JP7162271B2 - 映像表示装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、より高品質で見易い映像表示を可能とする映像表示装置及び方法に関する。
例えば自然の中の木漏れ日は、木の葉が風に揺れて太陽の光の遮り方を変化させる自然現象の性質上、その光強度は時間の流れとともに滑らかに変化する。
しかし、その風景を従来のCMOSイメージセンサやCCDイメージセンサでデジタル撮像した場合、その映像信号は、サンプリング処理に伴い光強度が量子化され、同一画素の光強度がフレーム期間ごとにステップ状に変化したものとなる。
そして、このような映像信号をLCD、OLED等現在の一般的なデジタル方式の映像表示装置で映像表示した場合、光強度の変化はヒトの眼の時間的積分効果によってある程度は平滑化されるものの、動きがぎくしゃくして見えるジャーキネス等による映像品質劣化を生じやすい。また、視細胞のレベルでは、“J. Frisby and J. Stone: Seeing The Computational Approach to Biological Vision Second Edition、The MIT Press、2010、p.140”に示されているように、急な光強度の変化に対してその直後にバースト状の神経インパルスが発生することが知られており、これらの現象は、臨場感を低下させるとともに、視覚疲労に結びつきやすいと考えられる。
また、“Y. Kuroki: Improvement of motion image quality by using high frame rate from shooting to displaying、Proceeding of the 16th International Display Workshop (2009)、p.577-580”などの研究により、ジャーキネスは特にシャッターを用いた撮像映像やCG等の輪郭のはっきりした従来のフレームレートの映像で強く知覚されることが知られている。
ここで、映像品質劣化を低減させるために、例えば、下記の特許文献1及び2に係る技術がある。
特開2016―006454号公報 特開2008-276084号公報
しかしながら、特許文献1に係る技術は、あらかじめ単一の発光プロファイルに設定された発光強度パターン(関数)に基づいてパルス密度変調の演算を行い、生成されたパルス密度変調信号による駆動により、映像表示の際のバックライトや画素そのものの発光のパルス密度(発光強度)の時間的変化を発光強度パターン(関数)に対応させ、発光強度の急激な時間的変化を緩和し、ジャーキネス等による映像品質劣化の低減を図ったものではあるが、パルス密度(発光強度)の時間的変化を画素値の階調等、画質に関する情報に対応させることについては記載も示唆もなく、表示される映像の画質を直接的に考慮してジャーキネス等による映像品質劣化の低減を図るものではなかった
また、特許文献2に係る技術は、連続する2フレームの画素の動きベクトルに基づいて線形演算等を行うことにより、その2フレームの間に補間されるフレームの画素値を算出し、動画ボケによる映像品質劣化を少なくしたものであるが、画素値の急激な時間的変化を考慮したものではなかった。また、2つのフレームメモリと、フレーム補間部等を搭載し、連続する2フレームに対して1フレームを補間するだけで、2フレーム以上の補間を考慮したものではなかった。そのため、ジャーキネスによる映像品質劣化の改善には十分な効果が得られなかった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、映像表示の際のバックライトや自発光画素の発光を制御することにより、画素値が時間的に急激に変化することに起因するジャーキネス等の映像品質劣化を抑制するとともにより高品質で見易い映像表示が可能な表示装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明に係る映像表示装置は、上記の目的を達成するために、
入力された映像信号の現在のフレームの画素の画素値と、少なくとも当該映像信号の現在のフレームの直前の連続する2フレームにおいて当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値と、に基づいて所定の補間関数の演算を行うことにより、当該映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等分割した第2のフレーム期間ごとに当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値を算出し、当該画素値のうち当該映像信号のフレームに相当するフレームの画素の画素値については、当該映像信号のフレームの画素の画素値と同一の画素値を算出することが可能な第1の信号処理部と、
前記第1の信号処理部で前記第2のフレーム期間ごとに算出された、前記映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値のみに基づいて所定のパルス密度変調の演算を行うことにより、前記第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化するパルス密度変調信号を出力する第2の信号処理部と、
前記第2の信号処理部から出力されたパルス密度変調信号による駆動により光源の発光を制御し、映像を表示する表示部と、
を備えることにより、
