(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像信号（Ｙ）をヒストグラム等化する方法であって：
前記映像信号（Ｙ）のヒストグラムを決定する（ＨＣ）ステップと；
前記ヒストグラムに依存して前記映像信号（Ｙ）を処理して（ＨＰ）、修正された映像信号（Ｙｍｏｄ）を得るステップと；
前記修正された信号（Ｙｍｏｄ）が前記映像信号（Ｙ）より低い場合には、前記映像信号（Ｙ）の色彩飽和度（ＲＧＢｓａｔ）に依存して、前記修正された信号（Ｙｍｏｄ）を前記映像信号（Ｙ）に向かって強調する（Ｅ）ステップと；
を含む方法。
【請求項２】
前記色彩飽和度が双極正弦関数によって計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
映像信号（Ｙ）をヒストグラム等化させるデバイスであって：
前記映像信号（Ｙ）のヒストグラムを決定する手段（ＨＣ）と；
前記ヒストグラムに依存して前記映像信号（Ｙ）を処理して、これによって修正された信号（Ｙｍｏｄ）を得る手段（ＨＰ）と；
前記修正された信号（Ｙｍｏｄ）が前記映像信号（Ｙ）より低い場合には、前記映像信号（Ｙ）の色彩飽和度（ＲＧＢｓａｔ）に依存して、前記修正された信号（Ｙｍｏｄ）を前記映像信号（Ｙ）に向かって強調する（Ｅ）手段（Ｅ）と；
を具備してなるデバイス。
【請求項４】
センサー出力信号を出力する撮像ユニット（ＰＵ）と；
前記センサー出力信号に反応して輝度信号を発生するプロセッサ（ＳＰ）と；
前記輝度信号（Ｙ）に反応して出力信号（Ｙｏ）を発生する請求項３に記載のヒストグラム等化デバイス（ＨＥ）と；
を具備してなるカメラ。
【請求項５】
輝度信号（Ｙ）を発生する処理ユニットと；
前記輝度信号（Ｙ）に反応して出力信号（Ｙｏ）を発生する請求項３に記載のヒストグラム等化デバイス（ＨＥ）と；
前記出力信号（Ｙｏ）を表示するディスプレイ（Ｄ）と；
を具備してなる表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ヒストグラムを等化する方法およびデバイス並びに、このようなデバイスを具備してなる表示装置および撮像装置に関する。
【０００２】
ＪＰ−Ａ−６−９０，３８１号に、色彩信号が、階調を補正してより効果的な階調補正を得るためのパラメータとして含まれる階調補正デバイスが示されている。このデバイスは、パラメータとして輝度信号を用いて白色度ヒストグラムによる階調補正に加えて特定の色彩情報に対する補正用重み付けをする色彩パラメータ計算回路と、さらに、このパラメータに反応して補正係数を決定する色彩パラメータ補正テーブルと、を備えている。色彩信号が入力され、補正画像エレメントの色彩が視覚を持った色彩である場合、補正算術演算回路は階調補正の品質を増す。このようにして、輝度信号の動的範囲は色彩信号の可視特徴と整合して拡張され、階調はより効果的に補正される。
【０００３】
とりわけ、本発明の目的は、彩色された映像に対する輝度ヒストグラム等化の場合に色彩再現性を改善することである。この目的のために、本発明は、独立請求項に記載するような、ヒストグラム等化方法とデバイスさらに、このようなデバイスを含むカメラや表示装置を提供する。利点ある実施形態を従属請求項に記載する。
【０００４】
本発明による映像信号のヒストグラム等化方法においては、映像信号のヒストグラムを決定し、この映像信号をこのヒストグラムに基づいて処理して修正信号を得て、この修正された信号を強調する。この修正済み信号が前記の映像信号未満の場合には、この色強調は彩度に依存するのが望ましい。
