JP2019101241A - 信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＧＢの各サブピクセルに対して信号値を明部領域と暗部領域に分割して、明部領域のみ駆動電流を下げるようにゲイン制御した場合であっても、視覚的に疑似輪郭を発生させないように、制御関数の導関数の連続性を保ちながら、表示輝度を制御すること。【解決手段】ディスプレイに接続される信号処理装置であって、ハイブリッドログガンマ特性を有し、入力信号を第１の出力信号に変換する制御関数を含むＥＯＴＦ変換部１１と、第１の出力信号に基づいて、事前に設定された明部領域と暗部領域のうち、明部領域の入力信号を変換する制御関数の係数を調整するためのパラメータ値を算出するパラメータ算出部１２と、パラメータ算出部１２により算出されたパラメータ値により係数を調整した制御関数を用いて、明部領域の入力信号を変換することにより、第２の出力信号を出力する信号処理部１３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ディスプレイの階調を制御するための信号処理装置に関する。

ディスプレイで用いられる表示技術であるハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）表示は、表現できる映像の明暗の幅を拡大する技術であり、従来のスタンダードダイナミックレンジ（ＳＤＲ）表示に比べて明暗差の大きいシーンや、明るい場面等をより忠実に再現することが可能である。

特に、スタンダードダイナミックレンジ（ＳＤＲ）ディスプレイの規格と互換性があるハイブリッドログガンマ方式は、放送に用いるハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）方式として適している。ＨＤＲ表示は、高輝度表示が可能なディスプレイを用いることにより、その効果が十分に得られる。

しかし、素子の発光効率や寿命の課題から、大画面で高輝度な有機ＥＬディスプレイは現状では存在しない。

また、有機ＥＬ素子は電流駆動素子であり、電流を流すことにより発光する。この有機ＥＬ素子を表示素子に使用したディスプレイは、電流に応じて明るさを制御している。大画面ディスプレイを有機ＥＬ素子で実現する場合には、非常に大きな電流を必要とするため、画面全体に渡り高輝度表示を行う際には消費電力が大きくなる。通常、大画面有機ＥＬディスプレイで、大面積にわたり明るい画面が存在する際には、輝度を落として表示することにより消費電力を一定値以下に抑えるように制御している。

また、ＬＥＤやＯＬＥＤを光源に用いた映像表示装置では、省電力化や素子保護等の目的で、入力信号に対して適応的な輝度（電力）制御が行われることが知られている（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。この手法では、入力された映像信号から平均信号レベルＡＰＬ（Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｌｅｖｅｌ）等の特徴量を算出して入力信号を調整するフィードバックゲイン制御が用いられている。この技術によって、パネルの消費電力が駆動回路の許容範囲を超えないように発光輝度を抑えることが可能となることが知られている。
しかしながら、映像表示装置は、高解像度化・パネル大型化・高輝度化・高速駆動化の傾向があり、駆動電力のさらなる増大が予想されている。駆動電力の増大は発光素子の温度上昇を引き起こし、素子特性や寿命を劣化させる。とくに薄型化・フレキシブル化を実現させるためには、冷却機構がない装置構造が望ましく、駆動電力の大幅な削減が求められている。

特開２００７−１４７８６８号公報 特開２０１０−１５６９７４号公報 国際公開第２０１５／１１１１１８号

この点、図７及び図８に記載のように、全画素に対して一定のゲインｇ（＜１）を施すことにより表示輝度を減少させるか、あるいは高輝度部分を一定輝度にクリップすることによって、ディスプレイ全体の消費電力を抑える処理が行われている。しかし一律なゲイン制御で映像信号を抑える既存の制御手法では、暗部領域における階調性の損失やＳＮ比の低下が画質を劣化させる要因となる。また、高輝度部分を一定輝度にクリップする場合には、低輝度領域の映像は適切に表現可能であるが、高輝度領域については一定値に固定されてしまうため、高輝度レベルの階調が適切に表現できないという問題があった。
そこで映像信号を明部領域と暗部領域に分割し、明部領域のみ駆動電流を下げる処理を行うことが考えられるが、ＲＧＢの各サブピクセルに対して信号値を分割してゲイン制御するときに、制御関数の導関数が連続性を持たない場合、視覚的に疑似輪郭を発生させてしまう。擬似輪郭とは、濃淡が本来滑らかに変化している部分で量子化のため濃淡に段差が生じ擬似的に輪郭が存在するように見える現象をいう。
このため、ＲＧＢの各サブピクセルに対して信号値を明部領域と暗部領域に分割して、明部領域のみ駆動電流を下げるようにゲイン制御した場合であっても、視覚的に疑似輪郭を発生させないように、制御関数の導関数の連続性を保ちながら、表示輝度を制御することが求められる。

