JP5121647B2 - 画像表示装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、表示画像の視覚的なコントラストを高めると共に、消費電力を削減可能な画像表示装置に関する。

近年、液晶表示装置に代表される、光源と、光源からの光強度を変調する光変調素子とを備えた画像表示装置が、広く普及している。しかし、これらの画像表示装置では、光変調素子が理想的な変調特性を有していないために、特に黒を表示したときに、光変調素子からの光漏れに起因するコントラストの低下を招くという問題点がある。

このコントラスト低下を抑制するために、入力画像に応じて光源の輝度変調と、入力画像の各画素の階調の変換（すなわち、ガンマ変換）を合わせて行う従来技術が、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３に提案されている。

上記のいずれの従来技術も、入力画像に応じて、光源輝度と入力画像に対する階調変換を制御することにより、一定の光源輝度による画像表示装置に比べ、コントラストを増加させることが可能であり、また、入力画像に応じてバックライト輝度を低下させることができるため、消費電力を削減することが可能である。
特開平１１−１０９３１７号公報 特開２００５−３０９３３８公報 特開２００１−２７８９０公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２では、入力画像の最大値を検出し、最大値が表示可能な最小の光源輝度を決定し、併せて入力画像の各階調を決定された光源輝度に基づいて階調変換を行っている。そのため、入力画像のほとんどの画素が最小階調（０階調）付近に存在しても、ごく一部の画素の階調が最大階調（２５５階調）であった場合、光源輝度は最大値に設定され、十分なコントラスト改善効果、消費電力削減効果が得られないという問題点があった。

また、特許文献３では、入力画像の最小値、最大値に基づき階調変換を行い、入力画像の平均値と階調変換後の画像の平均値が一致するよう光源輝度を決定している。すなわち、光源輝度は入力画像の平均値により決定されている。しかし、入力画像の平均値が同じであっても、入力画像の階調分布は様々に存在し得る。その結果、入力画像の分布に対し、適切な光源輝度が設定されず、十分なコントラスト改善効果、消費電力削減効果が得られないという問題点があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、入力画像の視覚的なコントラストを高めると共に、消費電力を削減することが可能な画像表示装置及びその方法を提供する。

本発明は、光源輝度を変調可能な光源部と、複数の画素から構成され、前記画素のそれぞれが色が異なる複数のサブ画素から構成され、前記光源部からの光の透過率又は反射率を前記画素のそれぞれの前記サブ画素毎に入力画像の画像データに基づいて変調することによって、前記入力画像を表示する光変調素子部と、を有する画像表示装置であって、前記入力画像の少なくとも一部の画像領域における前記画素のそれぞれに含まれる前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値から前記画像領域の第１光源輝度を算出する第１光源輝度算出部と、前記画像領域における前記画素のそれぞれの前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値を平均して平均値を求め、前記平均値より前記画像領域の第２光源輝度を算出する第２光源輝度算出部と、（１）前記第１光源輝度と前記第２光源輝度とを比較して、低い方の輝度の重みを大きくするように設定し、（２）前記重みに基づいて、前記第１光源輝度と前記第２光源輝度の重み付き平均値を求め、（３）前記重み付き平均値を、前記画像領域の出力光源輝度とする出力光源輝度算出部と、前記出力光源輝度に応じて前記画像領域の画像データの階調変換を行う階調変換部と、前記階調変換された前記画像領域の前記画像データを前記光変調素子部に出力すると共に、前記出力光源輝度で発光するように前記光源部を制御する制御部と、を備えた画像表示装置である。

本発明によれば、画像表示装置に表示される画像の視覚的なコントラストを高めると共に、消費電力を削減することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態による画像表示装置１０について図１〜図９に基づいて説明する。

（１）画像表示装置１０の構成
図１に、本実施形態による画像表示装置１０の構成を示す。

本実施形態による画像表示装置１０は、階調変換部１２、光源輝度制御部１４、タイミング制御部１６、画像表示部１８を備えている。

光源輝度制御部１４は、第１光源輝度算出部２０、第２光源輝度算出部２２、出力光源輝度算出部２４とを備えている。

画像表示部１８は、光変調素子部としての液晶パネル２６と、液晶パネル２６の背面に設置された光源部としてのバックライト２８により構成される液晶表示部である。

入力画像の入力画像データは、階調変換部１２、光源輝度制御部１４に入力される。

光源輝度制御部１４では、第１光源輝度算出部２０により第１光源輝度が算出され、第２光源輝度算出部２２により第２光源輝度が算出され、算出された第１光源輝度と第２光源輝度が出力光源輝度算出部２４に入力され、第１光源輝度と第２光源輝度の重み付き平均により出力光源輝度が算出される。

出力光源輝度は、階調変換部１２、タイミング制御部１６に入力される。

階調変換部１２では、出力光源輝度に基づき、入力画像データの各画素の階調の変換を行い、変換画像データを出力する。

タイミング制御部１６では、階調変換部１２により変換された変換画像データと、光源輝度制御部１４で算出された出力光源輝度のタイミングを制御し、変換画像データを液晶パネル２６へ送出すると共に、出力光源輝度を光源制御信号としてバックライト２８へ送出する。

画像表示部１８では、変換画像データが液晶パネル２６へ書き込まれると共に、光源制御信号に基づいてバックライト２８が発光することにより、画像表示部１８に入力画像が表示される。