【０００５】
ＢＥ特許第１００７６０９号（アトーニーズドケットＰＨＮ１４，５８５）には、ヒストグラム変換ＩＣのＴＤＡ９１７０、ＴＤＡ９１７１およびＴＤＡ９１７８で適用されるヒストグラムコンバータによる非線形遷移のための色彩補償アルゴリズムが開示されている。この補償の目的は、ＲＧＢ色彩空間において、ヒストグラムコンバータの輝度に影響することなく各画素のｕ’ｖ’色彩座標を復元することである。このｕ’ｖ’色彩空間は図２のＲＧＢ色彩空間の上面図であり、したがって、垂直（ＲＧＢｍａｘ）方向を考慮しない２次元色彩空間である。この色彩補償を、以下に説明する濃厚彩色された部分の輝度復元と混同してはならない。
【０００６】
本発明の上記および他の態様は以下に説明する実施形態を参照すれば明瞭となる。
【０００７】
本発明は主として、彩色された映像に対するヒストグラム等化の場合における色彩再現性の改善に関する。図１の上部では、ある想像映像の輝度ヒストグラムの例が示されている。信号Ｙｉｎの輝度入力範囲はこの場合、８個の等しいヒストグラムセグメントに分割される。このヒストグラムの垂直方向は、各セグメント内で灰色値が整合した画素のカウント数を示している。映像全体を測定すれば、この全てのセグメントのカウント値の和はこの映像の画素の総数に等しい。
【０００８】
下方部分は、コントラストを改善した輝度出力信号Ｙｏｕｔを達成するための累積ヒストグラム遷移曲線を示している。薄い線は線形遷移を示し、太線は非線形遷移を示している。特に、セグメント５と６のコントラストはセグメント１から４およびセグメント１から８までをそれぞれ犠牲にして増加している。ここで、Ｙｏｕｔの輝度遷移が線形遷移より低い場合、濃厚彩色された映像部分の輝度出力は劇的に減少している。濃厚彩色されているとは、その色彩が比較的高い飽和度を有していることを意味する。
【０００９】
ここで目的とされることは、ＹｏｕｔがＹｉｎより小さい条件下で、濃厚彩色された映像部分の輝度レベルは色彩飽和度の関数として線形遷移レベルに向かって復元される。したがって、各画素に付いて、ヒストグラムコンバータが動作しているＹＵＶ色彩空間中での色彩飽和度レベルを測定する必要がある。
【００１０】
図２に、その左側にＲＦＢ信号のための３次元（３Ｄ）色彩空間を示し、その右側にＹＵＶ信号の３次元（３Ｄ）色彩空間を示している。ＲＧＢ信号からＹＵＶ信号への遷移のために、ＹＵＶ色彩空間の形状は完全に異なったものとなる。
【００１１】
ＹＵＶ空間がなぜ円錐形状となるかの理由は容易に例で説明できる。Ｒ＝Ｇ＝０でありＢ＝１／４と仮定すると、飽和度１００％の青色を意味する。ＲＧＢ空間では、この色彩ベクトルはＷＢに等しい長さを有する図２中の高さの１／４のところ、すなわち白色−青色間距離のところにある。ＹＵＶ空間の場合ももちろん、同じ高さが当てはまるが、青色ベクトルの振幅は上方領域では青色ベクトルの１／４となっている。その最大青色ベクトルＢ＝１の場合、したがって、Ｙ＝０．１１、Ｒ−Ｙ＝−０．１１、Ｂ−Ｙ＝０．８９となる。しかしながら、Ｂ＝１／４の場合、Ｙ＝０．１１／４およびＲ−Ｙ＝−０．１１／４、Ｂ−Ｙ＝０．８９／４が成立する。ＷＢベクトルは最大ＷＢベクトルの長さの１／４となっている。
【００１２】