そこで、本発明は、ハイブリッドログガンマ方式のＨＤＲ信号を高輝度表示が可能なディスプレイ、例えば有機ＥＬディスプレイに表示する際、映像信号を暗部領域と明部領域とに分け、どのディスプレイにおいても暗部領域は概ね同一の輝度を表示できるように設定し、明部領域の信号を低減させる場合に、ＲＧＢの各サブピクセルに対して信号値を分割してゲイン制御した場合であっても、制御関数の導関数の連続性を保ちながら表示輝度を制御することにより、視覚的に擬似輪郭を発生させることなく、駆動電力を抑制することが可能な信号処理装置を提供することを目的とする。

（１） 本発明に係る信号処理装置は、ディスプレイに接続される信号処理装置であって、ハイブリッドログガンマ特性を有し、入力信号を第１の出力信号に変換する制御関数を含むＥＯＴＦ変換部と、前記第１の出力信号に基づいて、事前に設定された閾値以上又は前記閾値を超える信号レベルに対応する信号からなる明部領域と前記閾値を下回るまたは前記閾値以下の信号レベルに対応する信号からなる暗部領域のうち、前記明部領域の入力信号を変換する前記制御関数の係数を調整するためのパラメータ値を算出するパラメータ算出部と、前記パラメータ算出部により算出されたパラメータ値により係数を調整した前記制御関数を用いて、前記明部領域の入力信号を変換することにより、第２の出力信号を出力する信号処理部とを備える。

（２） （１）の信号処理装置において、前記パラメータ算出部は、前記第１の出力信号に基づいて、映像表示時の消費電力に依存する特徴量を算出し、前記特徴量に基づいて前記パラメータ値を計算してもよい。

（３） （１）又は（２）に記載の信号処理装置において、前記入力信号の５０％レベルを前記閾値としてもよい。

（４） （１）〜（３）に記載の信号処理装置において、前記入力信号は映像信号であり、前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号は輝度信号であってよい。

（５） 本発明に係る映像処理装置は、（１）〜（４）に記載の信号処理装置を備えてもよい。

本発明によれば、ハイブリッドログガンマ方式のＨＤＲ信号を高輝度表示が可能なディスプレイに表示する際、信号値を明部領域と暗部領域に分割して、明部領域のみ駆動電流を下げるようにゲイン制御した場合において、ディスプレイの消費電力を一定値以下に抑え、映像信号の暗部領域及び明部領域の双方において階調を適切に表示しながら、視覚的に擬似輪郭を発生させないことが可能となる。

本発明の実施形態に係る信号処理装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態において、ＡＰＬ＝１０％を閾値とした場合の制御例における全体ゲイン値を示すグラフである。 映像信号の分割方法を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る信号処理装置による輝度制御の概要を示すグラフである。 線形制御による輝度制御と非線形制御による輝度制御との差異を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る信号処理装置が実行する信号処理方法を示すフローチャートである。 従来技術における信号処理装置で実行される輝度制御方法の概要を示す図である。 従来技術における信号処理装置で実行される輝度制御方法の概要を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図６を参照することにより説明する。

〔１．発明の概要〕
本発明の実施形態に係る信号処理装置は、映像信号を映像表示装置における表示輝度として最適な信号に処理して出力する。また、当該信号処理装置は、映像信号から表示時の消費電力に依存する特徴量を算出し、映像表示装置の構造や性能から定められる設定に最適となるように信号を調整する。

〔２．発明の構成〕
図１は、本発明の実施形態に係る信号処理装置１の機能ブロック図である。信号処理装置１は、ディスプレイに接続して用いられ、入力信号としての映像信号を、出力信号としての輝度信号に変換する装置であって、ＥＯＴＦ変換部１１と、パラメータ算出部１２と、信号処理部１３とを備える。ここで、「ディスプレイ」とは、例えば、４Ｋや８Ｋの有機ＥＬディスプレイであってよいが、これらには限定されない。

