、ピーク感度の所定(10%)シフト時等を挙げることができる。
本発明の第1実施形態の透過型表示装置10は、基本的に以上のように構成される。
図3及び図4に示す第2実施形態の透過型表示装置11は、図1及び図2に示す第1実施形態の透過型表示装置10と、投影ユニット12の代わりに表示ユニット28を備え、表示輝度取得部15(背面環境光取得センサ16及び反射輝度取得部17)の代わりに表示輝度取得部30を備えている点を除いて、同様の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略し、主として相違点について説明する。
図3及び図4に示すように、本発明の第2実施形態の透過型表示装置11は、表示ユニット28と、表示面14aを備える表示面部材14と、表示輝度取得部30と、観察距離取得センサ18と、環境光取得センサ20と、画像処理ユニット22と、入力ユニット24とを有する。ここで、表示ユニット28と、表示面部材14とは、上記第1実施形態の透過型表示装置10と同様に、本発明の表示デバイス29を構成する。表示デバイス29は、観察者26が観察する表示画像を透過表示する透過型表示デバイスである。
表示ユニット28は、その上面に表示面部材14が載置され、入力画像を表示するために表示面部材14に裏面側から画像様発光を入射し、表示面部材14を透過した透過画像を表示面14aに表示する透過型ディスプレイである。透過型ディスプレイとしては、入力画像を透過画像として表示することができれば、どのようなものでも良く、図1に示す透過型表示装置10と同様に、ブラウン管でも良いが、小型ディスプレイが好ましい。小型ディスプレイとしては、例えば、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)、反射型液晶パネル(LCOS:Liquid Crystal On Silicon)、及びホログラフィック光学素子などで構成されていることが好ましい。
第2実施形態で用いられる表示面部材14としては、図1に示す透過型表示装置10と同様に、例えばハーフミラー、波長選択フィルム、透明なフィルム、アクリル等の透明な樹脂材、及び透明なガラス等を挙げることができるが、特に、画像表示機能付きミラー、モニター内臓ミラー、及びスマートミラー等に用いられるハーフミラー、又は波長選択フィルムであることが好まし。例えば、これらのハーフミラー、又は波長選択フィルムは、車両用表示装置等の場合には、車輛内ミラー(図示せず)に貼付されて支持されて用いられることが特に好ましい。
このようなハーフミラー、又は波長選択フィルムとしては、図1に示す透過型表示装置10と同様に、例えば、本出願人の出願に係るWO2015/050202A1、WO2015/050203A1、及びWO2015/050204A1に開示された投映像表示用ハーフミラー、又は、特願2015−137026号明細書に記載の画像表示機能付きミラーに用いられる1/4波長板及び円偏光反射層の積層体部分からなるハーフミラー等がより好ましい。
ここで、投映像表示用ハーフミラーは、互いに直接積層された3層以上のコレステリック液晶相を固定したコレステリック液晶層を含み、3層以上のコレステリック液晶層は、互いに異なる選択反射帯域の中心波長を示すものであることが好ましい。
また、投映像表示用ハーフミラーは、選択反射層(コレステリック液晶層)の少なくとも一方の面側に透明媒体を有し、透明媒体は、選択反射層の透明媒体側の面に対して1°〜30°の確度をなす傾斜面を有することが好ましい。
また、投映像表示用ハーフミラーは、投映像表示側に最も近いコレステリック液晶層の投映像表示側の面において、コレステリック液晶相を形成する液晶分子のダイレクタが均一であることが好ましい。
また、画像表示機能付きミラーに用いられるハーフミラーにおいては、1/4波長板および円偏光反射層の少なくとも一方が、棒状タイプ(棒状液晶化合物)と円盤状タイプ(円盤状液晶化合物)を含む液晶組成物より好ましくは、棒状液晶化合物を含む液晶組成物から形成された層を含むことが好ましい。
また、2層以上のコレステリック液晶層が互いに直接接していることが好ましい。
また、選択反射層、又は円偏光反射層がコレステリック液晶層を3層以上含み、3層以上のコレステリック液晶層の選択反射帯域の中心波長が互いに異なることが好ましい。
また、選択反射層、又は円偏光反射層が、赤色光の波長域(例えば、580nm〜700nm)に選択反射帯域の中心波長を有するコレステリック液晶層と、緑色光の波長域(例えば、500nm〜580nm)に選択反射帯域の中心波長を有するコレステリック液晶層と、青色光の波長域(例えば、400nm〜500nm)に選択反射帯域の中心波長を有するコレステリック液晶層とを含む、ことが好ましい。