次に各部の動作の詳細を説明する。各部の機能は、コンピュータに伝達又は格納されたプログラムによっても実現可能である。

（２）光源輝度制御部１４
光源輝度制御部１４では、入力画像の入力画像データからバックライト２８に設定する出力光源輝度を算出する。

（２−１）第１光源輝度算出部２０
第１光源輝度算出部２０では、入力画像データの中の明るさデータの最大値に基づき第１光源輝度を算出する。第１光源輝度算出部２０の構成を図２に示す。第１光源輝度算出部２０は、最大値検出部２０１とガンマ変換部２０２とを備えている。

ここで「明るさデータ」とは、入力画像データの各画素の輝度、対数輝度、階調値、または、明度のデータをいう。以下では、明るさデータを階調値として説明する。

まず、最大値検出部２０１では、入力画像データから、各画素の赤、緑、青のサブ画素の階調値の最大値を算出する。

次に、各サブ画素の階調値の最大値から、入力画像データの最大階調値を算出する。

そして、得られた最大階調値を、ガンマ変換部２０２でガンマ変換を行い最大輝度である第１光源輝度Ｉ_１に変換する。最大階調値をＬ_ｍａｘとすると、最大輝度である第１光源輝度Ｉ_１は式（１）により算出される。

ここで、γはガンマ値であり、一般に２．２が用いられる。第１光源輝度Ｉ_１は、一つの入力画像データに一つが決まる。

なお、第１光源輝度Ｉ_１は、式（１）による演算で求めることもできるが、図３に示すような構成とすることもできる。すなわち、予め、最大階調値Ｌ_ｍａｘと第１光源輝度Ｉ_１の関係を求めておき、その関係をＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成されたＬＵＴ（ルックアップテーブル）２０３に保持しておく。そして、最大階調値Ｌ_ｍａｘを求めた後、最大階調値Ｌ_ｍａｘの値でＬＵＴ２０３を参照することで、第１光源輝度Ｉ_１を求める構成としても良い。

（２−２）第２光源輝度算出部２２
第２光源輝度算出部２２では、入力画像データの中の明るさデータに関する平均値に基づき第２光源輝度を算出する。

第２光源輝度算出部２２の構成を図４に示す。第２光源輝度算出部２２は、ＲＧＢ最大値検出部２２１と明度変換部２２２と平均値算出部２２３と光源輝度算出部２２４とを備えている。

（２−２−１）ＲＧＢ最大値検出部２２１
まず、ＲＧＢ最大値検出部２２１で、入力画像データから、各画素の赤、緑、青のサブ画素の階調値の最大値を算出する。

なお、本実施形態では、第１光源輝度算出部２０、第２光源輝度算出部２２の各々で、赤、緑、青のサブ画素の階調値の最大値を算出しているが、図５に示すように、各画素の赤、緑、青のサブ画素の階調値の最大値を検出するＲＧＢ最大値検出部３０を別途設け、各サブ画素の階調値の最大値を第１光源輝度算出部２０、第２光源輝度算出部２２に入力する構成とすることも可能である。

（２−２−２）明度変換部２２２
次に、各サブ画素の階調値の最大値から、入力画像の平均値を算出する。

平均値の算出方法としては、階調値から平均値を求める方法や、階調値を輝度に変換して輝度から平均値を求める方法等、いくつかの構成が考えられる。

しかし、本実施形態では、入力画像データの階調値を明度変換部２２２で、明度ｖ_Ｌ＊に変換し、明度ｖ_Ｌ＊の平均値を算出する。

明度ｖ_Ｌ＊の算出方法は、例えば以下の式（２）のような演算を行えばよい。

ここで、ｌ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）は、入力画像の位置（ｘ，ｙ）のサブ画素の階調値の最大値、γはガンマ値、ｖ_Ｌ＊（ｘ，ｙ）は、入力画像の位置（ｘ，ｙ）の明度を表している。なお、ｌ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）は８ビットの階調値、ｖ_Ｌ＊（ｘ，ｙ）は０〜１の明度である。

厳密には、明度はＣＩＥ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）で規格化されており、暗い領域で非線形に変化するものであるが、式（２）では、１／３乗に比例する簡易的なものとしている。

また、この変更例としては、輝度で平均値を算出することができる。この場合は、輝度ｖ_Ｌを以下の式（３）のような演算により算出すればよい。

ここで、ｖ_Ｌ（ｘ，ｙ）は、入力画像の位置（ｘ，ｙ）の輝度を表している。

また、他の変更例としては、式（２）の代わりに、図６に示すような構成とすることもできる。予め、最大階調値ｌ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）と明度ｖ_Ｌ＊（ｘ，ｙ）の関係を求めておき、その関係をＬＵＴ２２５に保持しておく。そして、最大階調値ｌ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）の値でＬＵＴ２２５を参照することで、明度ｖ_Ｌ＊（ｘ，ｙ）を求める構成としても良い。

（２−２−３）平均値算出部２２３
次に、入力画像データの各画素の明度が算出された後、平均値算出部２２３で、以下の式（４）のように明度の平均値Ｖ_Ｌ＊を算出する。

ここで、Ｖ_Ｌ＊は明度の平均値、Ｘ、Ｙは、それぞれ、入力画像の水平画素数、垂直画素数を示している。

なお、上記の変更例２の輝度で平均値を求める場合は、明度ｖ_Ｌ＊（ｘ，ｙ）、明度の平均値Ｖ_Ｌ＊を、それぞれ、輝度ｖ_Ｌ（ｘ，ｙ）、輝度の平均値Ｖ_Ｌとすればよい。

