JP2005260405A - 画像処理装置および画像処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画質の低下を抑えたガンマ補正を小さい回路規模で行う。
【解決手段】入力データに対してガンマ補正を行う画像処理装置であって、前記ガンマ補正を折れ線近似により行う折れ線近似手段２と、前記入力データに対応するガンマ補正データを部分的に記憶するルックアップテーブル３と、前記入力データに応じて折れ線近似手段２及びルックアップテーブル３のいずれか一方の出力を選択する補正判定部４およびセレクタ５とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入力データに対してガンマ補正を行う画像処理装置および画像処理方法に関するものである。

一般的に、テレビやカーナビゲーション用のディスプレイは、表示される明るさ（輝度）が信号入力の強さに比例して発光しない性質がある。信号入力をｘとすると、発光出力の輝度ｙは、ｙ＝ｘ^γで表され、非線形な曲線となる。このような非線形特性をガンマ特性と呼ぶ。この場合、γ値はディスプレイの種類によって異なり、例えばＣＲＴでは、γ＝２．２である。

ディスプレイで正しく表示するための方法として、映像出力信号Ｒ，Ｇ，Ｂ（信号入力ｘ）に対して、ｙ＝ｘ^１／γの補正を行う。これをガンマ補正という。

図６は、γ＝２．２の場合のガンマ補正曲線を示す図である。このガンマ補正曲線は、色データｘが８ビットのデータ（０〜２５５）の場合に、ガンマ補正データｙの値が０〜２５５の範囲に入るように正規化したものであり、以下の式から求められる。
ｙ＝｛（ｘ／２５６）^{１／２．２}｝×２５６

従来のガンマ補正方法には、ガンマ補正のための曲線データをＲＡＭあるいはＲＯＭで構成されるルックアップテーブルに記憶させて変換する方法、あるいはガンマ補正のための曲線を折れ線近似する方法などがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−１３９９７２号公報

しかしながら、上記従来のルックアップテーブルを用いる方法にあっては、入力データのビット数が大きくなる、すなわち階調が細かくなると、大容量のルックアップテーブルが必要となり、回路規模が大きくなるという事情がある。一方、折れ線近似による方法にあっては、回路規模を小さくできる反面、折れ線近似したガンマ補正データと理想値との誤差が大きいと画質に影響するという事情がある。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、画質の低下を抑えたガンマ補正を小さい回路規模で行うことができる画像処理装置および画像処理方法を提供することを目的としている。

本発明の画像処理装置は、入力データに対してガンマ補正を行う画像処理装置であって、前記ガンマ補正を折れ線近似により行う近似手段と、前記入力データに対応するガンマ補正データを部分的に記憶する記憶手段と、前記入力データに応じて前記近似手段及び前記記憶手段のいずれか一方の出力を選択する選択手段と、を備える。

上記構成によれば、入力データに応じて近似手段及び記憶手段のいずれか一方の出力を選択する選択手段を備えることにより、折れ線近似では誤差が大きくなる領域のガンマ補正データを部分的に記憶手段に予め記憶させておくことで、全てのガンマ補正データを記憶手段に記憶させておく必要がなく大容量の記憶手段が不要となるため回路規模を小さくすることができ、また、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が小さい場合には近似手段の出力を選択し、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が大きい場合には記憶手段の出力を選択することで、誤差の小さいガンマ補正データを得ることができるため画質の低下を抑えることができる。

また、本発明の画像処理装置は、前記近似手段の折れ線近似出力を補正する補正手段を備える。また、本発明の画像処理装置は、前記折れ線近似出力と、ガンマ補正理想値との誤差を記憶する記憶部と、前記折れ線近似出力と、前記記憶部が記憶する誤差とを加算する加算手段と、を備える。

また、本発明の画像処理方法は、入力データに対してガンマ補正を行う画像処理方法であって、前記入力データに応じて折れ線近似によるガンマ補正データ及び前記入力データに対応するガンマ補正データのいずれか一方をガンマ補正データの誤差に基づいて選択する選択ステップを有する。

また、本発明の画像処理方法は、前記折れ線近似によるガンマ補正データを補正する補正ステップを有する。また、本発明の画像処理方法は、前記補正ステップは、前記折れ線近似によるガンマ補正データと、前記折れ線近似によるガンマ補正データとガンマ補正理想値との誤差を加算する。