表示される映像は、画素値の急激な時間的変化が間接的に緩和されるとともに、画素値が大きい部分ほど光源の発光強度が高く、画素値の小さい部分ほど光源の発光強度が低くなること、
を特徴とする。
また、本発明に係る映像表示方法は、上記の目的を達成するために、
入力された映像信号の現在のフレームの画素の画素値と、少なくとも当該映像信号の現在のフレームの直前の連続する2フレームにおいて当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値と、に基づいて所定の補間関数の演算を行うことにより、当該映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等分割した第2のフレーム期間ごとに当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値を算出し、当該画素値のうち当該映像信号のフレームに相当するフレームの画素の画素値については、当該映像信号のフレームの画素の画素値と同一の画素値を算出することが可能な第1の信号処理ステップと、
前記第1の信号処理ステップで前記第2のフレーム期間ごとに算出された、前記映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値のみに基づいて所定のパルス密度変調の演算を行うことにより、前記第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化するパルス密度変調信号を出力する第2の信号処理ステップと、
前記第2の信号処理ステップから出力されたパルス密度変調信号による駆動により光源の発光を制御し、映像を表示する表示ステップと、
を含むことにより、
表示される映像は、画素値の急激な時間的変化が間接的に緩和されるとともに、画素値が大きい部分ほど光源の発光強度が高く、画素値の小さい部分ほど光源の発光強度が低くなること、
を特徴とする。
本発明によれば、映像表示の際のバックライトや自発光画素の発光を制御することにより、表示される映像の画素値が時間的に急激に変化することに起因するジャーキネス等の映像品質劣化が抑制されるとともに明暗のコントラストが強調され、より高品質で見易い映像表示が可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
図1は、本発明に係る映像表示装置の全体的構成の例を示すブロック図である。
本発明に係るパルス密度変調表示装置100は、第1の信号処理部1、第2の信号処理部2、表示部3、第1の記憶部4、及び第2の記憶部5を備える。
第1の信号処理部1は、プログラムを実装した信号処理回路であり、入力された映像信号の現在(時間t)のフレームFtの画素値と、その直前(時間t-1、t-2、・・・)のフレームFt-1、Ft-2、・・・の画素値とに基づいて、映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等分割した期間(以下、「第2のフレーム期間」という。)ごとに映像信号の現在のフレームFtの画素に相当する画素の画素値を算出し、出力する補間演算処理を行う。
上述の補間演算処理は、一般的には補間関数G(x)、例えばラグランジュの補間公式から導出されるn次の近似多項式やn次スプライン曲線の近似多項式等のように、所定のn+1個の点を通過する近似曲線を補間可能な近似多項式関数の演算により行うのが望ましい。
図13は、補間関数G(x)の例としてラグランジュの補間公式から導出された2次多項式関数を示したものである。但し、図13において、CV1、CV2及びCV3は、それぞれ時間的に連続する3フレームFt-2、Ft-1及びFtにおいて同一画素に相当する画素の画素値、xは時間ステップを表したものである(以下、同様)。
第2の信号処理部2は、プログラムを実装した信号処理回路であり、第1の信号処理部1で第2のフレーム期間ごとに算出された、同一画素に相当する画素の画素値に基づいてパルス密度変調の演算を行うことにより、第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化するパルス信号(以下、「パルス密度変調信号」という。)を生成し、出力する。
表示部3は、LCD、OLED、LEDディスプレイ等のディスプレイパネル装置を備えたデジタル方式の表示装置であり、第2の信号処理部2から出力されたパルス密度変調信号により、光源であるLCDのバックライトや、OLED、LEDディスプレイ等の画素そのものの発光を制御し、映像を表示する。
第1の記憶部4は、読み書き可能な記憶装置であり、入力された映像信号の現在(時間t)のフレームFt及びその直前(時間t-1、t-2、・・・)のフレームFt-1、Ft-2、・・・のほか、フレーム期間の分割数、補間関数G(x)等、第1の信号処理部1における補間演算処理のための各種情報を記憶する。
第2の記憶部5は、読み書き可能な記憶装置であり、第2の信号処理部2におけるパルス密度変調のための各種情報や、表示部3の駆動を制御するための各種情報を記憶する。
ここで、上述した第1の信号処理部1における補間演算処理のフレーム期間の均等分割の範囲について説明する。
自然現象を表した映像(以下、「自然映像」という。)におけるフレームレートとジャーキネスの関係については、上述のY. Kurokiによる研究で、フレームレートが60fps(frame per second)で強く生じるジャーキネスが120fpsから240fpsにかけて改善し、480fpsでほぼ知覚されなくなったということが報告されている。ここで、フレームレート60fpsは、時間換算すると16.6msであり、ヒトの眼の積分時間、すなわちBlochの法則I・T=CONST(I:発光強度、T:時間)が成立する時間である20ms程度に近い値である。