（２−２−４）光源輝度算出部２２４
次に、算出された平均値に基づき光源輝度算出部２２４で、第２光源輝度Ｉ_２を算出する。

具体的には、算出された平均値を、画像表示部１８に表示可能な最小値と最大値の間の中央値に略一致するよう第２光源輝度を算出する。すなわち、上述のように明度の平均値を算出した場合は、明度の平均値が、画像表示部１８によって表示可能な明度の最小値と最大値との間の中央値と対応するように、第２光源輝度を算出する。

例えば、明度で平均値Ｖ_Ｌ＊を算出した場合について、第２光源輝度の算出の流れを以下に説明する。まず光源輝度が最大（＝１）の場合について、画像表示部１８で表示可能な明度の最小値Ｄ_ｍｉｎ、最大値Ｄ_ｍａｘ、及び、中央値Ｄ_ｍｅｄを式（５）によって算出する。なお、光源輝度は相対的な値で表示しており、最大のときが１、最小のときが０となる。

画像表示部１８で表示可能な明度の（２５５階調）Ｄ_ｍａｘ、及び、中央値Ｄ_ｍｅｄを式（５）によって算出する。

但し、ＣＲは液晶パネル２６のコントラストを示している。

そして、明度の平均値Ｖ_Ｌ＊が画像表示部１８で表示可能な明度の中央値になるような第２光源輝度Ｉ_２を式（６）によって算出する。

なお、上記説明では中央値として、最小値と最大値との和の１／２（＝０．５）の値としたが、中央値は、厳密に０．５の値でなくても、最小値と最大値との和の０．４〜０．６の間であればよい。

（２−２−５）光源輝度算出部２２４の変更例１
明るさデータとして、輝度の平均値Ｖ_Ｌを算出した場合は、第２光源輝度Ｉ_２、画像表示部１８で表示可能な輝度の最小値Ｄ_ｍｉｎ、最大値Ｄ_ｍａｘ、及び、中央値Ｄ_ｍｅｄを以下の式（７）で算出する。

（２−２−６）光源輝度算出部２２４の変更例２
人間の明るさに対する感覚は、輝度の対数に比例することが知られている。

そのため、明るさデータとして、輝度で算出された平均値を対数変換し、対数空間上で入力画像データの対数輝度の平均値が、画像表示部１８で表示可能な対数輝度の中央値になるよう第２光源輝度を算出する構成としても良い。この場合、第２光源輝度Ｉ_２、画像表示部１８で表示可能な相対輝度の最小値Ｄ_ｍｉｎ、最大値Ｄ_ｍａｘ、及び、中央値Ｄ_ｍｅｄを以下の式（８）で算出する。

（２−２−７）光源輝度算出部２２４の変更例３
第２光源輝度Ｉ_２を、図７に示すように、ＬＵＴ２２６を参照して求めることもできる。

すなわち、予め平均値Ｖ_Ｌ＊と第２光源輝度Ｉ_２の関係を求めておき、ＬＵＴ２２６に保持しておく。そして、平均値Ｖ_Ｌ＊を求めた後、Ｖ_Ｌ＊でＬＵＴ２２６を参照することで、第２光源輝度Ｉ_２を求める構成としてもよい。

（３）出力光源輝度算出部２４
出力光源輝度算出部２４では、上記により算出された第１光源輝度Ｉ_１、第２光源輝度Ｉ_２より出力光源輝度Ｉを算出する。

出力光源輝度Ｉは、第１光源輝度Ｉ_１と第２光源輝度Ｉ_２の重み付き平均により以下の式（９）のように算出される。

ここで、λは０から１の重みである。λの決定方法は、様々に考えられるが、本実施形態では、第１光源輝度Ｉ_１と第２光源輝度Ｉ_２を比較し、小さい方が出力光源輝度に設定されるようなλとした。すなわち、λは以下の式（１０）のように求められる。

以上、求められた出力光源輝度Ｉは、階調変換部１２、タイミング制御部１６へ入力される。

（４）階調変換部１２
階調変換部１２では、出力光源輝度Ｉに基づき、入力画像データの各画素の階調値を変換して変換画像データを求める。

光源輝度制御部１４により算出された出力光源輝度Ｉは、輝度が低下しているため、所望の明るさを得るためには、液晶パネル２６の透過率、すなわち、階調値を変換する必要がある。入力画像の位置（ｘ，ｙ）の赤、緑、青のサブ画素の階調値を、それぞれ、Ｌ_Ｒ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｇ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｂ（ｘ，ｙ）とすると、階調変換後の赤、緑、青のサブ画素の階調値は、以下の式（１１）のように算出される。

ここで、Ｌ_Ｒ’（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｇ’（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｂ’（ｘ，ｙ）は、階調変換後の階調値である。

以上の処理を入力画像データの全ての階調値に行うことで、変換画像データを生成し、変換画像データはタイミング制御部１６に入力される。

（４−１）変更例１
なお、階調変換後の階調値は、式（１１）により演算により求める以外にも、例えば、予め階調値Ｌ、出力光源輝度Ｉと変換後の階調値Ｌ’の関係を求めておき、ＬＵＴに保持しておく。

そして、入力画像データの階調値Ｌ（ｘ，ｙ）と出力光源輝度ＩによりＬＵＴを参照することで、変換後の階調値Ｌ’（ｘ，ｙ）を求める構成とすることもできる。

（４−２）変更例２
また、式（１１）では、階調値Ｌと出力光源輝度Ｉの値により、変換後の階調値Ｌ’が液晶パネル２６の最大階調値である２５５を超える場合が発生する。

そのような場合は、例えば、変換後の階調値を２５５で飽和処理する構成としても良いが、飽和処理された階調値に、階調つぶれが発生してしまう。

そこで、その他の構成例としては、ＬＵＴに保持する変化後の階調値を、飽和する階調値近傍ではなだらかに変化するよう補正すればよい。

（４−３）変更例３
なお、出力光源輝度Ｉは、光源輝度制御部１４で１フレームの入力画像データの全ての階調値を用いて算出されている。

そのため、階調変換部１２に入力画像が入力されるタイミングでは、その入力画像データに対応する出力光源輝度は算出されていない。そのため、階調変換部１２はフレームメモリを備え、一旦、入力画像データをフレームメモリに保持し、１フレーム期間遅延させた後に、出力光源輝度に基づき変換画像データを生成する。