また、本発明の画像処理方法は、前記折れ線近似で用いるサンプル点が、２のべき乗となる点である。また、本発明の画像処理方法は、前記入力データに対応するガンマ補正データ及び前記折れ線近似に用いるサンプル点のデータが、ガンマ補正に加え、画質調整した値である。さらに、本発明の画像処理方法は、前記入力データに対応するガンマ補正データ及び前記折れ線近似に用いるサンプル点のデータが、前記入力データをＸ、画質調整後のデータをＹ、ブライトネスで用いる輝度値をＢｒ、コントラストで用いる傾きをＣとするときに、Ｙ＝Ｃ・Ｘ^１／γ＋Ｂｒの演算式により求められるＹの値である。

本発明の画像処理装置および画像処理方法によれば、入力データに応じて近似手段及び記憶手段のいずれか一方の出力を選択する選択手段を備えることにより、折れ線近似では誤差が大きくなる領域のガンマ補正データを部分的に記憶手段に予め記憶させておくことで、全てのガンマ補正データを記憶手段に記憶させておく必要がなく大容量の記憶手段が不要となるため回路規模を小さくすることができ、また、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が小さい場合には近似手段の出力を選択し、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が大きい場合には記憶手段の出力を選択することで、誤差の小さいガンマ補正データを得ることができるため画質の低下を抑えることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための画像処理装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す画像処理装置は、入力データに対してガンマ補正を行うものであり、ガンマ補正部（Ｒ）１ａは、表示したい色データの赤成分をガンマ補正するもので、ガンマ補正を折れ線近似により行う折れ線近似部２と、入力データに対応するガンマ補正データを部分的に記憶するルックアップテーブル３と、入力データに応じて前記近似手段及び前記記憶手段のいずれか一方の出力を選択する補正判定部４およびセレクタ５とを備える。ガンマ補正部（Ｇ）１ｂ、ガンマ補正部（Ｂ）１ｃは表示したい色データの緑成分、青成分をそれぞれガンマ補正するもので、内部構成はガンマ補正部（Ｒ）１ａと同様である。なお、色データの各成分は例えば８ビットのデジタルデータとして与えられる。

以下、折れ線近似部２の構成について、詳細に説明する。色データをＸ、ガンマ補正データをＹとし、点（ｘ０，ｙ０）と点（ｘ１，ｙ１）の直線補間は、点（ｘ０，ｙ０）を通り、傾き（ｙ１−ｙ０）／（ｘ１−ｘ０）の直線として、数式１で表される。

したがって、色データに対応するガンマ補正データをサンプリングし、テーブル化して数式１に当てはめれば直線補間を行うことができる。しかし、それをハードウェアで実現しようとすると、傾きの演算に除算器が必要となり回路が大規模になってしまう。そのため、傾きの演算に除算結果テーブルを用いて除算器を削減する方法がある。

本実施形態では、サンプリングする色データを「８」以上の２のべき乗（２^ｎが８以上の整数、すなわちｎは３以上の整数）とすることにより、除算器および除算結果テーブルを用いることなく色データにガンマ補正を行う。
数式１で、色データのｘ０とｘ１を２のべき乗に置き換える、すなわちｘ０＝２^ｎ、ｘ１＝２^ｎ＋１を代入すると、数式２のようになる。

さらに数式２を簡単にするため、２^ｎ＋１−２^ｎ＝２^ｎで置き換えると、数式３のようになる。

数式３によれば、２^ｎによる除算はデータのシフト処理で済むため、ガンマ補正の直線補完に除算器も除算結果テーブルも不要となる。

図２は、図１に示した画像処理装置の折れ線近似部２を説明するための概略構成図である。図２において、ガンマ補正００８レジスタ６ａは、色データ「８」に対応するガンマ補正データを記憶し、ガンマ補正０１６レジスタ６ｂは、色データ「１６」に対応するガンマ補正データを記憶する。同様に、ガンマ補正０３２レジスタ６ｃは、色データ「３２」に対応するガンマ補正データを記憶し、ガンマ補正０６４レジスタ６ｄは、色データ「６４」に対応するガンマ補正データを記憶する。さらに、ガンマ補正１２８レジスタ６ｅは、色データ「１２８」に対応するガンマ補正データを記憶し、ガンマ補正２５５レジスタ６ｆは、色データ「２５５」に対応するガンマ補正データを記憶する。