また、1/4波長板が、重合性液晶化合物を含む液晶組成物の硬化により形成された層であることが好ましい。
また、1/4波長板と円偏光反射層とが互いに直接接していることが好ましい。
また、表示ユニット28と1/4波長板とが接着層を介して接着されていることが好ましい。
また、この表示輝度取得部30では、表示ユニット28からの画像光の発光輝度と、表示面部材14の透過率とを用いて表示デバイス29の表示輝度を求めているが、輝度センサ等の表示輝度取得センサを表示デバイス29の表示面部材14の表示面14aの正面側(視認側)の位置に配置して、直接表示デバイス29の表示輝度を測定し、検出しても良い。このような表示輝度取得センサとしては、例えば、輝度計(KONIKA MINOLTA製 CS−100A)等を挙げることができる。なお、表示輝度取得部30として、輝度計で表示デバイス29の表示輝度を直接検出する代わりに、カメラを用い、カメラによる表示デバイス29の表示面14aの表示画像の撮像画像データから表示輝度を算出するようにしても良いし、もしくはキャリブレーションした撮像画像データを表示輝度として取得するようにしても良い。
即ち、画像処理ユニット22は、入力画像、即ちその画像データに対して、表示画像の表示空間周波数特性が目標空間周波数特性となる、又は表示画像の表示空間周波数特性と目標空間周波数特性との差が最小となるように、画像処理を施して処理済画像、即ち表示画像の画像データを生成し、処理済画像(表示画像の画像データ)を表示ユニット28に出力することが好ましい。また、画像処理ユニット22は、視認される表示画像のコントラストを、目標空間周波数特性を持つ画像のコントラストからの変化が最小となるように最適化することが好ましい。
本実施形態においては、CSFの算出部32は、表示輝度、観察距離、及び環境光(輝度)に基づいて、視覚感度関数CSFを算出する。
また、表示画像の表示空間周波数特性は、入力画像の入力空間周波数特性に対して画像処理を施した後、表示輝度、観察距離、及び環境光(輝度)に基づいて定まる視覚感度関数を畳み込み演算して得られたものであることが好ましい。
そして、算出部32は、表示輝度、観察距離、及び環境光に基づいて、上述の取得の更新タイミングで、視覚感度関数CSFを算出することが好ましい。
更に、画像処理部36は、好ましくは、上述の取得の更新タイミングで算出部32から出力された視覚感度関数CSFの逆関数を畳み込み演算し、上述の変化率を積算して目標空間周波数特性に等しい又は近い表示画像の表示空間周波数特性を持つように表示画像を調整する画像処理を行うようにしても良いし、又は上述の取得の更新タイミングで算出部32から出力された視覚感度関数CSFを示す視感度曲線(好ましくはf×S(u))のピーク感度が目標視感度曲線のピーク感度、又は前回の視感度曲線のピーク感度から一定割合、例えば、10%以上シフトした時を、画像処理の更新タイミングとして、入力画像の画像データに対して画像処理を行うようにしても良い。
本発明の第2実施形態の透過型表示装置11について、具体的な環境下で、具体的な外的要因に基づいて、コントラストの変化を求めた。
本発明の第2実施形態においても、視角感度(CS:Contrast Sensitivity:コントラスト感度)S(u)は、表示デバイスの発光輝度(表示輝度)、環境光、及び観察距離に依存して変化する。
ここで、視角感度S(u)は、上記式(1)に従う。
上記式(1)において、観察距離が500mmであり、立体角として定義される観察角度(X0)が60mm×60mmであるとすると、視覚感度(CS)S(u)は、表示輝度Lが0.1〜1000cd/m2の場合について、図11のように表すことができる。
図11は、本発明において用いられる、表示輝度による視角感度の変化を説明するグラフである。
図11に示すように、表示輝度Lが0.1〜1000cd/m2の範囲のいずれの表示輝度においても、視覚感度(CS)S(u)は、低空間周波数側及び高空間周波数側の領域で低下し、その中間の空間周波数の領域、図示例では0〜1.1Cycle/mmでピーク感度を持ち、ピーク感度は、0.1cd/m2から1000cd/m2まで高輝度になるにつれて、高空間周波数側にシフトしていることが分かる。
ここで、環境光に依存したコントラストの変化と視覚感度との関係(f×00cd/m2S(u))を図12に示す。この時、環境光の輝度Lsは、9000cd/m2であり、表示輝度Lは、500cd/m2及び1000cd/m2の場合であり、観察角度(X0)は、60mm×60mmであった。