しかし、一般に、入力画像データは時間的にある程度連続したものであるため、例えば、現在の入力画像データを、１フレーム前の入力画像データにより求められた出力光源輝度に基づき変換画像データを生成する構成としても良い。

この場合、階調変換部１２で入力画像データを１フレーム期間遅延させる必要が無くなるため、フレームメモリを搭載する必要が無くなり、回路規模を削減することが可能となる。

（５）タイミング制御部１６
タイミング制御部１６では、変換画像データの液晶パネル２６への書き込みタイミングと、出力光源輝度をバックライト２８に適用するタイミングの制御を行う。

入力された変換画像データは、タイミング制御部１６で生成された液晶パネル２６を駆動するために必要となるいくつかの同期信号（水平同期信号、垂直同期信号等）と共に、液晶パネル２６へ送出される。

同時に出力光源輝度に基づくバックライト２８を所望の輝度で点灯させるための光源制御信号を生成し、バックライト２８へ送出する。

ここで、光源制御信号は、バックライト２８に設置されている光源の種類により異なる構成となるが、一般に液晶表示装置のバックライト２８の光源としては冷陰極管や発光ダイオード（ＬＥＤ）等が用いられている。これらは、印加する電圧や電流を制御することにより、その輝度を変調することが可能である。

但し、一般的には、発光と非発光の期間を高速に切り替えることにより輝度を変調するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御が用いられる。本実施形態では、比較的発光強度の制御が容易であるＬＥＤ光源をバックライト２８の光源として用い、ＬＥＤ光源をＰＷＭ制御により輝度変調する構成とした。したがって、タイミング制御部１６からは、出力光源輝度に基づいてＰＷＭ制御信号を生成し、光源制御信号としてバックライト２８へ送出する。

（６）画像表示部１８
上述したように、画像表示部１８は、光変調素子部としての液晶パネル２６と、光源の輝度を変調可能な、液晶パネル２６の背面に設置されたバックライト２８により構成される。

画像表示部１８では、タイミング制御部１６より出力された変換画像データを液晶パネル２６（光変調素子）に書き込み、同じくタイミング制御部１６より出力された光源制御信号に基づいてバックライト２８を点灯させることで、入力画像の表示を行う。

なお、上述の通り、本実施形態では、バックライト２８の光源としてＬＥＤ光源を用いている。

（７）効果
以下に、本実施形態による効果を説明する。

（７−１）第１説明
まず、ある入力画像データのヒストグラムが図８のような場合について説明する。図８は、横軸が対数輝度、縦軸が対数頻度（画素数の対数値）を示しており、平均値を輝度で算出し、対数輝度で画像表示部１８の表示可能な最小値と最大値間の中央値に平均値が設定されるようバックライト２８の輝度を設定した場合について示している。

図８に示すように、入力画像データの階調値の分散が小さい場合、輝度の最大値と平均値は近い値となる。輝度の最大値に基づく第１光源輝度は、入力画像データの最大値が表示可能なところまで、バックライト２８の輝度を低下させるため、入力画像の最大値が第１光源輝度となる。バックライト２８の輝度が第１光源輝度で設定された場合の画像表示部１８で表示可能な範囲は、図８に示される範囲となる。

一方、第２光源輝度は、入力画像データの輝度の平均値が、画像表示部１８で表示可能な範囲の中央になるようバックライト２８の輝度が算出される。その結果、第２光源輝度は、図８に示すように第１光源輝度より高い値となる。このとき、第２光源輝度で画像表示部１８に表示可能な最大値は、入力画像データの輝度の最大値に比べ高い値となっており、第１光源輝度で画像表示部１８に画像を表示する場合に比べ、第２光源輝度で画像表示部１８に画像を表示した場合の方が、消費電力が増加してしまう。

図８の場合は、第１光源輝度で入力画像データ中に含まれる階調値は正しく表示可能であり、本実施形態に示すように、第１光源輝度が第２光源輝度に比べ小さい値では第１光源輝度を出力光源輝度と設定することで、より消費電力を低減させることが可能となる。

（７−２）第２説明
次に、ある入力画像データが図９に示すようなヒストグラムの場合について説明する。

図９で示す入力画像データは、入力画像データ中の階調値の分散が比較的大きく、そのため、輝度の平均値と最大値が離れた値となる。輝度の最大値に基づく第１光源輝度では、図９に示すような画像表示部１８で表示可能な範囲となり、入力画像データに多く含まれる階調値が画像表示部１８で表示可能な範囲外となってしまう。

一方、平均値に基づき算出した第２光源輝度では、第２光源輝度での画像表示部１８の表示可能な範囲が、入力画像データの頻度の高い階調値近傍に設定され、図９での頻度の高い階調値が画像表示部１８での表示可能範囲内となる。最大値近傍の入力画像の階調値は、第２光源輝度での画像表示部１８で表示可能な範囲外となるが、第１光源輝度で表示可能な範囲外の頻度に比べ少なく、画質への影響は小さい。