なお、ガンマ補正２５５レジスタ６ｆは、色データが８ビットでは「２５５＝２^８−１」が最大であるため、色データが「２５５」に対応するガンマ補正データを記憶する。例えば、色データｘ、ガンマ補正データｙ、ｙ＝｛（ｘ／２５６）^１／γ｝×２５６、γ＝２．２の場合に、レジスタ６ａ〜６ｆの設定内容は表１のようになる。

また、図２における基準点生成部７は、入力される色データの値から直線補間の基準点ｘ０、すなわち「２^ｎ」における次数「ｎ」を生成するものである。すなわち、基準点生成部７では、表２に示すように、色データＸの最上位ビット（ＭＳＢ）から１ビット、２ビット、３ビット、４ビット、５ビットを検出し、そのデータに対応して「ｎ」を生成する。例えば、色データＸが「００００１ｘｘｘ」の場合は、「００００１０００＝８＝２^３」から「ｎ＝３」を生成する。

また、図２に示すセレクタ８は、基準点生成部７から供給される「ｎ」の値に従って、ガンマ補正レジスタ６ａ〜６ｆの中からガンマ補正データｙ１（補完直線の終点のｙ座標）を選択する。同様に、セレクタ９は、基準点生成部７から供給される「ｎ」の値に従って、レジスタ６ａ〜６ｆの中からガンマ補正データｙ０（補完直線の始点のｙ座標）を選択する。表３にセレクタ８、９の選択内容を示す。

図２に示す減算器１０は、セレクタ８から「ｙ１」が供給され、セレクタ９から「ｙ０」が供給され、（ｙ１−ｙ０）を演算する。
また、マスク生成部１１は、基準点生成部７から供給される「ｎ」の値から、色データＸをマスクするデータを生成する。すなわち、最下位ビット（ＬＳＢ）からｎビットが「１」となる８ビットデータを生成する。例えば、ｎ＝３のマスクデータは「０００００１１１」である。表４にマスクデータの内容を示す。

図２に示す論理積（ＡＮＤ）回路１２は、色データＸとマスク生成部１１で生成されたマスクデータとの論理積を行い、（Ｘ−２^ｎ）を求める。すなわち、論理積回路１２は、色データｘの最下位ビットから「ｎ」を抜き出すので、補完直線における色データの増分Δｘを求めることができる。
図２に示す乗算器１３は、減算器１０から供給される（ｙ１−ｙ０）と、論理積回路１２から供給される（Ｘ−２^ｎ）の乗算、すなわち（ｙ１−ｙ０）×（Ｘ−２^ｎ）を行う。

また、右シフター１４は、基準点生成部７から供給される「ｎ」の値に従って、乗算器１３の乗算結果を「ｎ」の値分右シフトし、（ｙ１−ｙ０）×（Ｘ−２^ｎ）／２^ｎの結果を得る。これは、「ｎ」の右シフトが「２^ｎ」による除算に対応するためである。
図２に示す加算器１５は、右シフター１４の結果とセレクタ９から供給される「ｙ０」を加算することで、数式３の演算結果、すなわちガンマ補正データＹを求める。

このように、本実施形態の折れ線近似部２では、色データＸが「８〜２５５」の場合にガンマ補正データＹを生成することを目的としている。これは、ガンマ補正曲線の特性上、色データＸが「０〜７」の間ではガンマ補正データＹの曲率が大きく、折れ線近似では誤差が大きくなるが、色データＸが「８〜２５５」の間ではガンマ補正データＹの曲率が小さく、折れ線近似による誤差を小さくすることができるので、全てのガンマ補正データＹをルックアップテーブルに記憶させるより回路規模を小さくすることができるためである。

一方、色データＸが「０〜７」の場合には、ガンマ補正データＹは以下に説明するルックアップテーブル３により求められる。

図１に示すルックアップテーブル３は、色データＸが「０〜７」に対応するガンマ補正データＹを記憶するテーブルで、入力された色データＸに対するガンマ補正データＹを出力する。例えば、色データｘ、ガンマ補正データｙ、ｙ＝｛（ｘ／２５６）^１／γ｝×２５６、γ＝２．２の場合に、ルックアップテーブル３に記憶されるガンマ補正データＹは表５のようになる。

なお、ルックアップテーブル３はＲＡＭやＲＯＭといったメモリで構成してもよいし、レジスタで構成してもよい。

図１に示す補正判定部４は、色データＸの値が「８」以上であれば補正切替信号「１」を出力し、色データＸの値が「７」以下であれば補正切替信号「０」を出力する。また、セレクタ５は、補正判定部４から補正切替信号が供給され、補正切替信号が「１」であれば折れ線近似部２から出力されるガンマ補正データを選択し、補正切替信号が「０」であればルックアップテーブル３から出力されるガンマ補正データを選択して、ガンマ補正部（Ｒ）１ａとしてのガンマ補正データ（Ｒ）を出力する。

