JP6784643B2 - 映像信号変換装置およびそのプログラム、ならびに、映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ：High Dynamic Range）映像を、標準ダイナミックレンジ（ＳＤＲ：Standard Dynamic Range）映像との映像表現の差が小さい映像に変換する映像信号変換装置およびそのプログラム、ならびに、映像表示装置に関する。

現行のハイビジョン放送におけるＳＤＲの映像を表示する表示装置（以下、ＳＤＲ表示装置）は、ＲＧＢの各色成分にガンマ処理を行うことで映像を表示する。
それに対し、国際電気通信連合無線通信部門（ＩＴＵ−Ｒ）の勧告ＢＴ．２１００において、ＨＤＲ映像方式として規定された方式のうちの１つであるＨＬＧ（Hybrid Log-Gamma）方式では、ＲＧＢの各色成分から算出した輝度成分にガンマ処理を適用するように変更されている（非特許文献１参照）。

また、放送事業者がＳＤＲ映像とＨＤＲ映像とを番組の素材コンテンツとする場合、それぞれの映像を個別に撮像するのではなく、同一の被写体映像からＨＤＲ映像とＳＤＲ映像とを制作する一体化番組制作が一般的である。
従来、このような一体化番組制作のため、ＳＤＲ映像とＨＤＲ映像とを同時に撮像可能なカメラシステムが存在する（特許文献１〜３等参照）。
このカメラシステムは、撮像した映像信号に対して、ＨＤＲの光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ：Opto-Electronic Transfer Function）により、低輝度部と高輝度部とで特性の異なるＨＤＲの映像信号に変換する。
また、従来のカメラシステムは、撮像した映像信号に対して、ニー（ＫＮＥＥ）等の圧縮処理を行い、ＳＤＲの光−電気伝達関数（ガンマ特性）によりＳＤＲの映像信号に変換する。

そして、ＨＤＲの映像を表示する表示装置（以下、ＨＤＲ表示装置）は、ＨＤＲの映像信号を、光−電気伝達関数の逆関数により変換し、ＲＧＢの各色成分から算出した輝度成分にガンマ処理を適用することで、ＨＤＲの映像を表示する。また、ＳＤＲ表示装置は、ＳＤＲの映像信号を、光−電気伝達関数の逆関数により変換し、ＲＧＢの各色成分にガンマ処理を適用することで、ＳＤＲの映像を表示する。

特開２０１６−１９７８５３号公報 特開２０１６−１９７８５４号公報 特開２０１７−６０１１３号公報

"Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange"，Recommendation ITU-R BT.2100-0，07/2016

従来のカメラシステムを用いた一体化番組制作では、制作したＨＤＲ映像とＳＤＲ映像とを、それぞれ対応するＨＤＲ表示装置とＳＤＲ表示装置とに表示した場合、それぞれの表示装置における輝度成分に対するガンマ処理とＲＧＢの各色成分に対するガンマ処理との違いにより、表示装置ごとに映像の色合いや階調表現に違いが生じてしまう。
放送番組等の映像制作においては、同一被写体を撮像したＨＤＲの映像とＳＤＲの映像とで、輝度の再現範囲は異なっても、中間階調以下の色再現性の差を小さくしたいという要望がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、一体化番組制作を行っても、ＨＤＲ（ＨＬＧ方式）映像とＳＤＲ映像とで、輝度の再現範囲は異なっても、中間階調以下の色再現性の差を小さくすることが可能な映像信号変換装置およびそのプログラム、ならびに、映像表示装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る映像信号変換装置は、ＨＬＧ方式の映像信号の色再現性を補正する映像信号変換装置であって、逆光電変換手段と、階調変換手段と、光電変換手段と、を備える構成とした。

かかる構成において、映像信号変換装置は、逆光電変換手段によって、ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の逆関数（ＯＥＴＦ^−１）により、ＨＬＧ方式の映像信号をシーン光に対応するリニアな第１信号に変換する。
そして、映像信号変換装置は、階調変換手段によって、逆光電変換手段で変換された第１信号を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる第２信号に階調変換する。

この階調変換手段は、ＨＬＧ方式の映像信号を表示対象とする第１表示装置のガンマ値をγ_１、第１表示装置の正規化したピーク輝度をα_１、色再現性を補正した映像信号を表示対象とする第２表示装置のガンマ値をγ_２、第２表示装置の正規化したピーク輝度をα_２、ＲＧＢの色ごとの輝度寄与率をＣ_Ｒ，Ｃ_Ｇ，Ｃ_Ｂとし、色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝で構成される第１信号Ｅを、色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝で構成される第２信号Ｅ_Ｃに変換する。

ここで、α_１はリニアな第１信号の傾きに相当するが、第１表示装置の正規化したピーク輝度と黒輝度との差ではなく、黒輝度を“０”とみなした第１表示装置のピーク輝度とする。また、α_２はリニアな第２信号の傾きに相当するが、第２表示装置の正規化したピーク輝度と黒輝度との差ではなく、黒輝度を“０”とみなした第２表示装置のピーク輝度とする。
これによって、階調変換手段は、

により、従来よりも簡略化した演算で、第１信号Ｅ＝｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝を第２信号Ｅ_Ｃ＝｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝に変換することが可能になる。
そして、映像信号変換装置は、光電変換手段によって、光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）により、階調変換手段で変換された第２信号をＨＬＧ方式の映像信号に変換する。
これによって、ＨＬＧ方式の映像信号が、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像信号となる。