したがって、ＲＧＢ空間では、任意の色彩の飽和度は垂直方向パラメータＲＧＢｍａｘの関数として一定である。しかしながら、ＹＵＶ空間では、ＲＧＢｍａｘの関数としての一定の飽和度量はＲＧＢｍａｘに比例するようになる。言い換えれば、色彩差信号の振幅は、色彩の飽和度が一定の場合、ＲＧＢｍａｘに比例する。しばしば、低い飽和度の振幅は非飽和色彩に相当すると考えられている。しかしながらＹＵＶ形状で見られるように、低飽和度振幅は飽和度１００％の色彩にも相当することがあり得る。これはＲＧＢｍａｘに依存する。
【００１３】
両方の色彩空間における垂直方向パラメータは輝度信号ＹではなくＲＧＢｍａｘ、すなわち３つのＲＧＢ信号の最大値であることを認識することが重要である。これはまた、例によって容易に理解される。Ｒ＝Ｇ＝０でありＢ＝１であるとすると、飽和度１００％の青色となる。輝度信号の場合、Ｙ＝０．１１とＲＧＢｍａｘ（＝Ｂ）＝１が成立する。Ｒ＝Ｂ＝０でありＧ＝１であるとすると、この場合もＹ＝０．５９でありＲＧＢｍａｘ（＝Ｇ）＝１が成立する。もちろん考えられることであるが、ＹＷＰ垂直方向パラメータとすると、その結果、非常に奇妙なＲＧＢ空間とＹＵＶ空間となる。青色の場合、最大の垂直方向高さは０．１１であり、緑色の場合は０．５９、赤色の場合は０．３、白色の場合は１．０となる。このような種類の空間は非常に操作しにくく、したがって、ＲＧＢ信号の内から最大のものが垂直方向パラメータとして選ばれて、この例が示すように、図２の３Ｄ色彩空間で作業しやすくなる。
【００１４】
飽和度を計算する場合、パラメータＲＧＢｍｉｎ、すなわち３つのＲＧＢ信号の内の最小の信号も重要な役割を演じる。飽和度１００％の色彩の場合、ＲＧＢｍｉｎはゼロとなるはずである。これは、ＲＧＢｍｉｎは図２中の色彩空間の外部表面に対してはゼロであることを意味する。ＲＧＢｍｉｎがＲＧＢｍａｘと等しい場合、色彩飽和度はゼロである。これに対応する灰色又は白色は図２の垂直方向軸によって表される。色彩飽和度がＲＧＢｍａｘとＲＧＭｍｉｎの差に比例することが明瞭である。飽和度はＲＧＢｍａｘ値とは独立していなければならないので、ＲＧＢｓａｔと呼ばれる飽和度の式は、ＲＧＢｓａｔ＝（ＲＧＢｍａｘ−ＲＧＭｍｉｎ）／ＲＧＢｍａｘとなる。したがって、ＲＧＢＳＡＴを計算する場合、除算器が必要となる。
【００１５】
飽和度ＲＧＢｓａｔが分かれば、ヒストグラム等化の場合における濃厚彩色された景色部分の輝度が強調される理由が説明可能となる。
【００１６】
図３に図１の非線形遷移を幾分拡大して示す。曲線Ｙは入力信号Ｙｉｎの線形遷移であり、曲線Ｙｍｏｄはヒストグラムコンバータの修正された輝度遷移特徴である。ＹｍｏｄがＹ未満であると、濃厚彩色の景色部分で輝度損失が発生する。この場合、映像中の各画素のＲＧＢｓａｔの測定値の関数として、その画素の遷移Ｙｍｏｄは線形遷移に向けて修正される。ＲＧＢｓａｔ＝０であると補正は発生せず、ＲＧＢ＝１であると、線形遷移に対して完全補正が発生する。ＲＧＢｓａｔの局所値が０と１の間にあると、輝度補正値は差（Ｙ−Ｙｍｏｄ）に比例する。したがって、Ｙｍｏｄ＜ＹであればＹｏ＝Ｙｍｏｄ＋（Ｙ−Ｙｍｏｄ）＊ＲＧＢｓａｔとなる。図３の矢印はＲＧＢｓａｔが０から１に増加する際の輝度補正を示している。
【００１７】
ＲＧＢｓａｔの測定値をＲＧＢｓａｔｇａｉｎと呼ばれるパラメータで幾分過剰に増幅すると、飽和度レベルが１未満である色彩に対してオリジナルの線形輝度レベルを復元することさえ可能となる。この新しいＲＧＢｓａｔ値が１に限られない場合、輝度補正が線形遷移に取って代わる。これが望ましいかどうかは主観的な感覚によって異なる。映像が既に過飽和の色彩を包含する場合には１に限られないという条件は魅力的ではない。すると、これらの色彩は過剰の輝度を有するようにもなり、このためさらに不自然となりかねない。ＲＧＢｍｉｎがゼロ未満であると色彩が過飽和する。この場合、色彩空間外の色彩を再現しなければならない。