よって、本実施形態に示すように第２光源輝度が第１光源輝度に比べ小さい場合は、第２光源輝度を出力光源輝度に設定することで、画質への影響が小さく、また消費電力削減効果の高い光源輝度が設定される。

以上、説明したように、本実施形態によれば、様々な入力画像においても、視覚的なコントラストが優れ、かつ消費電力の低減した画像表示装置１０を提供することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態による画像表示装置１０について図１０〜図１１に基づいて説明する。

本実施形態による画像表示装置１０の基本的な構成は、第１の実施形態と同様であるが、本実施形態では、第１光源輝度と第２光源輝度から出力光源輝度を算出する重みの設定方法が異なっている。

以下に、第１の実施形態とは異なっている重みの設定方法について詳細に説明する。なお、その他の構成については、第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。

（１）出力光源輝度算出部２４
出力光源輝度算出部２４では、第１光源輝度と第２光源輝度の重み付き平均により出力光源輝度を算出する。

第１の実施形態では、第１光源輝度と第２光源輝度を比較し、小さい方の光源輝度が出力光源輝度として算出されるよう重みを設定していた。

それに対し、本実施形態では、第１光源輝度と第２光源輝度の差分値に応じて重みを設定する。すなわち、第１光源輝度と第２光源輝度の差分値をΔＩとすると、出力光源輝度Ｉは以下の式（１２）のように算出される。

ここで、λ（ΔＩ）は、ΔＩにより決定される重みを表している。

重み関数λ（ΔＩ）の設定方法は様々に考えられるが、本実施形態では、図１０に示すような重みとした。

図１０は横軸が第１光源輝度と第２光源輝度の差分値ΔＩ、縦軸が重みλである。ΔＩが０未満は、すなわち第１光源輝度が第２光源輝度に比べ小さいことを示しており、ΔＩが０より大きい場合は、第２光源輝度が第１光源輝度に比べ小さいことを示している。第１の実施形態では、Ｔ_１が０、Ｔ_２が１、ａが１、ｃが０の場合に相当する。図１０は、数式で表現すると、式（１３）のように表される。

例えば、Ｔ１としては、０．２であり、Ｔ２としては、０．８であり、ａは、１．０であり、ｂは、０．８であり、ｃは、０．１である。

（２）効果
以下に、本実施形態のように重みを設定する効果を説明する。

図１０に示す重み関数は、基本的には第１の実施形態と同様に、第１光源輝度が小さい場合は、第１光源輝度に重みをおき、第２光源輝度が小さい場合は、第２光源輝度に重みをおく構成である。

しかし、第１光源輝度と第２光源輝度の差分値が大きい（本実施形態では差分値がＴ_２以上）場合に、第１光源輝度への重みを大きくしている。これは以下の理由に基づいている。

ある入力画像データのヒストグラムが図１１のような場合について説明する。図１１のようなヒストグラムは、暗い背景上に明るい点があるような、例えば花火や星空といった入力画像において得られる。図１１のようなヒストグラムを有する入力画像データの場合、入力画像データの階調値の最大値に基づく第１光源輝度は、頻度の低い明るい階調値のため、図１１に示すように非常に高いバックライト輝度が設定される。

一方、入力画像データの明度の平均値に基づく第２光源輝度は、頻度の高い暗い階調値により、低いバックライト輝度が設定される。第１光源輝度による画像表示部１８の表示可能範囲では、頻度の低い明るい入力画像データの階調値は表示可能範囲内であるが、頻度の高い暗い入力画像データの階調値は表示可能範囲外に設定されてしまう。

一方、第２光源輝度による画像表示部１８の表示可能範囲では、頻度の高い暗い入力画像データの階調値は表示可能範囲内であるが、頻度の低い明るい入力画像データの階調値は、大幅に暗く表示されてしまう。すなわち、入力画像データの階調値の最大値と平均値が大きく離れている、そして、第１光源輝度と第２光源輝度の差分値が大きい場合は、第１光源輝度、第２光源輝度のいずれも適切な光源輝度とはならない。

よって、第１光源輝度に比べ第２光源輝度が小さい場合は、基本的には第１の実施形態で示したように、第２光源輝度を出力光源輝度として設定するが、第１光源輝度と第２光源輝度の差分値が非常に大きくなった場合は、図１０に示すように第１光源輝度の重みを大きくすることで、第１光源輝度と第２光源輝度の間に出力光源輝度が設定され、画質、消費電力の両面でバランスの取れた出力光源輝度を得ることができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、様々な入力画像においても、視覚的なコントラストが優れ、かつ消費電力の低減した画像表示装置１０を提供することができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態による画像表示装置１０について図１２〜図１６に基づいて説明する。

本実施形態の第３の実施形態による画像表示装置１０の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態では、バックライト３２に複数の光源３４が設置され、光源３４毎に光源輝度が制御可能な構成となっている。

（１）画像表示装置１０の構成
本実施形態による画像表示装置１０の構成を図１２に示す。

本実施形態による画像表示装置１０は、階調変換部１２、光源輝度制御部１４、光源輝度算出部、タイミング制御部１６、画像表示部１８を備えている。

画像表示部１８は、光変調素子部としての液晶パネル２６と、液晶パネル２６の背面に設置された複数の光源３４を備えた光源部としてのバックライト３２により構成される液晶表示部である。

入力画像は、階調変換部１２、光源輝度制御部１４に入力される。

光源輝度制御部１４では、バックライト３２の各光源３４と対応する入力画像の分割領域３８毎に、第１の実施形態と同様に、第１光源輝度算出部２０により第１光源輝度が算出され、第２光源輝度算出部２２により第２光源輝度が算出される。