なお、逆光電変換手段は、ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数の逆関数により、ＨＬＧ方式の映像信号とシーン光に対応する第１信号とを予め対応付けた１次元のルックアップテーブルを参照して、ＨＬＧ方式の映像信号を前記第１信号に変換することとしてもよい。
また、光電変換手段は、光−電気伝達関数により、第２信号とＨＬＧ方式の映像信号とを予め対応付けた１次元のルックアップテーブルを参照して、第２信号をＨＬＧ方式の映像信号に変換することとしてもよい。
また、映像信号変換装置は、コンピュータを、前記した各手段として機能させるための映像信号変換プログラムにより動作させることができる。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る映像表示装置は、ＨＬＧ方式の映像信号の色再現性を補正して表示する映像表示装置であって、逆光電変換手段と、階調変換手段と、輝度成分ガンマ処理手段と、を備える構成とした。

かかる構成において、映像表示装置は、逆光電変換手段によって、ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の逆関数（ＯＥＴＦ^−１）により、ＨＬＧ方式の映像信号をシーン光に対応する第１信号に変換する。
そして、映像表示装置は、階調変換手段によって、逆光電変換手段で変換された第１信号を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる第２信号に階調変換する。
そして、映像表示装置は、輝度成分ガンマ処理手段によって、ＨＬＧ方式の光−光伝達関数（ＯＯＴＦ：Opto-Optical Transfer Function）の特性で、第２信号を表示光に変換する。
これによって、映像表示装置は、ＨＬＧ方式の映像信号を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像信号に変換し、表示することができる。

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明によれば、同一被写体を撮像したＨＬＧ方式のＨＤＲの映像とＳＤＲの映像とで、輝度の再現範囲が異なっても、中間階調以下の色再現性の差を小さくすることが可能になる。これによって、本発明は、一体化番組制作を行っても、ＨＤＲ表示装置とＳＤＲ表示装置とで、中間階調以下の映像の色合いや階調表現をほぼ同じにすることができる。

本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置を備えた撮像システムの構成例を示すシステム構成図である。 本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置の概要を説明するための概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置の構成を示すブロック構成図である。 階調変換手段で階調変換が可能な根拠を説明するための説明図であって、（ａ）は、ＨＤＲ（ＨＬＧ方式）の撮像装置と表示装置の処理内容を示す図、（ｂ）は階調変換の処理を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置の変形例の構成を示すブロック構成図である。 本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置の他の変形例の構成を示すブロック構成図である。 本発明の第２実施形態に係る映像表示装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
≪第１実施形態：映像信号変換装置≫
＜映像信号変換装置の概要＞
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置１の概要について説明する。

映像信号変換装置１は、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′を、ガンマ処理をＲＧＢ（３原色：赤緑青）の各色成分に適用する表示装置で表示する場合の色再現性との差が小さくなるような映像信号Ｅ′_Ｃに階調変換（補正）するものである。
例えば、映像信号変換装置１は、図１に示すように、撮像装置Ｃと、ＨＤＲ表示装置２と、ＳＤＲ表示装置３とともに撮像システムＳを構成する。
図１に示す撮像システムＳは、一体化番組制作を行うシステムである。

撮像装置Ｃは、同一の被写体をＨＤＲ映像およびＳＤＲ映像として撮像し、ＨＤＲ映像とＳＤＲ映像のそれぞれの映像信号として出力するものである。この撮像装置Ｃは、例えば、特許文献３等に記載のＨＤＲ−ＳＤＲ一体化制作用ビデオカメラを用いることができる。また、ＨＤＲ表示装置２およびＳＤＲ表示装置３は、ＨＤＲ映像およびＳＤＲ映像をそれぞれ表示する一般的な表示装置である。

映像信号変換装置１は、撮像装置ＣからＨＤＲの映像信号Ｅ′を入力し、階調変換した映像信号Ｅ′_ＣをＨＤＲ表示装置２に出力する。
これによって、映像信号変換装置１は、ＨＤＲ映像を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像でＨＤＲ表示装置２に表示させることができ、ＳＤＲ表示装置３が表示する映像と、中間階調以下の色再現性の差を小さくすることができる。

なお、映像信号変換装置１は、必ずしもＨＤＲ−ＳＤＲ一体化制作用ビデオカメラから映像信号を入力する必要はなく、ＨＤＲ専用の撮像装置から入力してもよい。また、映像信号変換装置１は、必ずしもＨＤＲ表示装置２に直接映像信号を出力する必要はなく、ブルーレイディスク等の記録媒体経由、放送、通信等の伝送路経由であっても構わない。

＜映像信号変換装置の構成＞
次に、図２および図３を参照して、本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置１の構成について説明する。
図２は映像信号変換装置１の概略ブロック構成図であり、図３は映像信号変換装置１の階調変換手段の構成をさらに詳細に示すブロック構成図である。
図２に示すように、映像信号変換装置１は、逆光電変換手段１０と、階調変換手段２０と、光電変換手段３０と、を備える。