なお、図12に示す表示輝度別視覚感度においては、表示輝度1000cd/m2の場合のピーク感度を1.0で規格化した。
図12に示すように、表示輝度Lが500cd/m2及び1000cd/m2のいずれの場合においても、視覚感度(CS)S(u)は、低空間周波数側及び高空間周波数側の領域で低下し、その中間の空間周波数の領域、図示例では1〜1.7Cycle/mmでピーク感度を持ち、ピーク感度は、表示輝度Lが500cd/m2の場合より1000cd/m2の場合の方が高空間周波数側にシフトしていることが分かる。図12も図11も同様の傾向を示していることが分かる。
ここで、図13(A)及び(B)は、空間周波数uが1cycle/mmであり、図12に示す表示輝度Lが高輝度1000cd/m2である視角感度の場合の矩形波入力時のコントラスト変化を示す表示画像及び波形のグラフであり、図13(C)及び(D)は、空間周波数uが1cycle/mmであり、図12に示す表示輝度Lが低輝度500cd/m2である視角感度の場合の矩形波入力時のコントラスト変化を示す表示画像及び波形のグラフである。
一方、この時の低輝度500cd/m2の場合の視角感度は、約0.70であり、高い値を示すため、コントラストも高く、矩形波の振幅も大きく、縞の白黒を識別できるが、高輝度1000cd/m2の場合に比べると、矩形波の振幅は小さく、コントラストは低く、縞の白黒の差の明確性は劣ると言える。
しかしながら、高輝度及び低輝度のいずれの場合も、表示画像の視認性は高いものと言える。
なお、空間周波数uが1cycle/mmの場合に比べると、高輝度及び低輝度のいずれの場合も、少しだが、矩形波の振幅は小さく、コントラストは低く、縞の白黒の差の明確性は劣ると言える。
しかしながら、高輝度及び低輝度のいずれの場合も、表示画像の視認性は高いものと言える。
以上から、空間周波数uが5cycle/mmの場合には、高輝度及び低輝度のいずれの場合も、矩形波の振幅は極めて小さく、コントラストの低下が激しく、縞自体を識別できず、表示画像の視認性の劣化が激しいが、これに対し、1cycle/mm及び2cycle/mmの場合には、高輝度及び低輝度のいずれの場合も、コントラストが高く、矩形波の振幅も大きく、縞の白黒を識別でき、表示画像の視認性は高いものと言えることが分かる。
本発明においては、表示画像全体に、このような補正処理を行ってもよいし、例えば緊急車両、又は標識等のみにこれらの処理を加えてもよい。
本実施例ではRGB表示画像のGチャネルの表示のみを例示したが、XYZ視感度を考慮してRGBそれぞれに最適な補正を行うのが望ましい。本実施例は、輝度をパラメータとして最適表示を実現しているが、照度、明度によっても同様の最適化が可能であることは自明である。
このため、環境、状況、又は外的要因等に応じて表示デバイスの表示面に視認性に優れたコントラストの高い画像及びコンテンツを表示させることができる。
12 投影ユニット
14 表示面部材
14a 表示面
15、30 表示輝度取得部
16 背面環境光取得センサ
17 反射輝度取得部
18 観察距離取得センサ
20 環境光取得センサ
22 画像処理ユニット
24 入力ユニット
26 観察者
28 表示ユニット
32 算出部
34 目標比較部
36 画像処理部
38 メモリ
40 画像入力部
42 入力操作部
Claims (16)
- 入力画像を表示画像として表示するために像様に発光する像様発光ユニット、及び
該像様発光ユニットに対応して設けられ、前記像様発光ユニットによって像様に発光された前記入力画像を反射、又は透過して前記表示画像として表示する表示面を持ち、かつ背面側から入射する背面環境光を透過、又は正面側から入射する環境光を反射する表示面部材を備える表示デバイスと、
該表示デバイスの前記表示面部材の前記表示面に表示された前記表示画像を観察する観察者の観察距離を検出する観察距離検出部と、
前記観察者が観察する前記表示デバイスに表示された表示輝度を取得する表示輝度取得部と、
前記表示面に表示された前記表示画像を観察する正面側の環境の前記環境光の輝度を検出する環境光検出部と、
前記表示輝度取得部によって取得された前記表示輝度、前記観察距離検出部によって検出された前記観察距離、及び前記環境光検出部によって検出された前記環境光の輝度において視認される前記表示画像の表示空間周波数特性が、目標とする目標空間周波数特性となるように、前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度に基づいて画像の空間周波数特性を調整する画像処理を行う画像処理ユニットと、を有し、