【００１８】
次に、ヒストグラム変換を応用した場合の濃厚彩色の景色部分の輝度補正のアルゴリズムに関して説明する。次のものが分かっているものと仮定する：ＲＧＢ色彩信号、輝度信号Ｙ、色彩差信号Ｒ＿ＹおよびＢ＿Ｙ（減色度無し）並びにヒストグラム出力信号ＹＭｍｏｄ、ＲＧＢｍａｘ、ＲＧＢｍｉｎ、ＲＧＢｓａｔおよび新しい出力信号Ｙｏは飽和度の関数として計算される。
【００１９】
使用変数の宣言
Ｒ、Ｇ、Ｂ  ｛ＲＧＢ信号｝
Ｙ  ｛輝度信号｝
Ｙｍｏｄ  ｛ヒストグラムコンバータによる修正済みＹ｝
Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ  ｛色彩差信号｝
ＲＧＢｍａｘ、ＲＧＢｍｉｎ  ｛ＲＧＢ信号の最大値と最小値｝
ＲＧＢｓａｔ  ｛色彩飽和度｝
ＲＧＢｓａｔｇａｉｎ  ｛過剰飽和度｝
｛ＲＧＢｍａｘとＲＧＢｍｉｎの発見｝
ＲＧＢｍａｘ＝Ｒ
ＲＧＢｍａｘ＜Ｇであれば、ＲＧＢｍａｘ＝Ｇ
ＲＧＢｍａｘ＜Ｂであれば、ＲＧＢｍａｘ＝Ｂ
ＲＧＢｍｉｎ＝Ｒ
ＲＧＢｍｉｎ＞Ｇであれば、ＲＧＢｍｉｎ＝Ｇ
ＲＧＢｍｉｎ＞Ｂであれば、ＲＧＢｍｉｎ＝Ｂ
｛ＲＧＢｓａｔの計算｝
ＲＧＢｍａｘ＜＝０であれば、ＲＧＢｓａｔ＝０｛ゼロによる除算を防止する｝
さもなければ
ＲＧＢｓａｔ＝ＲＧＢｓａｔｇａｉｎ＊（ＲＧＢｍａｘ−ＲＧＢｍｉｎ）／ＲＧＢｍａｘＲＧＢｓａｔ＞１であれば、ＲＧＢｓａｔ＝１｛ＲＧＢｓａｔを１に制限する｝
｛出力信号Ｙｏを補正する｝
Ｙｍｏｄ＜Ｙであれば、Ｙｏ＝Ｙｍｏｄ＋（Ｙ−Ｙｍｏｄ）＊ＲＧＢｓａｔ
さもなければＹｏ＝Ｙｍｏｄ
Ｙｍｏｄをｆ（ＲＧＢｓａｔ）として適用する前のアルゴリズムに従えば、ヒストグラムの非線形遷移に対する色彩補償を実行することができる。そのアルゴリズムを以下に示す：
｛上記の変数以外の変数の宣言｝
ｆｕｌｃｏｌｃｏｍｐ  ｛非線形Ｙｍｏｄによる色彩補償の方法｝
ｇｓａｔ  ｛暫定的飽和度補正｝
ｐｏｓｃｏｌｃｏｍｐ  ｛非飽和の場合だけの補償｝
｛非線形遷移の関数としての色彩補償、ｆｕｌｃｏｌｃｏｍｐによる選択が可能｝
ｆｕｌｃｏｌｃｏｍｐが次である場合
１：ｇｓａｔ＝１  ｛色彩補償無し｝
２：ｇｓａｔ＝１＋Ｃｇａｉｎ＊（Ｙｍｏｄ−Ｙ）        ｛ＴＤＡ９１７０で使用、Ｃｇａｉｎはオプション｝
３：｛除算器が必要｝
Ｙ＞０であれば、  ｛ゼロによる除算の防止
ｇｓａｔ＝Ｙｍｏｄ／Ｙ  ｛完全補償｝
さもなければｇｓａｔ＝０
ｇｓａｔ＞１０であれば、ｇｓａｔ＝１０｛ｇｓａｔのｇａｉｎを制限する終了  ｛ｆｕｌｃｏｌｃｏｍｐの場合｝
｛非飽和だけの補償、これはＹｍｏｄ＞Ｙの場合にだけ発生する、Ｙｍｏｄ＜Ｙの場合は過剰飽和を維持する｝
ｐｏｓｃｏｌｃｏｍｐと（ｇｓａｔ＜１）の場合、ｇｓａｔ＝１
｛新しいＲ＿ＹとＢ＿Ｙの値を計算する｝
Ｒ＿Ｙ＝ｇｓａｔ＊Ｒ＿Ｙ
Ｂ＿Ｙ＝ｇｓａｔ＊Ｂ＿Ｙ
濃厚彩色された詳細に対するこの輝度復元の実現での最も困難な部分は除算器であり、したがって（１／ＲＧＢｍａｘ）の実現である。実際、除算器は自身の制限を有している：すなわち、ゼロおよびほとんどゼロによる除算はあり得ないことではない。しかしながら、シミュレーションを実行した結果、制限された除算器（最大で１／０．２までの除算）を用いた場合でさえも、画像の改善にはほとんど影響ない。除算器はこの最大限界を越えて良好に定義されるべきであることを考慮すべきである。