また、代表的な映像のフレームレートであるNTSC方式TVの60fps、PAL方式TVの50fps、映画の24fpsのフォーマットの相互変換をする上で、理想的なフレームレートはこれらの最小公倍数である600fpsである。
これらを考慮すると、ジャーキネス対策に必要かつ理想的なフレームレートは、120fps乃至600fpsの範囲である。
したがって、フレームレートが60fpsの映像信号の場合、第1の信号処理部1における補間演算処理では、フレーム期間を2分割乃至10分割の範囲で均等分割することが、ジャーキネス対策上、好ましいと考えられる。
次に、図2乃至図6を参照して、上述した第1の信号処理部1における補間演算処理について説明する。
図2は、例として、一般のデジタル方式の表示装置で表示される映像信号の連続する3フレームの同一画素に相当する画素の画素値の階調を図示したものである。ここで、縦軸は画素値、横軸は時間ステップであり(以下、同様)、1フレームレートは60fps(1フレーム期間は16.6ms)である。図中に表された点は画素値(代表値)を示している。
なお、画素値は一般には画素の色情報を表したもの、例えば輝度値や、RGBの各成分値等であり、画素は、画素値が大きいほど明るい印象となるが、逆に画素値が小さいほど暗い印象となる。
図3は、図2に示す画素値をもとに図13に示す2次多項式関数G(x)の補間演算処理を行い、フレーム期間を均等に2分割した結果を図示したものである。図3では、120fps相当の時間分解能となる。
図4は、図2に示す画素値の算出値をもとに図13に示す2次多項式関数G(x)の補間演算処理を行い、フレーム期間を均等に4分割した結果を図示したものである。図4では、240fps相当の時間分解能となる。
図5は、図2に示す画素値の算出値をもとに図13に示す2次多項式関数G(x)の補間演算処理を行い、フレーム期間を均等に8分割した結果を図示したものである。図5では、480fps相当の時間分解能となる。
図6は、図2に示す画素値をもとに図13に示す2次多項式関数G(x)の補間演算処理を行い、フレーム期間を均等に10分割した結果を図示したものである。図6では、600fps相当の時間分解能となる。
このように、入力された映像信号の連続する3フレームの画素値をもとに補間関数G(x)による補間演算処理を行うことにより、映像信号の同一画素に相当する画素の画素値の時間分解能を向上させるとともに、それら画素値のステップ状の時間的変化を滑らかにすることができる。
したがって、上述した第1の信号処理部1における補間演算処理によれば、画素値の階調の時間的変化滑らかにすることができる。
なお、上述の説明では、補間関数G(x)は図13に示す2次多項式関数としたが、これはあくまでも1つの実施形態にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、3次以上の多項式関数等としてもよい。
また、上述の説明では、連続する3フレームの画素値に基づいて補間演算処理を行ったが、これもあくまでも1つの実施形態にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、連続する3フレーム以上の画素値に基づいて補間演算処理を行うものとしてもよい。
また、上述の説明では、連続する3フレームの同一画素に相当する画素の画素値に基づいて補間演算処理を行ったが、これもあくまでも1つの実施形態にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、同一画素に相当する画素の近傍の画素を含めてもよい。
また、上述の説明では、映像信号のフレームレートは60fpsとしたが、これはあくまでも1つの実施形態にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更してもよい。
次に、図7乃至図11を参照して、上述した第2の信号処理部2におけるパルス密度変調について説明する。
図7乃至図11は、それぞれ図2乃至図6に示す画素値の階調をもとにパルス密度変調した結果を図示したものである。なお、図7乃至図11では、それぞれ図2乃至図6に示す画素値の階調に重ねて、パルス密度変調により生成されたパルス密度変調信号を示している。
これらの図に示すように、連続するフレームの同一画素に相当する画素の画素値の階調をもとにパルス密度変調を行うことにより、生成されるパルス密度変調信号は、パルス密度がそれら画素値の階調に対応したものとなる。具体的には、画素値が大きいほどパルス密度は高くなり、逆に、画素値が小さいほどパルス密度は低くなる。
したがって、上述した第2の信号処理部2におけるパルス密度変調によれば、同一画素に相当する画素の画素値の階調に対応してパルス密度が時間的に変化するパルス密度変調信号を生成することができる。
また、第2の信号処理部2におけるパルス密度変調では、第1の信号処理部1で映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等分割した第2のフレーム期間ごとに算出された、同一画素に相当する画素の画素値のみに基づいてパルス密度変調を行うので、生成されるパルス密度変調信号は、第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化したものとなり、パルス密度の時間的変化の連続性が十分高くなる