そして、算出された第１光源輝度と第２光源輝度が出力光源輝度算出部２４に入力され、第１光源輝度と第２光源輝度の重み付き平均により、各光源の出力光源輝度が算出される。

各光源の出力光源輝度は、光源輝度分布算出部３６、タイミング制御部１６に入力される。

光源輝度分布算出部３６では、バックライト３２の光源３４の１つが単独で発光した場合の発光輝度分布形状に基づき、複数の光源が出力光源輝度で発光した場合のバックライト輝度分布を算出する。算出された光源輝度分布は、階調変換部１２に入力される。

階調変換部１２では、光源輝度分布に基づき、入力画像データの各画素の階調の変換を行い、変換画像データを出力する。

タイミング制御部１６では、階調変換部１２により変換された変換画像データと、光源輝度制御部１４で算出された出力光源輝度のタイミングを制御し、変換画像データを液晶パネル２６へ送出すると共に、出力光源輝度を光源制御信号としてバックライト３２へ送出する。

画像表示部１８では、変換画像データが液晶パネル２６へ書き込まれると共に、バックライト３２の複数の各光源３４が、光源制御信号に基づいて発光することにより、画像表示部１８に入力画像が表示される。

以下に、各部の動作を詳細に説明する。

（２）光源輝度制御部１４
光源輝度制御部１４では、バックライト３２の複数の各光源３４の出力光源輝度を算出する。

第１の実施形態では、入力画像全体から、最大値、平均値を求め、第１光源輝度、第２光源輝度を算出し、第１光源輝度と第２光源輝度の重み付き平均により、出力光源輝度を算出した。

しかし、本実施形態では、バックライト３２の複数の光源３４毎に割り当てられた入力画像の領域毎に第１光源輝度、第２光源輝度を算出し、それらの重み付き平均により出力光源輝度を算出する。

例えば、図１３に示すような光源が水平方向に５つ、垂直方向に４つ設置されたバックライト３２において、入力画像を各光源３４に対応するよう５ｘ４の領域に分割し、分割領域３８毎に、それら分割画像データの最大値、平均値を算出する。

そして、分割領域３８毎の分割画像データに基づいて算出された最大値、平均値に基づき、第１光源輝度、第２光源輝度を求め、それらの重み付き平均により、各分割領域３８に対応する各光源３４の出力光源輝度を算出する。

なお、本実施形態では、１つの分割領域３８毎に１つの光源３４が対応する構成としているが、例えば、１つの分割領域３８に複数の光源３４が対応する構成としてもよい。

また、入力画像の各分割領域３８を図１３に示すように光源数で均等に分割する以外にも、各分割領域３８の一部が重なるように入力画像に分割領域３８を設定し、こらら分割画像データの最大値、平均値を算出する構成とすることもできる。算出された各光源３４の出力光源輝度は、光源輝度分布算出部３６、及び、タイミング制御部１６に入力される。

（３）光源輝度分布算出部３６
光源輝度分布算出部３６では、各光源３４の出力光源輝度に基づいて、実際のバックライト３２の輝度分布を算出する。

図１４に、バックライト３２の複数の光源３４の１つが発光した場合の輝度分布を示す。図１４は、説明を簡単にするために、１次元で輝度分布を表現しており、横軸が位置、縦軸が輝度を示している。図１４は、図の下部に示す位置に光源３４が設置されており、中央の１つの光源３４のみが点灯した場合の輝度分布を示している。

図１４から分かるように、ある光源３４が発光した場合の輝度分布は近傍の光源３４位置まで広がりを持つ。そのため、階調変換部１２でのバックライト輝度に基づく階調変換を行うために、バックライト３２の複数の光源３４毎の出力光源輝度に基づく図１４に示す発光輝度分布を足し合わせることで、実際のバックライト３２の輝度分布を算出する。

図１５に、バックライト３２の複数の光源３４が点灯した場合の、バックライト輝度分布の様子を模式的に示す。なお、図１５は、説明を簡単にするために１次元で表現している。図１５の下部に示された位置の光源３４が点灯することにより、各光源３４は図１５に示すような発光輝度分布をもつ。

そして、これらの発光輝度分布を足し合わせることにより、図１５の実線で示すようなバックライト輝度分布が算出される。

（４）光源輝度分布算出部３６の変更例
図１４に示すような光源３４の発光輝度分布は、実測した値を光源３４からの距離に関する近似関数を求め、光源輝度分布算出部３６に保持する構成としても良いが、本実施形態では、図１４に示すような光源３４の発光輝度分布を、光源３４からの距離と輝度との関係を求め、ＬＵＴとしてＲＯＭに保持する構成とした。

図１６に、本実施形態の光源輝度分布算出部３６の構成を示す。複数の光源３４毎に算出された出力光源輝度は、光源輝度分布取得部３６１に入力される。

光源輝度分布取得部３６１では、ＬＵＴ３６２より各光源３４の輝度分布を取得し、出力光源輝度を掛け合わせることで、図１５の破線で示すような光源３４毎のバックライト輝度分布を求める。

次に、輝度分布合成部３６３で、各光源３４のバックライト輝度分布を足し合わせることで、図１５の実線で示すようなバックライト輝度分布が算出され、光源輝度分布として階調変換部１２へ入力される。

（５）階調変換部１２
階調変換部１２では、光源輝度分布に基づき、入力画像データの各画素の階調値を変換する。

階調変換部１２の基本的な構成は、第１の実施形態と同様であるが、光源輝度が入力画像の位置毎に異なっている。そのため、式（１１）は、以下の式（１４）のように書き換えられる。