前記表示画像の表示空間周波数特性は、前記入力画像の入力空間周波数特性に対して前記画像処理を施した後、前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度に基づいて定まる視覚感度関数を畳み込み演算して得られたものであり、
前記視覚感度関数は、前記表示輝度、及び前記観察距離に基づいて定まる視感度関数を、前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度に基づいて定まる補正係数を用いて補正したものであり、
前記画像処理ユニットは、前記画像処理として、前記入力画像の入力空間周波数特性に対して、前記視覚感度関数の逆関数を畳み込み演算し、前記目標空間周波数特性と前記入力空間周波数特性との変化の補正演算を行うことを特徴とする表示装置。 - 前記像様発光ユニットは、前記表示デバイスの前記表示面部材の前記表示面に前記入力画像を像様に発光させて投影する投影ユニットであり、
前記表示面部材は、前記投影ユニットに対応して設けられ、前記投影ユニットによって投影された前記入力画像の投影光を反射させて前記表示面に前記表示画像として表示し、かつ、背面側から入射する前記背面環境光を透過するものであり、
前記表示デバイスは、反射型表示デバイスであり、
前記表示輝度取得部は、前記表示面部材の背面側から入射する前記背面環境光を検出する背面環境光検出部と、前記投影ユニットによる前記入力画像の投影光の、前記表示面における反射輝度を取得する反射輝度取得部とを備え、前記背面環境光検出部によって検出された前記背面環境光の透過輝度と、前記入力画像の投影光の前記反射輝度とを用いて前記表示面に表示された前記表示画像の前記表示輝度を求めるものである請求項1に記載の表示装置。 - 前記表示面部材は、ハーフミラー、又は波長選択フィルムであり、
前記投影ユニットは、液晶ディスプレイ、反射型液晶パネル、及びホログラフィック光学素子の少なくとも1つであり、
前記表示装置は、ヘッドアップディスプレイ、及びオーグメンテッド・リアリティデバイスの1つである請求項2に記載の表示装置。 - 前記像様発光ユニットは、前記表示デバイスの前記表示面部材の前記表示面に前記入力画像を前記表示画像として透過表示するために像様に発光する表示ユニットであり、
前記表示面部材は、前記表示ユニットに設けられ、背面側から入射する前記表示ユニットの像様発光を透過して前記表示面に前記表示画像を表示し、かつ正面側から入射する前記環境光を反射するものであり、
前記表示デバイスは、透過型表示デバイスであり、
前記表示輝度取得部は、前記表示ユニットによる前記入力画像の像様発光の、前記表示面における透過輝度を前記表示輝度として取得するものである請求項1に記載の表示装置。 - 前記表示面部材は、ハーフミラー、又は波長選択フィルムであり、
前記表示ユニットは、液晶ディスプレイ、反射型液晶パネル、及びホログラフィック光学素子の少なくとも1つであり、
前記表示装置は、画像表示機能付きミラー、及びモニター内臓ミラーの1つである請求項4に記載の表示装置。 - 前記表示面部材は、
前記像様発光ユニットの側から、1/4波長板、及び円偏光反射層をこの順で含み、
前記円偏光反射層は、選択反射帯域の中心波長が可視光領域に位置するコレステリック液晶層を含み、
前記1/4波長板および前記円偏光反射層の少なくとも一方が、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物から形成された層を含むハーフミラーである請求項1〜5のいずれか1項に記載の表示装置。 - 前記目標空間周波数特性は、前記入力空間周波数特性である請求項1〜6のいずれか1項に記載の表示装置。
- 前記目標空間周波数特性は、前記入力画像の初期スペクトルに対して、予め設定、又は調整された空間周波数特性である請求項1〜6のいずれか1項に記載の表示装置。
- 前記画像処理ユニットは、前記表示画像の表示空間周波数特性と前記目標空間周波数特性との差が最小となるように、前記入力画像の画像データを画像処理して前記表示画像の画像データを出力する請求項1〜8のいずれか1項に記載の表示装置。
- 前記画像処理ユニットは、視認される前記表示画像のコントラストを、前記目標空間周波数特性を持つ画像のコントラストからの変化が最小となるように最適化する請求項9に記載の表示装置。
- 前記画像処理ユニットは、
前記目標空間周波数特性を格納するメモリと、
前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度に基づいて、前記視覚感度関数を算出する算出部と、