以下の説明において、予め設定された閾値以下の信号レベルに対応する信号を含む領域を暗部領域といい、予め設定された閾値を超える信号レベルに対応する信号を含む領域を明部領域という。なお、映像信号又は当該映像信号の後述するＥＯＴＦ変換部１１により変換された出力信号を総称して信号といい、暗部領域とは、予め設定された閾値以下の信号レベルに対応する映像信号を含む領域又は当該映像信号のＥＯＴＦ変換部１１により変換された出力信号を含む領域を総称する。同様に、明部領域とは、予め設定された閾値を超える信号レベルに対応する映像信号を含む領域又は当該映像信号のＥＯＴＦ変換部１１により変換された出力信号を含む領域を総称する。

ＥＯＴＦ変換部１１は、当業者にとって公知のＥＯＴＦ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）に係るハイブリッドログガンマ特性を有し、ハイブリッドログガンマのガンマ変換により、入力信号としての映像信号を、出力信号としてのディスプレイ入力信号に変換する。以下、ＥＯＴＦ変換部１１における、映像信号を入力して出力信号に変換する関数を制御関数という。具体的には、制御関数は、後述するように、信号が暗部領域に属する場合と明部領域に属する場合とに応じて式１によって表される関数を指す。

パラメータ算出部１２は、ＥＯＴＦ変換部１１により変換された出力信号に基づいて、ディスプレイで映像を表示した際の消費電力を推定し、この消費電力に依存する特徴量を算出する。消費電力に依存する特徴量としては、後述するように、例えば、出力信号の平均値であるＡＰＬ（Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｌｅｖｅｌ）を用いることが可能であるが、別の特徴量を用いてもよい。
次に、パラメータ算出部１２は、自身が算出した消費電力に依存する特徴量が予め設定された所定の閾値を超える場合に、明部領域の映像信号を出力信号に変換する制御関数の係数を調整するためのパラメータ値ｋを計算する。具体的には、パラメータ値ｋにより係数が調整された制御関数（調整後の制御関数）は、後述するように、信号が暗部領域に属する場合と明部領域に属する場合とに応じて式５によって表される関数を指す。
調整後の制御関数の導関数は連続性を保つとともに、調整後の制御関数によって変換された出力信号に基づいて算出される、ディスプレイの消費電力に依存する特徴量は予め設定された所定の閾値を超えないものとなる。調整後の制御関数により、ディスプレイの消費電力を一定値以下に抑えるとともに、視覚的に疑似輪郭を発生させないように、表示輝度を制御することが可能となる。
消費電力に依存する特徴量、及びパラメータ値の具体的な計算方法については、後述する。

信号処理部１３は、映像信号全体を暗部領域の信号はＥＯＴＦ変換部１１により変換された出力信号と同じ値に変換され、明部領域の映像信号のみを、パラメータ算出部１２により計算されたパラメータ値により係数の調整された制御関数により変換し、出力する。
信号処理装置１は、上記の構成を有することにより、ディスプレイの消費電力を一定値以下に抑えるとともに、制御関数の導関数の連続性を保ちながら、どのような映像信号においても、暗部領域については概ね同様の階調特性で表示でき、明部領域については輝度を抑えることにより、表示輝度を制御することができる。
信号処理装置１の基本的な構成に係る説明は上記の通りであるが、以下では、信号処理装置１による信号処理方法の詳細について説明する。

〔３． 信号処理方法〕
〔３．１ 暗部領域と明部領域との分割閾値〕
図３に示すように、まず、映像信号を明部領域の映像信号と暗部領域の映像信号とに分割する閾値を、映像信号の０．５（５０％）に設定する。

〔３．２ 明部領域制御に用いるパラメータ値の算出方法〕
最初に、ＥＯＴＦ変換部１１において、式１を用いて、映像信号Ｅ’｛Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’｝を輝度信号Ｅ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝に変換する。

ただし、ａ＝０．１７８８３２７７、ｂ＝１−４ａ、ｃ＝０．５−ａ・ｌｎ（４ａ）とする。

次に、パラメータ算出部１２は、例えば、ＥＯＴＦ変換部１１により変換されたＥ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝において、各画素のサブピクセルＲＧＢの最大値となるｍａｘＥ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝を式２に代入することにより、消費電力に依存する特徴量としてＡＰＬを計算する。
式２に示すように、ＡＰＬは、すべてのピクセルにおけるｍａｘＥ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝が最大値１となる場合に１００％となることから、ディスプレイの消費電力に依存する特徴量として採用することができる。

ここで、式２は、輝度信号が８Ｋ信号の場合の数式である。輝度信号が例えば４Ｋ信号の場合には、分母が３８４０×２１６０となる。また、式２において、消費電力に依存する特徴量（ＡＰＬ）を算出する際に、Ｅ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝の最大値であるｍａｘＥ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝を適用したが、これに限られない。例えば、Ｅ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝の最大値ｍａｘＥ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝の代わりに、Ｅ｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝の平均値を適用してもよい。