【００２０】
アナログ環境の場合、最大で１／０．２までの除算器が可能であるべきである。これを可能とする回路は周知である。ディジタル環境の場合、除算器の特徴を記憶しておいてルックアップテーブルで検索することができる。
【００２１】
次に逆双極正弦関数を用いたＲＧＢｓａｔ関数の代替例に関して説明する。この逆双極正弦関数ｓｉｎｈ−１は、アナログ環境下では非常に実現しやすい；事実、それは、ＬＣＤやＣＲＴやカメラのガンマ関数として用いられてきた。ｓｉｎｈ−１の場合、次の式が成立する：
ｓｉｎｈ−１（ｇ，ｘ）＝Ｉｎ｛ｇｘ＋［（ｇｘ）２＋１］０．５｝
ｇの値はベキ関数の等化指数に当てはめることができる。指数がここで採用される０．２５という値である場合、パラメータｇは２７．３２となる。
【００２２】
関数ＲＧＢｓａｔ＝｛ＲＧＢｍａｘ−ＲＧＢｍｉｎ｝／ＲＧＢｍａｘはＲＧＢｓａｔ＝ｓｉｎｈ−１（ＲＧＢｍａｘ−ＲＧＢｍｉｎ）に近似させることが可能であるので、ｘ＝（ＲＧＢｍａｘ−ＲＧＢｍｉｎ）であり、指数は０．２５であるようである。これによって、除算器は必要ない。いくつかの映像に関するシミュレーションの結果、（制限された）除算器回路の結果を下回ったが、それでも、ＲＧＢｓａｔｇａｉｎが幾分増す場合は特に非常に価値あるものである。
【００２３】
雑音に関しては、感覚的印象は、（制限された）除算器回路を用いたＲＧＢｓａｔ輝度補正無しの場合より良好であった。これと同じことがｓｉｎｈ−１関数にも当てはまるが、ＲＧＢｓａｔｇａｉｎは大きすぎないことが必要である。
【００２４】
図４に本発明によるヒストグラムベースの強調デバイスの実施形態である。輝度信号Ｙはヒストグラム計算回路ＨＣに印加されてそのヒストグラムを得る。輝度信号Ｙはヒストグラム依存プロセッサＨＰ中でヒストグラムに依存して処理されて、計算されたヒストグラムに依存した修正信号Ｙｍｏｄを得る。次に、この修正された信号Ｙは強調回路Ｅ中で強調されて、色彩信号ＲＧＢに基づいて飽和度計算回路ＳＡＴから得られた色彩飽和度信号ＲＧＢｓａｔに基づいて出力信号Ｙｏを得る。
【００２５】
ＹとＲＧＢの双方が必要であるので、Ｙは入力ＲＧＢ信号から得るか又はＲＧＢをよく周知の変換式によって入力ＹＵＶ信号から得るかしなければならない。また、ＵＶをＹからＹｏへの変動に対して補償しなければならない。これらの全てを図示するわけではないが、その理由は、本発明は主としてこれらの特徴に関連するからである。
【００２６】
図５に本発明によるカメラの実施形態を示す。撮像ユニット（映像センサー）ＰＵは信号を信号プロセッサＳＰに供給して、輝度信号Ｙを得る。図４に示すタイプのヒストグラムベースの強調回路ＨＥは出力信号Ｙｏを輝度信号Ｙに基づいて供給する。
【００２７】
図６に本発明による表示装置の実施形態を示す。アンテナＡによって得たテレビ信号をプロセッサＰＲＯＣに印加して輝度信号Ｙを得る。図４に示すタイプのヒストグラムベースの強調回路ＨＥが出力信号Ｙｏを輝度信号Ｙに基づいて供給する。出力信号ＹｏはディスプレイＤに印加される。
【００２８】
好ましい実施形態の以下に示す特徴は注目にあたいする。ＲＧＢとＹＵＶの３次元色彩空間中での飽和度の計算。ヒストグラムが出力した画素の場合における飽和度の計算値の関数としての濃厚彩色された景色部分の輝度を局所的に復元した値は線形遷移のそれより低い。この飽和度の計算値を過剰利得で増幅して、最大飽和色彩未満の色彩を補償する。濃厚彩色の景色部分の輝度が過剰補償される可能性。逆双極正弦関数を用いた除算器の代替物の実現。