前記メモリに格納された前記目標空間周波数特性と、前記入力画像の前記入力空間周波数特性とを比較して、その変化率を求める目標比較部と、
前記入力画像の前記入力空間周波数特性に対して前記算出部で算出された前記視覚感度関数の逆関数を畳み込み演算し、かつ前記目標比較部で比較された前記目標空間周波数特性と前記入力空間周波数特性との比較結果に基づく前記変化率を積算して前記表示画像の前記表示空間周波数特性を求め、前記表示空間周波数特性が前記目標空間周波数特性となるように、前記入力画像の画像データに対して前記画像処理を行う画像処理部と、を有する請求項1〜10のいずれか1項に記載の表示装置。 - 前記メモリは、更に、前記目標空間周波数特性に対応する目標となる目標視覚感度関数又は該目標視覚感度関数で表される目標視感度曲線を格納するものであり、
前記画像処理部は、予め設定された時間間隔で、又は前記算出部で算出された前記視覚感度関数を示す視感度曲線のピーク感度が前記目標視感度曲線のピーク感度から一定割合シフトした時に、前記入力画像の画像データに対して前記画像処理を行う請求項11に記載の表示装置。 - 前記表示輝度取得部、前記観察距離検出部、及び前記環境光検出部は、予め設定された時間間隔で、それぞれ前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度を検出して、それぞれ検出された前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度を前記算出部に出力し、
前記算出部は、前記表示輝度取得部、前記観察距離検出部、及び前記環境光検出部からそれぞれ出力された前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度に基づいて、前記時間間隔で、前記視覚感度関数を算出し、
前記画像処理部は、前記時間間隔で、算出された前記視覚感度関数の逆関数を畳み込み演算し、前記変化率を積算して前記表示画像の前記表示空間周波数特性を求め、前記表示画像が、求められた前記表示空間周波数特性を持つように前記画像処理を行う請求項11に記載の表示装置。 - 前記メモリは、更に、前記目標空間周波数特性に対応する目標となる目標視覚感度関数又は該目標視覚感度関数で表される目標視感度曲線を格納するものであり、
前記表示輝度取得部、前記観察距離検出部、及び前記環境光検出部は、予め設定された第2の時間間隔で、それぞれ前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度を検出して、それぞれ検出された前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度を前記算出部に出力し、
前記算出部は、前記表示輝度取得部、前記観察距離検出部、及び前記環境光検出部からそれぞれ出力された前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度に基づいて、前記第2の時間間隔で、前記視覚感度関数を算出し、
前記画像処理部は、前記第2の時間間隔で前記算出部から出力された前記視覚感度関数を示す視感度曲線のピーク感度が前記目標視感度曲線のピーク感度から一定割合シフトした時に、前記入力画像の画像データに対して前記画像処理を行う請求項11に記載の表示装置。 - 前記画像処理ユニットは、更に、予め、前記目標空間周波数特性として前記メモリに格納しておくために、前記表示輝度、前記観察距離、及び前記環境光の輝度に応じて、前記表示面部材の前記表示面に表示された前記表示画像を観察しながら観察者によって観察される前記表示画像の輝度を予め調整して前記目標空間周波数特性を定める特性調整部、予め前記観察者が前記目標空間周波数特性を設定する特性設定部、及び予め前記観察者が設定した前記目標空間周波数特性を入力する特性入力部の少なくとも1つを有する請求項11〜14のいずれか1項に記載の表示装置。
- 前記視覚感度関数は、下記式(1)で与えられる視感度関数S(u)と下記式(2)で与えられる補正係数fとの積f×S(u)を用いて算出される請求項1〜15のいずれか1項に記載の表示装置。
ここで、uは、空間周波数(cycle/deg)であり、Lは、前記表示輝度(cd/m 2 )であり、Lsは、前記環境光の輝度(cd/m 2 )であり、X0は、前記観察距離における前記表示面部材の表示面の視野角(deg)である。
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