次に、ディスプレイの消費電力の上限を設定するための閾値として、特徴量ＡＰＬの閾値を利用する。
図２は、ＡＰＬ＝１０％を閾値とした場合の制御例における全体ゲイン値を示す。図２の例においては、全体ゲインｍが、
ＡＰＬ≦１０％の場合、ｍ＝１
ＡＰＬ＞１０％の場合、ｍ＝１０／ＡＰＬ
となるように、信号処理装置１は信号処理を実行する。
すなわち、図２の例においては、ＡＰＬが１０％以下の映像は輝度制御されず、ＥＯＴＦ変換されて出力されることとなる。
以下では、一例として、ディスプレイの消費電力の上限を設定するための閾値として、特徴量ＡＰＬの閾値１０％を採用した場合についての制御例、及び明部領域のみ制御する際に用いるパラメータ値ｋの算出方法について説明する。

図３に示すように、パラメータ算出部１２は、映像信号を、明部領域の映像信号と暗部領域の映像信号とに分割する。ここでは明部領域の映像信号と暗部領域の映像信号とを分割する閾値を、映像信号の０．５（５０％）に設定する。ただし、分割閾値は０．５（５０％）に限定されない。

このとき、明部領域のみ制御するために、ａ‘＝０．１７８８３２７７／ｋとなるパラメータ値ｋを設定する。

信号処理部１３は、式３に示す、パラメータ値ｋにより係数が調整された制御関数（調整後の制御関数）を用いて、映像信号を変換し、出力信号を出力する。

ただし、ｂ’＝１−４ａ’、ｃ’＝０．５−ａ’・ｌｎ（４ａ’）である。

図４は、式３において、ｋの値が、ｋ＝１、２／３、０、各々の場合の映像信号と輝度信号の信号値の関係を示す。図４からは、パラメータ値ｋの設定により、明部領域のみが制御されると共に、ｋが１から０に近づくに従って、明部領域の輝度が下がっていることが分かる。すなわち、パラメータ値ｋの値を減少させることにより、明部領域のみの輝度を下げることが可能である。

ここで、明部領域の輝度信号の平均値をＡＰＬ_ｈｉｇｈ、明部領域の割合をＲ_ｈｉｇｈ、暗部領域の輝度信号の平均値をＡＰＬ_ｌｏｗ、暗部領域の割合をＲ_ｌｏｗとすると、全体ゲインｍとパラメータ値ｋの関係は、式４から得ることができる。

ただし、式４中のＡＰＬは、ＥＯＴＦ変換前の映像信号Ｅ’について計算したものとなる。
式４を用いて、ａ’に含まれるｋについて展開しようとした際、ｋはｂにもｃにも含まれているため、展開式はｋの非線形方程式となり、解析的にｋの解を求めることが難しい。

そこで、式４の左辺を、式５の左辺で近似する。

なお、式４の左辺が式５の左辺で近似できる理由については、後述する。

式５に基づくと、パラメータ値ｋは式６により算出される。

信号処理装置１は、式６のｋを、式３の制御関数のパラメータ値ｋとして用い、明部領域の輝度のみを制御することにより、ディスプレイの消費電力に依存する特徴量ＡＰＬが１０％を超えないように、すなわち輝度信号全体を前述した全体ゲインｍでゲイン制御したのと同じ程度、輝度を下げることができる。具体的には、暗部領域は概ね同様の階調特性で表示し、明部領域の輝度のみを制御することで、ディスプレイの消費電力を一定値以下に抑え、映像信号の暗部領域及び明部領域の双方において階調を適切に表示することができる。
また、式３に示す、パラメータ値ｋにより係数が調整された制御関数（調整後の制御関数の導関数は連続性を保つことから、視覚的に擬似輪郭を発生させないように、表示輝度を制御することが可能となる。

〔３．３ 全体ゲインｍとパラメータ値ｋの関係の近似〕
本来であれば、全体ゲインｍとパラメータ値ｋとの関係は式４から得ることができる。
上記のように、式４を用いて、ａ’に含まれるｋについて展開しようとした際、ｋはｂにもｃにも含まれているため、展開式はｋの非線形方程式となり、解析的にｋの解を求めることが難しい。
しかしながら、式３の制御関数により算出される値と、式７（ｇ＝ｋ）の制御関数により算出される値とを比較すると、図５に示すように、ｋ＝２／３の場合もｋ＝０．４の場合も近似していることがわかる。ここで、図５は、非線形に制御した場合の映像信号と表示輝度との関係を実線で示し、線形に制御した場合の映像信号と表示輝度との関係を点線で示している。なお、図５は、式７におけるｇをｋとし、同じｋ値で表示輝度がどれだけ異なるかを示している。