逆光電変換手段１０は、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′を、シーン光に対応するリニアな信号（第１信号）Ｅに変換するものである。なお、映像信号Ｅ′は画素ごとに、色の３原色であるＲＧＢ（赤緑青）に対応する色信号｛Ｅ′_Ｒ，Ｅ′_Ｇ，Ｅ′_Ｂ｝で構成されている。逆光電変換手段１０は、それぞれの色信号ごとに逆光電変換を行い、色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝で構成される信号Ｅを生成する。

階調変換手段２０は、逆光電変換手段１０で変換された信号Ｅを、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる信号（第２信号）Ｅ_Ｃに階調変換するものである。階調変換手段２０は、色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝から色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝で構成される信号Ｅ_Ｃを生成する。

光電変換手段３０は、階調変換手段２０で階調変換された信号Ｅ_Ｃを、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′_Ｃに変換するものである。光電変換手段３０は、色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝ごとに光電変換を行い、色信号｛Ｅ′_ＣＲ，Ｅ′_ＣＧ，Ｅ′_ＣＢ｝で構成される映像信号Ｅ′_Ｃを生成する。

図３を参照して、映像信号変換装置１の構成について、さらに詳細に説明する。
逆光電変換手段１０は、ＨＤＲの撮像装置Ｃ（図１参照）で行われるＨＬＧ方式の光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の逆関数（ＯＥＴＦ^−１）の演算を行うことで、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′を撮像装置Ｃが撮像するシーン光に対応する信号Ｅに変換する。

この逆光電変換手段１０は、映像信号Ｅ′のレベル範囲を［０：１］としたとき、信号レベルの中央（１／２）を境として、“０”〜“１／２”のレベル範囲（低輝度部）で平方根特性を有するＨＬＧ方式の映像信号に対してその逆特性、すなわち、二乗特性を与える。また、逆光電変換手段１０は、“１／２”〜“１”のレベル範囲（高輝度部）で対数特性を有するＨＬＧ方式の映像信号に対してその逆特性、すなわち、指数関数特性を与える。これによって、逆光電変換手段１０は、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′をシーン光に対応する信号Ｅに変換する。
具体的には、逆光電変換手段１０は、以下の式（１）により、色信号ごとに、映像信号Ｅ′＝｛Ｅ′_Ｒ，Ｅ′_Ｇ，Ｅ′_Ｂ｝をシーン光に対応する信号Ｅ＝｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝に変換する。

ここで、ａ＝０．１７８８３２７７、ｂ＝１−４ａ＝０．２８４６６８９２、ｃ＝０．５−ａ・ｌｎ（４ａ）＝０．５５９９１０７３である。なお、ｌｎ（ｘ）はｘの自然対数を示す。
逆光電変換手段１０は、変換後の信号Ｅを、階調変換手段２０に出力する。

階調変換手段２０は、図３に示すように、第１ガンマ処理手段２１と、輝度算出手段２２と、傾き比乗算手段２３と、第２ガンマ処理手段２４と、記憶手段２５と、ガンマ処理結果乗算手段２６と、を備える。

第１ガンマ処理手段２１は、逆光電変換手段１０で変換された信号Ｅの色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝ごとにガンマ値γ_１のべき乗演算を行うものである。
この第１ガンマ処理手段２１で使用するガンマ値γ_１は、色再現性を補正する前のＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′を表示する対象となるＨＤＲ表示装置（第１表示装置）のガンマ値であって、固定の値“１．２”とする。
具体的には、第１ガンマ処理手段２１は、以下の式（２）により、信号Ｅのそれぞれの色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝に対して、γ_１のべき乗演算を行い、色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ｝を生成する。

第１ガンマ処理手段２１は、ガンマ処理後の色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｇ_Ｄ，Ｂ_Ｄ｝を輝度算出手段２２および傾き比乗算手段２３に出力する。

輝度算出手段２２は、第１ガンマ処理手段２１でガンマ処理された色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｇ_Ｄ，Ｂ_Ｄ｝から、輝度成分を算出するものである。映像信号の輝度成分は、ＲＧＢの輝度寄与率に応じた加重和として得ることができる。すなわち、Ｒの輝度寄与率をＣ_Ｒ（例えば、０．２６２７），Ｇの輝度寄与率をＣ_Ｇ（例えば、０．６７８０）、Ｂの輝度寄与率をＣ_Ｂ（例えば、０．０５９３）としたとき、輝度算出手段２２は、以下の式（３）によって輝度成分Ｙ_Ｄを算出する。

輝度算出手段２２は、各色の色信号とその色に対応する輝度寄与率を乗算する乗算器２２０，２２１，２２２、および、各乗算結果を加算する加算器２２３を備えることで、輝度成分Ｙ_Ｄを算出することができる。
輝度算出手段２２は、算出した輝度成分Ｙ_Ｄを傾き比乗算手段２３に出力する。

傾き比乗算手段２３は、第１ガンマ処理手段でガンマ処理された色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ｝と、輝度算出手段２２で算出された輝度成分Ｙ_Ｄとに対して、階調変換手段２０の入出力信号である信号Ｅと信号Ｅ_Ｃとの傾きの比（α_１／α_２）を乗算するものである。