ここで、Ｉ（ｘ，ｙ）は、入力画像の位置（ｘ，ｙ）におけるバックライト３２の輝度である。

なお、階調変換後の階調値は、式（１４）により演算により求めても良いが、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、階調値Ｌ、光源輝度分布Ｉ（ｘ，ｙ）と変換後の階調値Ｌ’の関係を保持したＬＵＴを用意し、入力画像データの階調値Ｌ（ｘ，ｙ）と光源輝度分布Ｉ（ｘ，ｙ）によりＬＵＴを参照することで、変換後の階調値Ｌ’（ｘ，ｙ）を求めてもよい。

（６）タイミング制御部１６
タイミング制御部１６では、変換画像データの液晶パネル２６への書き込みタイミングと、複数の光源３４毎の出力光源輝度をバックライト３２に適用するタイミングの制御を行う。

入力された変換画像データは、タイミング制御部１６で生成された液晶パネル２６を駆動するために必要となるいくつかの同期信号（水平同期信号、垂直同期信号等）と共に、液晶パネル２６へ送出される。同時に出力光源輝度に基づくバックライト３２の複数の各光源３４を所望の輝度で点灯させるための光源制御信号を生成し、バックライト３２へ送出する。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に、ＬＥＤ光源をバックライト３２の光源３４として用い、ＬＥＤ光源をＰＷＭ制御により輝度変調する構成とした。よって、タイミング制御部１６からは、出力光源輝度に基づいて複数の光源３４毎にＰＷＭ制御信号を生成し、光源制御信号としてバックライト３２へ送出する。

（７）画像表示部１８
上述したように、画像表示部１８は、光変調素子部としての液晶パネル２６と、光源３４の輝度を変調可能な、液晶パネル２６の背面に設置されたバックライト３２により構成される。画像表示部１８では、タイミング制御部１６より出力された変換画像データを液晶パネル２６（光変調素子）に書き込み、同じくタイミング制御部１６より出力された複数の光源３４毎の光源制御信号に基づいてバックライト３２を点灯させることで、入力画像の表示を行う。

なお、上述の通り、本実施形態では、バックライト３２の光源３４としてＬＥＤ光源３４を用いている。

（８）効果
以上、説明したように、本実施形態によれば、様々な入力画像においても、視覚的なコントラストが優れ、かつ消費電力の低減した画像表示装置１０を提供することができる。

（変更例）
本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。

（１）変更例１
以上、画像表示部１８の構成として液晶パネル２６とバックライト３２とを組み合わせた透過型液晶表示装置における実施形態について説明してきたが、本発明は、透過型液晶表示装置以外にも様々な画像表示部１８の構成に適応可能である。

例えば、光変調素子としての液晶パネル２６と、ハロゲン光源等の光源を組み合わせた投射型の画像表示部１８にも適用可能である。

また、光源部としてのハロゲン光源と、ハロゲン光源からの光の反射を制御することにより画像の表示を行うデジタルマイクロミラーデバイスを光変調素子として利用する投射型の画像表示部１８でも良い。

（２）変更例２
上記実施形態では、各画素のサブ画素の色は赤色、緑色、青色であったが、これ以外の色の組合せ、例えば、赤色、緑色、青色、白色の組合せでもよい。

本発明の第１の実施形態の画像表示装置のブロック図である。 第１光源輝度算出部のブロック図である。 第１光源輝度算出部の変更例のブロック図である。 第２光源輝度算出部のブロック図である。 第１の実施形態の画像表示装置の変更例のブロック図である。 第２光源輝度算出部の第１変更例のブロック図である。 第２光源輝度算出部の第１変更例のブロック図である。 第１光源輝度と第２光源輝度の関係を示す第１グラフである。 第１光源輝度と第２光源輝度の関係を示す第２グラフである。 第２の実施形態における横軸が第１光源輝度と第２光源輝度の差分値ΔＩ、縦軸が重みλのグラフである。 第２の実施形態における第１光源輝度と第２光源輝度の関係を示すグラフである。 第３の実施形態の画像表示装置のブロック図である。 第３の実施形態におけるバックライトの説明図である。 第３の実施形態における光源と輝度との関係を示す第１グラフである。 第３の実施形態における光源と輝度との関係を示す第２グラフである。 第３の実施形態における光源輝度分布算出部の変更例のブロック図である。

符号の説明

１０ 画像表示装置
１２ 階調変換部
１４ 光源輝度制御部
１６ タイミング制御部
１８ 画像表示部
２０ 第１光源輝度算出部
２２ 第２光源輝度算出部
２４ 出力光源輝度算出部

Claims (10)