図３は、本実施形態の画像処理装置におけるガンマ補正特性を示す。図３に示すように、色データＸが「０〜７」の場合、ガンマ補正データＹはルックアップテーブル３に記憶されている理想値となり、色データＸが「８〜２５５」の場合、ガンマ補正データＹは折れ線近似により求められるデータとなる。

以上のように、入力データに応じて近似手段及び記憶手段のいずれか一方の出力を選択する選択手段（補正判定部４およびセレクタ５）を備えることにより、折れ線近似では誤差が大きくなる領域のガンマ補正データを部分的にルックアップテーブル３に予め記憶させておくことで、全てのガンマ補正データをテーブルに記憶させておく必要がなく大容量のテーブルが不要となるため回路規模を小さくすることができ、また、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が小さい場合には折れ線近似部２の出力を選択し、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が大きい場合にはルックアップテーブル３の出力を選択することで、誤差の小さいガンマ補正データを得ることができるため画質の低下を抑えることができる。

また、折れ線近似で用いるサンプル点を２のべき乗となる点とすることにより、シフト処理と加減算処理で折れ線近似を実現することができるので、除算器および除算結果テーブルが不要となり、回路規模をさらに小さくすることができる。

また、ルックアップテーブル３に記憶させる、入力データに対応するガンマ補正データおよび折れ線近似用のレジスタ６ａ〜６ｆ（折れ線近似に用いるサンプル点のデータ）を、画質調整を反映させた値に設定することにより、ブライトネスやコントラストのような画質調整を実現することができる。例えば、ブライトネスで用いる輝度値をＢｒ（明るさ調整に用いる値であり、８ビットの場合０〜２５５）、コントラストで用いる傾きをＣ（比例のときは１、通常は１前後）とすると、数式４のように表される。

演算した結果、Ｙ＜０の場合、Ｙは０に丸められ、Ｙ＞２５５の場合、Ｙは２５５に丸められる。なお、以上の説明ではγ＝２．２を例に挙げたが、これに限定されるものではない。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態を説明するための画像処理装置の概略構成を示すブロック図である。同図中、図１と共通の構成要素には図１と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。

ガンマ補正部（Ｒ）１６ａの中で第１の実施形態と異なる点は、折れ線近似部２とセレクタ５の間に、折れ線近似部２の折れ線近似出力を補正する誤差補正部１７が設けられることである。ガンマ補正部（Ｇ）１６ｂ、ガンマ補正部（Ｂ）１６ｃの内部構成は、ガンマ補正部（Ｒ）１ａと同様である。

図５は、誤差補正部１７を説明するための概略構成図である。図５において、誤差テーブル１８は、折れ線近似出力と、ガンマ補正理想値との誤差を記憶するテーブルであり、色データＸ（８〜２５５）に対応するガンマ補正の理想値と折れ線近似との誤差を記憶する。例えば、色データｘ、ガンマ補正データｙ、ｙ＝｛（ｘ／２５６）^１／γ｝×２５６、γ＝２．２の場合に、色データＸに対するガンマ補正理想値と折れ線近似との誤差は表６のようになり、この誤差が誤差テーブル１８に記憶される。

表６に示すように、誤差は最大で「４」となるので、誤差テーブル１８に記憶される誤差データは１データ当たり３ビットあればよい。さらに、誤差「４」となっている箇所を誤差「３」に変更し、誤差データを１データ当たり２ビットにすれば、さらに誤差テーブル１８の回路規模を小さくすることができる。なお、誤差テーブル１８はＲＡＭやＲＯＭといったメモリで構成してもよいし、レジスタで構成してもよい。

図５に示す加算器１９は、折れ線近似出力と、誤差テーブル１８が記憶する誤差とを加算するものであり、図４に示す折れ線近似部２から出力されるガンマ補正データに、誤差テーブル１８に記憶されている誤差データを加算する。加算器１９から出力される値が、誤差補正部１７から出力されるガンマ補正データＹとなる。

以上のように、本実施形態の画像処理装置によれば、折れ線近似によって生成されるデータと理想値の差を誤差テーブル１８に記憶し、そのデータで折れ線近似をさらに補正することにより、第１の実施形態より高精度で理想的なガンマ補正を小さい回路規模で行うことができる。