α_１は、階調変換手段２０に入力される信号Ｅの傾きである。ここでは、α_１は、撮像装置Ｃ（図１参照）が撮像した補正（変換）前のＨＤＲ映像を表示する対象となるＨＤＲ表示装置（第１表示装置）の映像信号のレベルを正規化（レベル範囲を［０：１］）したピーク輝度とする。すなわち、信号Ｅの傾きを、正規化したピーク輝度Ｌ_Ｗと黒輝度Ｌ_Ｂとの差（Ｌ_Ｗ−Ｌ_Ｂ）ではなく、Ｌ_Ｂ＝０とみなすことで、演算処理を簡略化する。

一方、α_２は、階調変換手段２０が出力する信号Ｅ_Ｃの傾きである。ここでは、α_２は、映像信号変換装置１を介して補正（変換）されたＨＤＲ映像を表示する対象となるＨＤＲ表示装置２（第２表示装置）の映像信号のレベルを正規化（レベル範囲を［０：１］）したピーク輝度とする。すなわち、α_２は、α_１と同様に黒輝度を“０”とみなしたピーク輝度である。
この傾きの比（α_１／α_２）は、予め固定に設定しておいてもよいし、外部から設定可能であってもよい。
なお、ＨＤＲ映像を表示するＨＤＲ表示装置のピーク輝度が同じであれば、α_１＝α_２である。

具体的には、傾き比乗算手段２３は、以下の式（４）により、式（２）で生成された色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ｝と、式（３）で生成された輝度成分Ｙ_Ｄとから、色信号｛Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα｝および輝度成分Ｙ_Ｄαを算出する。

傾き比乗算手段２３は、算出した輝度成分Ｙ_Ｄαを第２ガンマ処理手段２４に出力し、算出した色信号｛Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα｝を記憶手段２５に出力する。

第２ガンマ処理手段２４は、傾き比乗算手段２３で算出された輝度成分Ｙ_Ｄαに、ガンマ値γ_２によるガンマ処理を行うものである。
この第２ガンマ処理手段２４で使用するガンマ値γ_２は、映像信号変換装置１を介して色再現性を補正した映像信号を表示する対象となるＨＤＲ表示装置２（第２表示装置：図１参照）の光−光伝達関数（ＯＯＴＦ）で用いるガンマ値である。
具体的には、第２ガンマ処理手段２４は、以下の式（５）により、輝度成分Ｙ_Ｄαに対して、（１−γ_２）／γ_２のべき乗演算を行い、補正輝度成分Ｙ_Ｘを生成する。

第２ガンマ処理手段２４は、算出した補正輝度成分Ｙ_Ｘをガンマ処理結果乗算手段２６に出力する。

記憶手段２５は、傾き比乗算手段２３で算出された色信号｛Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα｝を一時的に記憶するバッファである。この記憶手段２５に記憶された色信号｛Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα｝は、ガンマ処理結果乗算手段２６によって読み出され、削除される。

ガンマ処理結果乗算手段２６は、記憶手段２５に記憶されている色信号｛Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα｝に、第２ガンマ処理手段２４でガンマ処理されたガンマ処理結果（補正輝度成分Ｙ_Ｘ）を乗算するものである。
具体的には、ガンマ処理結果乗算手段２６は、以下の式（６）により、式（４）で生成された色信号｛Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα｝のそれぞれに、式（５）で生成された補正輝度成分Ｙ_Ｘを乗算することで、色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝から構成される信号Ｅ_Ｃを生成する。

ガンマ処理結果乗算手段２６は、色信号｛Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα，Ｒ_Ｄα｝のそれぞれに補正輝度成分Ｙ_Ｘを乗算する乗算器２６０，２６１，２６２で構成することができる。
このガンマ処理結果乗算手段２６は、信号Ｅ_Ｃ＝｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝を光電変換手段３０に出力する。
以上の構成によって、階調変換手段２０は、信号Ｅ＝｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝から、階調変換した信号Ｅ_Ｃ＝｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝を生成する。
この階調変換手段２０が行う階調変換の処理は、以下の式（７）の演算を行うことと同じである。

なお、この式（７）により、信号Ｅが、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる信号Ｅ_Ｃに変換可能であることについては、あとで詳細に説明する。

光電変換手段３０は、ＨＤＲの撮像装置Ｃ（図１参照）で行われるＨＬＧ方式の光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の演算を行うことで、信号Ｅ_ＣをＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′_Ｃに変換する。

この光電変換手段３０は、映像信号のレベル範囲を［０：１］としたとき、“０”〜“１／１２”のレベル範囲（低輝度部）の映像信号に平方根特性を与える。また、光電変換手段３０は、“１／１２”〜“１”のレベル範囲（高輝度部）の映像信号に対数特性を与える。これによって、光電変換手段３０は、信号Ｅ_ＣをＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′_Ｃに変換する。
具体的には、光電変換手段３０は、以下の式（８）により、色信号ごとに、信号Ｅ_Ｃ＝｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝をＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′_Ｃ＝｛Ｅ′_ＣＲ，Ｅ′_ＣＧ，Ｅ′_ＣＢ｝に変換する。

ここで、ｌｎ（ｘ）はｘの自然対数を示し、ａ，ｂ，ｃは、式（１）と同じである。
光電変換手段３０は、変換後の映像信号Ｅ′_Ｃを、外部（図１の場合、ＨＤＲ表示装置２）に出力する。

以上説明したように映像信号変換装置１を構成することで、映像信号変換装置１は、ＨＬＧ方式のＨＤＲの映像信号を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像信号に階調変換することができる。
なお、映像信号変換装置１は、コンピュータを前記した手段として機能させるための階調変換プログラムで動作させることができる。
これによって、映像信号変換装置１は、一体化番組制作を行う場合でも、ＨＬＧ映像とＳＤＲ映像との中間階調以下における色再現性の差を小さくすることができる。