なお、上述の説明では、フレームの時間分解能が60fps、120、240、480及び600fpsに相当するものとしたが、これはあくまでも1つの実施形態にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更してもよい。
次に、図12を参照して、本発明に係る映像表示方法の処理の流れを説明する。図12は、本発明に係る映像表示方法の処理の流れの例を示すフローチャートである。
S1は、前処理を行うステップであり、入力された映像信号の連続する3フレームFt-2、Ft-1及びFtの画素値CV1、CV2及びCV3を記憶する。なお、本説明では各画素値の座標表示については省略するものとする。
S2は、フレームの補間演算処理を行う第1の信号処理ステップであり、画素値CV1、CV2及びCV3の値をもとに所定の補間関数G(x)の演算を行い、映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等に分割した第2のフレーム期間ごとに画素値CVx=G(x)を算出する。
S3は、第1の信号処理ステップで算出された同一画素に相当する画素の画素値のみに基づいてパルス密度変調の演算を行う第2の信号処理ステップであり、第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化するパルス密度変調信号を出力する。
S4は、第2の信号処理ステップで出力されたパルス密度変調信号により、光源であるLCDのバックライトや、OLED、LEDディスプレイ等の画素そのものの発光を制御し、映像を表示する表示ステップである。
したがって、上述の処理によれば、入力された映像信号の連続する3フレームの同一画素に相当する画素の画素値に基づいて所定の補間演算を行い、映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等分割した第2のフレーム期間ごとに同一画素に相当する画素の画素値を算出した上で、それら画素値のみに基づいてパルス密度変調の演算を行い、第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化するパルス密度変調信号を生成し、そのパルス密度変調信号による駆動により、映像表示の際のバックライトや自発光画素の発光のパルス密度(発光強度)を制御するので、パルス密度(発光強度)の時間的変化の連続性が十分高くなり、映像表示の際に、実際の被写体に見られる発光強度の時間的変化に近くなり、表示される映像の画素値の急激な時間的変化が間接的に緩和されることとなる。
また、映像信号の連続するフレームの同一画素に相当する画素の画素値の階調に基づいてパルス密度変調の演算を行い、パルス密度変調信号を生成し、そのパルス密度変調信号による駆動により、光源の発光のパルス密度(発光強度)を制御することで、パルス密度(発光強度)の時間的変化をそれら画素値の階調に対応させているため、映像表示の際に、画素値が大きい部分ほどパルス密度(発光強度)が高く、逆に画素値が小さい部分ほどパルス密度(発光強度)が低くなり、表示される映像の明暗のコントラストが強調され、映像が見易くなる。
よって、画素値が時間的に急激に変化することに起因するジャーキネス等の発生が抑制されるとともに、明暗のコントラストが強調されより高品質で見易い映像を表示することができる。
また、上述の処理によれば、入力された映像信号に対する補間演算処理とパルス密度変調を同一画素に相当する画素ごとに行うことにより、複雑な計算を必要としない簡素な処理となり、処理の所要時間は1フレーム期間程度となる。
なお、上述の説明では、入力された映像信号の連続する3フレームの画素値に基づいて補間関数G(x)の演算を行ったが、これはあくまでも1つの実施形態にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、連続する3フレーム以上の画素値に基づいて補間関数G(x)の演算を行ってもよい。
以上、本発明によれば、画素値の急激な時間的変化に起因するジャーキネス等の映像品質劣化が抑制された、より高品質で見易い映像を表示することができる。
特に、映像信号のフレームの補間演算処理を行い、連続する映像フレームの同一画素に相当する画素の画素値の階調の時間分解能を高くした上で、それら画素値の階調に基づいてパルス密度変調の演算を行い、生成されたパルス密度変調信号による駆動により、光源の発光のパルス密度(発光強度)を制御するため、パルス密度(発光強度)の時間的変化の時間的連続性が十分高くなり、映像表示の際に、実際の被写体に見られる発光強度の時間的変化に近くなり、表示される映像の画素値の急激な時間的変化が間接的に緩和されることとなる。
また、映像信号の連続するフレームの同一画素に相当する画素の画素値の階調に基づいてパルス密度変調の演算を行い、パルス密度変調信号を生成し、そのパルス密度変調信号による駆動により、光源の発光のパルス密度(発光強度)を制御することで、パルス密度(発光強度)の時間的変化をそれら画素値の階調に対応させているため、映像表示の際に、画素値が大きい部分ほどパルス密度(発光強度)が高く、逆に画素値が小さい部分ほどパルス密度(発光強度)が低くなり、表示される映像の明暗のコントラストが強調され、映像が見易くなる。
また、本発明によれば、フレームレートが60fpsの映像信号の場合、映像信号のフレーム補間処理において、フレーム期間を2分割乃至10分割の範囲で均等分割することがジャーキネス対策上、好ましいと考えられる。
また、本発明によれば、動きベクトル等に基づく複雑な計算を必要とせず、従来の表示装置よりも映像信号に対する演算処理を簡素化することが可能となる。