【００２９】
本発明の主要な態様は次のように要約できる。映像の輝度ヒストグラムを測定することによって、いわゆる「ヒストグラム等化」方法によってコントラストを改善することが可能である。これは、ヒストグラムの最も重要な部分を多くの灰色値の領域にわたって拡散し、次に占有されることを意味する。最大信号振幅が維持されるので、あまり重要でないヒストグラム部分の灰色レベルの数を減少させて、最も重要なヒストグラム部分にとって利用可能とする。その結果、このあまり重要でないヒストグラム部分によってコントラストを下げる。
【００３０】
例として、比較的低い輝度レベルを持った小さいが非常に濃厚彩色された詳細を有する景色を仮定する。景色のほとんどの部分は比較的高い輝度レベルを持った灰色値から構成されている。この映像に対しては、この彩色された詳細な部分の輝度を犠牲にしてコントラストが改善される。
【００３１】
非線形輝度遷移に対する理想的な色彩補償機能を持つヒストグラムコンバータを応用しても、彩色された詳細の輝度は、その色彩座標は不変とはいえ、あまりに低い。この彩色された詳細はオリジナルのものと同じ色彩を持つが輝度レベルは低い。この仮定された景色はまったく固有のものではなく、人間の眼は濃厚色彩には引き付けられないことを認識すれば、濃厚彩色された景色部分に対する輝度が損失しかねないということは輝度ヒストグラム等化方法の真の欠点である。
【００３２】
本出願では、濃厚彩色された映像部分の輝度損失を補償する方法を述べている。これによって、彩色された映像に対する輝度ヒストグラム変換の欠点が解消する。
【００３３】
上記の実施形態は図示目的であり本発明を制限するものではなく、また、当業者には添付請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替実施形態を設計できることに注意すべきである。請求項中で、カッコ内の参照符号ははすべて請求項を制限するものと解釈すべきではない。「具備する、含む」という用語は請求項に記載のもの以外の部品やステップの存在を除外するものではない。本発明は、複数の判明な部品を具備するハードウエアと、適切にプログラムされたコンピュータと、によって実現することができる。複数の手段を列挙しているデバイス請求項では、これらの手段の内のいくつかは、単一のそして同じハードウエアで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  輝度ヒストグラムとその累積非線形遷移の例の図である。
【図２】  ３次元ＲＧＢとＹＵＶ色彩空間の図である。
【図３】  本発明による濃厚彩色された景色部分の輝度補正の図である。
【図４】  本発明によるヒストグラムベースの強調デバイスの実施形態の図である。
【図５】  本発明によるカメラの実施形態の図である。
【図６】  本発明による表示装置の実施形態の図である。
【符号の説明】
ＨＰ  ヒストグラム依存プロセッサ
Ｅ  強調回路
ＨＣ  ヒストグラム計算回路
ＳＡＴ  飽和度計算回路
【図１】
0004257036.tif 000002
【図２】
0004257036.tif 000003
【図３】
0004257036.tif 000004
【図４】
0004257036.tif 000005
【図５】
0004257036.tif 000006
【図６】
0004257036.tif 000007