（映像信号変換装置の構成根拠）
ここで、図４を参照して、図３で説明した映像信号変換装置１の構成で、所望の階調変換が可能な理由、すなわち、式（７）の根拠について説明する。
ＨＬＧ方式のＨＤＲ映像方式では、図４（ａ）に示すように、ＨＤＲ（ＨＬＧ方式）の撮像装置Ｃにおいて、光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）により、シーン光Ｌｓを電気信号（映像信号Ｅ′）に変換する。
また、ＨＤＲ表示装置２において、光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の逆関数（ＯＥＴＦ^−１）と光−光伝達関数（ＯＯＴＦ）とにより、電気信号（映像信号Ｅ′）を表示光Ｌｄに変換する。このＨＤＲ表示装置２における光−光伝達関数（ＯＯＴＦ）は、輝度成分に対してガンマ処理を適用している。図４（ａ）では、輝度成分（Ｙ）に対してガンマ（γ）処理を行うＯＯＴＦを、ＯＯＴＦ（Ｙ^γ）で示している。

ここで、輝度成分に対するガンマ処理の代わりにＲＧＢの各色成分にガンマ処理を適用するには、映像信号Ｅ′に対して、図４（ｂ）の変換処理Ａを行うことで実現することができる。変換処理Ａは、処理Ａ１〜Ａ４で構成される。

〔処理Ａ１〕
処理Ａ１は、ＨＤＲ（ＨＬＧ方式）の撮像装置Ｃにおける光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の逆関数（ＯＥＴＦ^−１）により、映像信号Ｅ′をシーン光に対応する信号Ｅに変換する処理である。この処理Ａ１は、逆光電変換手段１０で行う前記式（１）に相当する。

〔処理Ａ２〕
処理Ａ２は、光−光伝達関数（ＯＯＴＦ）により、信号Ｅを、ＲＧＢの各色成分に対してガンマ処理した表示光に対応する信号Ｆ_Ｄに変換する処理である。図４（ｂ）では、ＲＧＢの各色成分にガンマ（γ）処理を適用するＯＯＴＦを、ＯＯＴＦ（ＲＧＢ^γ）で示している。
このＯＯＴＦ（ＲＧＢ^γ）は、シーン光に対応する信号Ｅ＝｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝に対して、以下の式（９）の演算を行うことで、表示光に対応する信号Ｆ_Ｄ＝｛Ｒ_Ｄ，Ｇ_Ｄ，Ｂ_Ｄ｝に変換する。

ここで、α_１は前記式（４）、γ_１は前記式（２）で説明したものである。βは映像信号のレベル範囲を［０：１］としたときの黒輝度（黒の信号レベル）を示す。

〔処理Ａ３〕
処理Ａ３は、光−光伝達関数（ＯＯＴＦ）の逆関数（ＯＯＴＦ^−１）により、表示光に対応する信号Ｆ_Ｄを、輝度成分に逆ガンマ処理した信号Ｅ_Ｃに変換する処理である。図４（ｂ）では、輝度成分（Ｙ）に逆ガンマ（γ）処理を行うＯＯＴＦ^−１を、ＯＯＴＦ^−１（Ｙ^γ）で示している。
このＯＯＴＦ^−１（Ｙ^γ）は、表示光に対応する信号Ｆ_Ｄ＝｛Ｒ_Ｄ，Ｇ_Ｄ，Ｂ_Ｄ｝に対して、以下の式（１０）の演算を行うことで、シーン光に対応する信号Ｅ_Ｃ＝｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝に変換する。

ここで、α_２は前記式（４）、γ_２は前記式（５）、βは前記式（９）、Ｙ_Ｄは前記式（３）で説明したものである。

〔処理Ａ４〕
処理Ａ４は、ＨＤＲ（ＨＬＧ方式）の撮像装置Ｃにおける光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）により、シーン光に対応する信号Ｅ_Ｃを映像信号Ｅ′_Ｃに変換する処理である。この処理Ａ４は、光電変換手段３０で行う前記式（８）に相当する。
本発明では、前記した処理Ａ２および処理Ａ３を簡略化する。
すなわち、本発明では、前記式（９）の黒の輝度レベルであるβを“０”とみなす。すると、前記式（９）は以下の式（１１）となる。

また、βを“０”とみなすことで、この式（１１）により、前記式（１０）は以下の式（１２）に変形することができる。

また、前記式（３）に示した輝度成分Ｙ_Ｄは、前記式（１１）により、以下の式（１３）に変形することができる。

よって、前記式（１２）は、以下の式（１４）、すなわち前記式（７）に変形することができる。

このように、黒輝度を“０”とみなすことで、階調変換手段２０は、前記式（９）および式（１０）の演算を簡略化した加乗算処理で、信号Ｅを、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる信号Ｅ_Ｃに階調変換することができる。
以上説明したように、映像信号変換装置１は、ＨＬＧ方式の映像信号に対して、ＨＤＲ表示装置で行う輝度成分に対するガンマ処理の逆ガンマ処理を予め行い、ＲＧＢの各色成分に対するガンマ処理を行うことと同じ動作を実現する。