また、第１の実施の形態と同様に、ルックアップテーブル３、折れ線近似用のレジスタ６ａ〜６ｆおよび誤差テーブル１８に画質調整を反映させた値を設定することにより、ブライトネスやコントラストのような画質調整を実現することができる。なお、以上の説明ではγ＝２．２を例に挙げたが、これに限定されるものではない。

本発明は、入力データに応じて近似手段及び記憶手段のいずれか一方の出力を選択する選択手段を備えることにより、折れ線近似では誤差が大きくなる領域のガンマ補正データを部分的に記憶手段に予め記憶させておくことで、全てのガンマ補正データを記憶手段に記憶させておく必要がなく大容量の記憶手段が不要となるため回路規模を小さくすることができ、また、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が小さい場合には近似手段の出力を選択し、折れ線近似によるガンマ補正の誤差が大きい場合には記憶手段の出力を選択することで、誤差の小さいガンマ補正データを得ることができるため画質の低下を抑えることができる効果を有し、例えば、テレビやカーナビゲーション用ディスプレイ等の入力データに対してガンマ補正を行う画像処理装置および画像処理方法等に有用である。

本発明の第１の実施形態を説明するための画像処理装置の概略構成を示すブロック図 本発明の第１の実施形態に係る画像処理装置の折れ線近似部を説明するための概略構成図 本発明の第１の実施形態に係る画像処理装置の特性を示す図 本発明の第２の実施形態を説明するための画像処理装置の概略構成を示すブロック図 本発明の第２の実施形態に係る画像処理装置の誤差補正部を説明するための概略構成図 γ＝２．２の場合のガンマ補正曲線を示す図

符号の説明

１ａ ガンマ補正部（Ｒ）
１ｂ ガンマ補正部（Ｇ）
１ｃ ガンマ補正部（Ｂ）
２ 折れ線近似部
３ ルックアップテーブル
４ 補正判定部
１７ 誤差補正部
１８ 誤差テーブル

Claims (9)

1. 入力データに対してガンマ補正を行う画像処理装置であって、
   前記ガンマ補正を折れ線近似により行う近似手段と、
   前記入力データに対応するガンマ補正データを部分的に記憶する記憶手段と、
   前記入力データに応じて前記近似手段及び前記記憶手段のいずれか一方の出力を選択する選択手段と、
   を備える画像処理装置。
2. 請求項１記載の画像処理装置であって、
   前記近似手段の折れ線近似出力を補正する補正手段を備える画像処理装置。
3. 請求項２記載の画像処理装置であって、
   前記折れ線近似出力と、ガンマ補正理想値との誤差を記憶する記憶部と、
   前記折れ線近似出力と、前記記憶部が記憶する誤差とを加算する加算手段と、
   を備える画像処理装置。
4. 入力データに対してガンマ補正を行う画像処理方法であって、
   前記入力データに応じて折れ線近似によるガンマ補正データ及び前記入力データに対応するガンマ補正データのいずれか一方をガンマ補正データの誤差に基づいて選択する選択ステップを有する画像処理方法。
5. 請求項４記載の画像処理方法であって、
   前記折れ線近似によるガンマ補正データを補正する補正ステップを有する画像処理方法。
6. 請求項５記載の画像処理方法であって、
   前記補正ステップは、前記折れ線近似によるガンマ補正データと、前記折れ線近似によるガンマ補正データとガンマ補正理想値との誤差を加算する画像処理方法。
7. 請求項４〜６のいずれか一項記載の画像処理方法であって、
   前記折れ線近似で用いるサンプル点は、２のべき乗となる点である画像処理方法。
8. 請求項４〜７のいずれか一項記載の画像処理方法であって、
   前記入力データに対応するガンマ補正データ及び前記折れ線近似に用いるサンプル点のデータは、ガンマ補正に加え、画質調整した値である画像処理方法。
9. 請求項４〜８のいずれか一項記載の画像処理方法であって、
   前記入力データに対応するガンマ補正データ及び前記折れ線近似に用いるサンプル点のデータは、前記入力データをＸ、画質調整後のデータをＹ、ブライトネスで用いる輝度値をＢｒ、コントラストで用いる傾きをＣとするときに、
   Ｙ＝Ｃ・Ｘ^１／γ＋Ｂｒ
   の演算式により求められるＹの値である画像処理方法。

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