1. 光源輝度を変調可能な光源部と、
   複数の画素から構成され、前記画素のそれぞれが色が異なる複数のサブ画素から構成され、前記光源部からの光の透過率又は反射率を前記画素のそれぞれの前記サブ画素毎に入力画像の画像データに基づいて変調することによって、前記入力画像を表示する光変調素子部と、を有する画像表示装置であって、
   前記入力画像の少なくとも一部の画像領域における前記画素のそれぞれに含まれる前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値から前記画像領域の第１光源輝度を算出する第１光源輝度算出部と、
   前記画像領域における前記画素のそれぞれの前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値を平均して平均値を求め、前記平均値より前記画像領域の第２光源輝度を算出する第２光源輝度算出部と、
   （１）前記第１光源輝度と前記第２光源輝度とを比較して、低い方の輝度の重みを大きくするように設定し、（２）前記重みに基づいて、前記第１光源輝度と前記第２光源輝度の重み付き平均値を求め、（３）前記重み付き平均値を、前記画像領域の出力光源輝度とする出力光源輝度算出部と、
   前記出力光源輝度に応じて前記画像領域の画像データの階調変換を行う階調変換部と、
   前記階調変換された前記画像領域の前記画像データを前記光変調素子部に出力すると共に、前記出力光源輝度で発光するように前記光源部を制御する制御部と、
   を備えた画像表示装置。
2. 前記第１光源輝度算出部は、
   前記画像領域の前記各画素の前記サブ画素のそれぞれの明るさデータの最大値を算出し、
   前記サブ画素の前記明るさデータの最大値の中から、前記画像領域中の前記明るさデータの最大値を算出し、
   前記画像領域の前記明るさデータの最大値から輝度の最大値を求め、
   前記輝度の最大値を前記画像領域の前記第１光源輝度とする、
   請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記第２光源輝度算出部は、
   前記画像領域の前記各画素の前記サブ画素のそれぞれの明るさデータの最大値を算出し、
   前記サブ画素の前記明るさデータの最大値を前記画素領域で平均して、前記画像領域中の前記明るさデータの平均値を算出し、
   前記明るさデータの前記平均値が、前記画像表示装置によって表示可能な前記明るさデータの最小値と最大値との中央値と対応するように、前記第２光源輝度を算出する、
   請求項１記載の画像表示装置。
4. 前記出力光源輝度算出部において、
   前記重みを前記第１光源輝度と前記第２光源輝度の差分値から設定する、
   請求項１記載の画像表示装置。
5. 前記出力光源輝度算出部において、
   前記第１光源輝度と前記第２光源輝度を比較し、前記第１光源輝度が小さい場合は、前記第１光源輝度が前記出力光源輝度に設定され、前記第２光源輝度が小さい場合は、前記第２光源輝度が前記出力光源輝度に設定されるように前記重みを設定する、
   請求項１記載の画像表示装置。
6. 前記出力光源輝度算出部は、
   前記第１光源輝度から前記第２光源輝度を減算した差分値を求め、
   前記差分値が、第１閾値より小さい場合及び前記第１閾値より大きい第２閾値より大きい場合には、前記第１光源輝度への前記重みに関して、前記第１閾値と前記第２閾値間での前記第１光源輝度への前記重みより大きく設定する、
   請求項１記載の画像表示装置。
7. 前記画像領域が、前記入力画像全体の画像領域である、
   請求項１記載の画像表示装置。
8. 前記画像領域が、前記入力画像を分割した分割領域であり、
   前記光源部は、複数の光源を有し、前記分割領域毎に前記光変調素子を照射する、
   請求項１記載の画像表示装置。
9. 光源輝度を変調可能な光源部と、
   複数の画素から構成され、前記画素のそれぞれが色が異なる複数のサブ画素から構成され、前記光源部からの光の透過率又は反射率を前記画素のそれぞれの前記サブ画素毎に入力画像の画像データに基づいて変調することによって、前記入力画像を表示する光変調素子部と、
   を有する画像表示装置の画像表示方法であって、
   前記入力画像の少なくとも一部の画像領域における前記画素のそれぞれに含まれる前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値から前記画像領域の第１光源輝度を算出する第１光源輝度算出ステップと、
   前記画像領域における前記画素のそれぞれの前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値を平均して平均値を求め、前記平均値より前記画像領域の第２光源輝度を算出する第２光源輝度算出ステップと、
   （１）前記第１光源輝度と前記第２光源輝度とを比較して、低い方の輝度の重みを大きくするように設定し、（２）前記重みに基づいて、前記第１光源輝度と前記第２光源輝度の重み付き平均値を求め、（３）前記重み付き平均値を、前記画像領域の出力光源輝度とする出力光源輝度算出ステップと、
   前記出力光源輝度に応じて前記画像領域の画像データの階調変換を行う階調変換ステップと、
   前記階調変換された前記画像領域の前記画像データを前記光変調素子部に出力すると共に、前記出力光源輝度で発光するように前記光源部を制御する制御ステップと、
   を備えた画像表示方法。
10. 光源輝度を変調可能な光源部と、
    複数の画素から構成され、前記画素のそれぞれが色が異なる複数のサブ画素から構成され、前記光源部からの光の透過率又は反射率を前記画素のそれぞれの前記サブ画素毎に入力画像の画像データに基づいて変調することによって、前記入力画像を表示する光変調素子部と、
    を有する画像表示装置における画像表示プログラムであって、
    前記入力画像の少なくとも一部の画像領域における前記画素のそれぞれに含まれる前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値から前記画像領域の第１光源輝度を算出する第１光源輝度算出機能と、
    前記画像領域における前記画素のそれぞれの前記サブ画素の明るさデータの最大値を求め、前記明るさデータの最大値を平均して平均値を求め、前記平均値より前記画像領域の第２光源輝度を算出する第２光源輝度算出機能と、
    （１）前記第１光源輝度と前記第２光源輝度とを比較して、低い方の輝度の重みを大きくするように設定し、（２）前記重みに基づいて、前記第１光源輝度と前記第２光源輝度の重み付き平均値を求め、（３）前記重み付き平均値を、前記画像領域の出力光源輝度とする出力光源輝度算出機能と、
    前記出力光源輝度に応じて前記画像領域の画像データの階調変換を行う階調変換機能と、
    前記階調変換された前記画像領域の前記画像データを前記光変調素子部に出力すると共に、前記出力光源輝度で発光するように前記光源部を制御する制御機能と、
    をコンピュータに実現させるための画像表示プログラム。

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