＜映像信号変換装置の動作＞
次に、図５を参照（構成については適宜図３参照）して、本発明の第１実施形態に係る映像信号変換装置１の動作について説明する。
図３に示すように、映像信号変換装置１は、逆光電変換手段１０によって、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′を順次入力し、ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の逆関数（ＯＥＴＦ^−１）である前記式（１）により、シーン光に対応する信号Ｅに逆光電変換する（ステップＳ１）。

そして、映像信号変換装置１は、第１ガンマ処理手段２１によって、信号Ｅのそれぞれの色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝に対して、前記式（２）によりγ_１のべき乗演算（第１ガンマ処理）を行うことで色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ｝を生成する（ステップＳ２）。

そして、映像信号変換装置１は、傾き比乗算手段２３によって、ステップＳ２で生成したガンマ処理結果（色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ｝）に、階調変換手段２０の入出力信号である信号Ｅと信号Ｅ_Ｃとの傾きの比（α_１／α_２）を乗算して、記憶手段２５に一時記憶する（ステップＳ３）。

また、映像信号変換装置１は、輝度算出手段２２によって、ステップＳ２で生成したガンマ処理結果（色信号｛Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｄ｝）から、前記式（３）により輝度寄与率に応じた加重和演算を行うことで輝度成分Ｙ_Ｄを算出する（ステップＳ４）。

そして、映像信号変換装置１は、傾き比乗算手段２３によって、ステップＳ４で算出した輝度成分Ｙ_Ｄに、信号Ｅと信号Ｅ_Ｃとの傾きの比（α_１／α_２）を乗算する（ステップＳ５）。

さらに、映像信号変換装置１は、第２ガンマ処理手段２４によって、ステップＳ５で傾き比を乗算した輝度成分Ｙ_Ｄαに、前記式（５）によりガンマ値γ_２によるガンマ処理を行うことで補正輝度成分Ｙ_Ｘを生成する（ステップＳ６）。

そして、映像信号変換装置１は、ガンマ処理結果乗算手段２６によって、ステップＳ３で記憶手段２５に一時記憶されている色信号ごとに、前記式（６）により、ステップＳ６で生成された輝度成分を乗算することで、色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝から構成される信号Ｅ_Ｃを生成する（ステップＳ７）。

その後、映像信号変換装置１は、光電変換手段３０によって、ステップＳ７で生成した信号Ｅ_Ｃを、ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）である前記式（８）により、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′_Ｃに光電変換する（ステップＳ８）。
そして、映像信号変換装置１は、映像信号が入力される間（ステップＳ９でＹｅｓ）、ステップＳ１に戻って動作を継続する。一方、映像信号変換装置１は、映像信号の入力がなくなった段階（ステップＳ９でＮｏ）で、動作を終了する。

以上の動作によって、映像信号変換装置１は、ＨＤＲ（ＨＬＧ方式）の映像を、ＳＤＲの映像との色再現性の差が小さい映像に変換することができる。
以上、本発明の実施形態に係る映像信号変換装置１の構成および動作について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

（変形例１）
映像信号変換装置１は、変換前の映像信号Ｅ′と変換後の映像信号Ｅ′_Ｃとが、ピーク輝度が異なる表示装置を対象とした映像信号であることを想定した構成である。
しかし、このピーク輝度は、例えば、１０００ｃｄ／ｍ^２で同じにしてもよい。この場合、階調変換手段２０に入力される信号Ｅの傾きα_１と、階調変換手段２０で変換後の信号Ｅ_Ｃの傾きα_２とが同じ（α_１＝α_２）になる。また、γ_１＝γ_２（＝１．２）となる。

このように、変換前の映像信号Ｅ′と変換後の映像信号Ｅ′_Ｃとを同じピーク輝度の表示装置の映像信号とする場合、図３に示した映像信号変換装置１の構成から、傾き比乗算手段２３を省いて構成してもよい。
すなわち、図６に示すように、逆光電変換手段１０と、傾き比乗算手段２３を省略した階調変換手段２０Ｂと、光電変換手段３０と、を備える映像信号変換装置１Ｂとして構成してもよい。
この図６に示す映像信号変換装置１Ｂの階調変換手段２０Ｂが行う階調変換の処理は、前記式（７）の代わりに、以下の式（１５）に示す簡略化した演算を行うことと同じである。

（変形例２）
映像信号変換装置１，１Ｂは、逆光電変換手段１０および光電変換手段３０において、ぞれぞれ、前記式（１）および前記式（８）の演算を行うこととした。
しかし、逆光電変換手段１０および光電変換手段３０は、ルックアップテーブルを参照して、変換を行うこととしてもよい。

その場合、図７に示すような映像信号変換装置１Ｃとして構成すればよい。
映像信号変換装置１Ｃは、逆光電変換手段１０Ｂと、階調変換手段２０と、光電変換手段３０Ｂと、第１ＬＵＴ記憶手段４０と、第２ＬＵＴ記憶手段５０と、を備える。
階調変換手段２０は、図３で説明した映像信号変換装置１の構成と同じものであるため、説明を省略する。なお、階調変換手段２０は、図６で説明した階調変換手段２０Ｂとしてもよい。