さらに、従来の表示装置よりも回路構成を簡素化できるので、低コスト化を図ることも可能となる。
なお、本発明は、明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、他の実施例、変形例を含むことは、本明細書の記載の実施形態や思想から本発明の属する分野における当業者にとって明らかである。
本発明は、LCD、OLED、LEDディスプレイ等デジタル方式の表示装置に適用され、放送、テレビ、映画、医療、広告、セキュリティ等の用途で広く利用することができる。
本発明に係る映像表示装置の全体的構成の例を示すブロック図 映像信号の連続する3フレームの画素値の階調を示す説明図 図2に示すフレーム期間を2分割した結果を示す説明図 図2に示すフレーム期間を4分割した結果を示す説明図 図2に示すフレーム期間を8分割した結果を示す説明図 図2に示すフレーム期間を10分割した結果を示す説明図 図2に示す画素値をもとにパルス密度変調した結果を示す説明図 図3に示す画素値をもとにパルス密度変調した結果を示す説明図 図4に示す画素値をもとにパルス密度変調した結果を示す説明図 図5に示す画素値をもとにパルス密度変調した結果を示す説明図 図6に示す画素値をもとにパルス密度変調した結果を示す説明図 本発明に係る映像表示方法の処理の流れの例を示すフローチャート ラグランジュの補間公式から導出された2次多項式関数を示す説明図
100 パルス密度表示装置
1 第1の信号処理部
2 第2の信号処理部
3 表示部
4 第1の記憶部
5 第2の記憶部
S1 前処理のステップ
S2 第1の信号処理ステップ
S3 第2の信号処理ステップ
S4 表示ステップ

Claims (4)

  1. 入力された映像信号の現在のフレームの画素の画素値と、少なくとも当該映像信号の現在のフレームの直前の連続する2フレームにおいて当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値と、に基づいて所定の補間関数の演算を行うことにより、当該映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等分割した第2のフレーム期間ごとに当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値を算出し、当該画素値のうち当該映像信号のフレームに相当するフレームの画素の画素値については、当該映像信号のフレームの画素の画素値と同一の画素値を算出することが可能な第1の信号処理部と、
    前記第1の信号処理部で前記第2のフレーム期間ごとに算出された、前記映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値のみに基づいて所定のパルス密度変調の演算を行うことにより、前記第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化するパルス密度変調信号を出力する第2の信号処理部と、
    前記第2の信号処理部から出力されたパルス密度変調信号による駆動により光源の発光を制御し、映像を表示する表示部と、
    を備えることにより、
    表示される映像は、画素値の急激な時間的変化が間接的に緩和されるとともに、画素値が大きい部分ほど光源の発光強度が高く、画素値の小さい部分ほど光源の発光強度が低くなること、
    を特徴とする映像表示装置。
  2. 前記第1の信号処理部において、映像信号のフレーム期間の所定の分割数が2乃至10の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。
  3. 入力された映像信号の現在のフレームの画素の画素値と、少なくとも当該映像信号の現在のフレームの直前の連続する2フレームにおいて当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値と、に基づいて所定の補間関数の演算を行うことにより、当該映像信号のフレーム期間を所定の分割数で均等分割した第2のフレーム期間ごとに当該映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値を算出し、当該画素値のうち当該映像信号のフレームに相当するフレームの画素の画素値については、当該映像信号のフレームの画素の画素値と同一の画素値を算出することが可能な第1の信号処理ステップと、
    前記第1の信号処理ステップで前記第2のフレーム期間ごとに算出された、前記映像信号の現在のフレームの画素に相当する画素の画素値のみに基づいて所定のパルス密度変調の演算を行うことにより、前記第2のフレーム期間ごとにパルス密度が変化するパルス密度変調信号を出力する第2の信号処理ステップと
    前記第2の信号処理ステップから出力されたパルス密度変調信号による駆動により光源の発光を制御し、映像を表示する表示ステップと、
    を含むことにより、
    表示される映像は、画素値の急激な時間的変化が間接的に緩和されるとともに、画素値が大きい部分ほど光源の発光強度が高く、画素値の小さい部分ほど光源の発光強度が低くなること、
    を特徴とする映像表示方法。
  4. 前記第1の信号処理ステップにおいて、映像信号のフレーム期間の所定の分割数が2乃至10の範囲内であることを特徴とする請求項3に記載の映像表示方法。
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