図５を参照して、実線と点線とを比較すると、細部は異なるものの、点線は実線に沿う形となっており、点線によって実線を近似的に表すことができると言える。基本的に、本発明の実施形態で評価したい消費電力は全画素の平均値（ＡＰＬ）に依存する概算値でしかないため、図５の点線と実線の精度であれば十分評価できる。
してみると、式４の左辺は、式５の左辺で近似することができる。

〔３．４ 動作フロー〕
次に、信号処理装置１による信号処理方法について説明する。図６は、信号処理装置１による信号処理方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、ＥＯＴＦ変換部１１は、例えば式１を用いることにより、映像信号を出力信号にＥＯＴＦ変換する。

ステップＳ２において、パラメータ算出部１２は、ＥＯＴＦ変換部１１により変換された出力信号に基づいて、例えば式２を用いることにより、ＡＰＬを算出する。

ステップＳ３において、パラメータ算出部１２は、自身が算出したＡＰＬに基づいて、例えば式４を用いることにより、明部領域の映像信号を出力信号に変換する制御関数の係数を調整するためのパラメータ値ｋを計算する。

ステップＳ４において、信号処理部１３は、パラメータ算出部１２により計算されたパラメータ値ｋにより係数が調整された制御関数（式３）を用いて映像信号を出力信号に変換し、この輝度信号を出力することにより、輝度を制御する。

なお、上記のフローはあくまで一例であって、これには限定されない。例えば、ステップの順序を入れ替えることが可能である。

〔４ 本発明の実施形態が奏する効果〕
ハイブリッドログガンマ方式のＨＤＲ信号を高輝度表示が可能なディスプレイに表示する際、本発明の実施形態に係る信号処理装置１により、信号値を明部領域と暗部領域に分割して、明部領域のみ駆動電流を下げるようにゲイン制御することで、ディスプレイの消費電力を一定値以下に抑え、映像信号の暗部領域及び明部領域の双方において階調を適切に表示しながら、視覚的に擬似輪郭を発生させないことが可能となる。
また、表示輝度を制御することにより、暗部の階調表現を維持し、且つ、擬似輪郭を発生させることなく、駆動電力を抑制することが可能となる。

〔５ 変形例１〕
上記の実施形態では、ＡＰＬを算出する際、ＲＧＢ信号中、Ｒ信号、Ｇ信号、及びＢ信号の最大値を用いたが、これには限定されない。例えば、Ｒ信号、Ｇ信号、及びＢ信号の平均値を用いてＡＰＬを算出することが可能である。

〔６ 変形例２〕
上記の実施形態に係る信号処理装置は、ディスプレイに組み込まれ、ディスプレイと一体化されていてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 信号処理装置
１１ ＥＯＴＦ変換部
１２ パラメータ算出部
１３ 信号処理部

Claims (5)

1. ディスプレイに接続される信号処理装置であって、
   ハイブリッドログガンマ特性を有し、入力信号を第１の出力信号に変換する制御関数を含むＥＯＴＦ変換部と、
   前記第１の出力信号に基づいて、事前に設定された閾値以上又は前記閾値を超える信号レベルに対応する信号からなる明部領域と前記閾値を下回るまたは前記閾値以下の信号レベルに対応する信号からなる暗部領域のうち、前記明部領域の入力信号を変換する前記制御関数の係数を調整するためのパラメータ値を算出するパラメータ算出部と、
   前記パラメータ算出部により算出されたパラメータ値により係数を調整した前記制御関数を用いて、前記明部領域の入力信号を変換することにより、第２の出力信号を出力する信号処理部とを備える信号処理装置。
2. 前記パラメータ算出部は、
   前記第１の出力信号に基づいて、映像表示時の消費電力に依存する特徴量を算出し、前記特徴量に基づいて前記パラメータ値を計算する、請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記入力信号の５０％レベルを前記閾値とする、請求項１又は２に記載の信号処理装置。
4. 前記入力信号は映像信号であり、前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号は輝度信号である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の信号処理装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の信号処理装置を備える映像表示装置。

Images