逆光電変換手段１０Ｂは、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′を、シーン光に対応する信号（第１信号）Ｅに変換するものである。逆光電変換手段１０Ｂは、映像信号Ｅ′の各色信号｛Ｅ′_Ｒ，Ｅ′_Ｇ，Ｅ′_Ｂ｝ごとに、第１ＬＵＴ記憶手段４０に記憶されている１次元のルックアップテーブル（以下、１Ｄ−ＬＵＴ）を参照して、色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝に変換する。

光電変換手段３０Ｂは、階調変換手段２０で階調変換された信号Ｅ_Ｃを、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′_Ｃに変換するものである。光電変換手段３０Ｂは、信号Ｅ_Ｃの各色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝ごとに、第２ＬＵＴ記憶手段５０に記憶されている１Ｄ−ＬＵＴを参照して、色信号｛Ｅ′_ＣＲ，Ｅ′_ＣＧ，Ｅ′_ＣＢ｝に変換する。

第１ＬＵＴ記憶手段４０は、映像信号Ｅ′とシーン光に対応する信号Ｅとを予め対応付けた１Ｄ−ＬＵＴを記憶するもので、一般的な半導体メモリ等の記憶媒体で構成される。第１ＬＵＴ記憶手段４０に記憶する１Ｄ−ＬＵＴは、前記式（１）の光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ）の逆関数（ＯＥＴＦ^−１）の特性となるように、映像信号Ｅ′と信号Ｅとの色成分の値を予め対応付けたテーブルである。なお、この１Ｄ−ＬＵＴは、ＲＧＢ各色信号で共通である。

第２ＬＵＴ記憶手段５０は、信号Ｅ_Ｃと映像信号Ｅ′_Ｃとを予め対応付けた１Ｄ−ＬＵＴを記憶するもので、一般的な半導体メモリ等の記憶媒体で構成される。第２ＬＵＴ記憶手段５０に記憶する１Ｄ−ＬＵＴは、前記式（８）の伝達関数ＯＥＴＦの特性となるように、信号Ｅ_Ｃと映像信号Ｅ′_Ｃとの色成分の値を予め対応付けたテーブルである。なお、この１Ｄ−ＬＵＴは、ＲＧＢ各色信号で共通である。

通常、図４に示した変換処理ＡをＬＵＴで実現しようとすると、ＲＧＢの各色成分から輝度成分を算出するため、ＲＧＢの色成分の組合せで、映像信号Ｅ′から映像信号Ｅ′_Ｃにコード値を変換するには、３次元のＬＵＴ（３Ｄ−ＬＵＴ）を使用する必要がある。
例えば、１０ｂｉｔで階調を表現する場合、“０”から“１０２３”までのコード値（データ数は１０２４個）で、ＲＧＢの各色の組合せ総数は２^３０通りとなる。このときのデータ容量は、２^３０通り×１０ｂｉｔ×ＲＧＢ３値の約４０ＧＢとなり、メモリ上に保持するＬＵＴの容量としては現実的でない。

３Ｄ−ＬＵＴでは、通常、対応するコード値を格子状に区切り、データ量を削減している。例えば、前記した３Ｄ−ＬＵＴを、６５×６５×６５の格子で区切った３Ｄ−ＬＵＴとした場合、データ容量は約１ＭＢとなる。この３Ｄ−ＬＵＴを用いた場合、格子外のデータについては、体積補間等の補間処理を行う必要があり、誤差が生じる可能性がある。
しかし、映像信号変換装置１Ｃは、すべての組合せを網羅しても、２組の１Ｄ−ＬＵＴのデータ容量は、１０２４通り×１０ｂｉｔ×２組の約４５ＫＢで済む。
また、映像信号変換装置１Ｃは、階調変換手段２０を加乗算処理のみで実現することができる。

このように、映像信号変換装置１Ｃは、映像信号変換装置１，１Ｂの効果に加え、加乗算処理のみで実現された階調変換手段２０と、１Ｄ−ＬＵＴを参照して変換を行う逆光電変換手段１０Ｂおよび光電変換手段３０Ｂとにより、高速、かつ、誤差なく階調変換を行うことができる。
なお、映像信号変換装置１Ｂ，１Ｃも、コンピュータを前記した手段として機能させるための階調変換プログラムで動作させることができる。

≪第２実施形態：映像表示装置≫
図１に示すように、映像信号変換装置１は、撮像装置ＣとＨＤＲ表示装置２との間に備えられ、映像信号の階調を変換するものであった。しかし、映像信号変換装置１の処理を、ＨＤＲ表示装置２の内部に組み込んでも構わない。
図８に、映像信号変換装置１の処理を、ＨＤＲ表示装置２の内部に組み込んだ本発明の第２実施形態に係る映像表示装置１００の構成を示す。

映像表示装置１００は、ＨＬＧ方式の映像信号Ｅ′を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用する表示装置で表示する場合の色再現性との差が小さい映像に補正して表示するものである。
図８に示すように、映像表示装置１００は、逆光電変換手段１０と、階調変換手段２０と、輝度成分ガンマ処理手段６０と、を備える。
逆光電変換手段１０および階調変換手段２０は、図１で説明した映像信号変換装置１の構成と同じであるため、説明を省略する。また、階調変換手段２０は、図６で説明した階調変換手段２０Ｂとしてもよい。
なお、この場合、階調変換手段２０で使用するα_２およびγ_２は、映像表示装置１００を表示対象とする信号の傾きおよびガンマ値である。

輝度成分ガンマ処理手段６０は、階調変換手段２０で階調変換された信号Ｅ_Ｃの輝度成分に対して、ガンマ処理を施して、表示光Ｌｄに変換するものである。この輝度成分ガンマ処理手段６０は、ＨＬＧ方式の光−光伝達関数（ＯＯＴＦ）の特性を与えることで、信号Ｅ_Ｃを表示光Ｌｄに変換する。
このように映像表示装置１００を構成することで、映像表示装置１００は、ＨＤＲ（ＨＬＧ方式）の映像を、輝度の再現範囲は異なっても、中間階調以下の色再現性において、ＳＤＲの映像との差が小さい映像に変換して表示することができる。

１ 映像信号変換装置
１０ 逆光電変換手段
２０ 階調変換手段
２１ 第１ガンマ処理手段
２２ 輝度算出手段
２３ 傾き比乗算手段
２４ 第２ガンマ処理手段
２５ 記憶手段
２６ ガンマ処理結果乗算手段
３０ 光電変換手段
４０ 第１ＬＵＴ記憶手段
５０ 第２ＬＵＴ記憶手段
６０ 輝度成分ガンマ処理手段
１００ 映像表示装置

Claims (4)

1. ＨＬＧ方式の映像信号の色再現性を補正する映像信号変換装置であって、
   前記ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数の逆関数により、前記ＨＬＧ方式の映像信号をシーン光に対応する第１信号に変換する逆光電変換手段と、
   前記逆光電変換手段で変換された第１信号を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる第２信号に階調変換する階調変換手段と、
   前記光−電気伝達関数により、前記階調変換手段で変換された第２信号を前記ＨＬＧ方式の映像信号に変換する光電変換手段と、を備え、
   前記階調変換手段は、
   前記ＨＬＧ方式の映像信号を表示対象とする第１表示装置のガンマ値をγ_１、前記第１表示装置の正規化したピーク輝度をα_１、前記色再現性を補正した映像信号を表示対象とする第２表示装置のガンマ値をγ_２、前記第２表示装置の正規化したピーク輝度をα_２、ＲＧＢの色ごとの輝度寄与率をＣ_Ｒ，Ｃ_Ｇ，Ｃ_Ｂとし、色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝で構成される前記第１信号Ｅを、
   

   

   により、色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝で構成される前記第２信号Ｅ_Ｃに変換することを特徴とする映像信号変換装置。
2. ＨＬＧ方式の映像信号の色再現性を補正する映像信号変換装置であって、
   前記ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数の逆関数により、前記ＨＬＧ方式の映像信号とシーン光に対応する第１信号とを予め対応付けた１次元のルックアップテーブルを参照して、前記ＨＬＧ方式の映像信号を前記第１信号に変換する逆光電変換手段と、
   前記逆光電変換手段で変換された第１信号を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる第２信号に階調変換する階調変換手段と、
   前記光−電気伝達関数により、前記第２信号と前記ＨＬＧ方式の映像信号とを予め対応付けた１次元のルックアップテーブルを参照して、前記第２信号を前記ＨＬＧ方式の映像信号に変換する光電変換手段と、を備え、
   前記階調変換手段は、
   前記ＨＬＧ方式の映像信号を表示対象とする第１表示装置のガンマ値をγ_１、前記第１表示装置の正規化したピーク輝度をα_１、前記色再現性を補正した映像信号を表示対象とする第２表示装置のガンマ値をγ_２、前記第２表示装置の正規化したピーク輝度をα_２、ＲＧＢの色ごとの輝度寄与率をＣ_Ｒ，Ｃ_Ｇ，Ｃ_Ｂとし、色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝で構成される前記第１信号Ｅを、
   

   

   により、色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝で構成される前記第２信号Ｅ_Ｃに変換することを特徴とする映像信号変換装置。
3. コンピュータを、請求項１または請求項２に記載の映像信号変換装置として機能させるための映像信号変換プログラム。
4. ＨＬＧ方式の映像信号の色再現性を補正して表示する映像表示装置であって、
   前記ＨＬＧ方式の光−電気伝達関数の逆関数により、前記ＨＬＧ方式の映像信号をシーン光に対応する第１信号に変換する逆光電変換手段と、
   前記逆光電変換手段で変換された第１信号を、ガンマ処理をＲＧＢの各色成分に適用した映像で表示させる第２信号に階調変換する階調変換手段と、
   前記ＨＬＧ方式の光−光伝達関数により、前記第２信号を表示光に変換する輝度成分ガンマ処理手段と、を備え、
   前記階調変換手段は、
   前記ＨＬＧ方式の映像信号を表示対象とする第１表示装置のガンマ値をγ_１、前記第１表示装置の正規化したピーク輝度をα_１、前記色再現性を補正した映像信号を表示対象とする第２表示装置のガンマ値をγ_２、前記第２表示装置の正規化したピーク輝度をα_２、ＲＧＢの色ごとの輝度寄与率をＣ_Ｒ，Ｃ_Ｇ，Ｃ_Ｂとし、色信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝で構成される前記第１信号Ｅを、
   

   

   により、色信号｛Ｅ_ＣＲ，Ｅ_ＣＧ，Ｅ_ＣＢ｝で構成される前記第２信号Ｅ_Ｃに変換することを特徴とする映像表示装置。

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