モバイル学会

原著論文

スマートデバイス向け簡易ディスプレイキャリブレータの開発○富永 崇之 1), 木暮 祐一 2), 津村 忠助 3), 山本 邦雄 4), 乃万 司 4)九州工業大学大学院情報工学府情報創成工学専攻, 2)武蔵野学院大学国際コミュニケーション学部,
3)
有限会社 TRIART, 4)九州工業大学大学院情報工学研究院知能情報工学研究系

1)

A Low-cost Display Calibrator for Smart Devices○Takayuki Tominaga1), Yuichi Kogure2), Tadasuke Tsumura3),
Kunio Yamamoto4), Tsukasa Noma4)
1) 4)

Kyushu Institute of Technology, 2)Musashino Gakuin University, 3)TRIART, Inc.

Abstract: Smart devices are, in general, inappropriate for medical applications due to the difference of display
properties between medical displays and general-purpose displays. We have already developed a software
emulator where smart devices work as GSDF display. Considering aging of displays, however, the emulator
always needs current display properties. This paper presents a simple and low-cost display calibrator for smart
displays. Using ND-filters, users can adjust displays of smart devices instantly, and the devices can output inGSDF.

Keywords: DICOM, Grayscale Standard Display Function, Display Calibration, Smart Device
キーワード: DICOM, グレイスケール標準表示関数, ディスプレイキャリブレーション, スマートデバイ
ス

1. 背景

劣化や、ディスプレイの保護フィルムの有無といった利用環境

近年、医師不足が深刻な問題になっている。特に地方の病による影響に対処することができないという問題を抱えてい院では専門医がおらず、急患に対して適切な処置が遅れるとる。

いう事態をしばしば招いている。しかし、現行の遠隔医療シスこれらの問題に対処するにはディスプレイキャリブレータにテムは可搬性に欠け、救急医療の分野においてうまく機能しよる階調特性の校正が必要である。しかし、現状ではスマートていない。そこに、近年スマートデバイスと呼ばれる端末が登デバイス向けのディスプレイキャリブレータは存在しない。そこ場した。スマートデバイスは可搬性に優れるほか、アプリケーで、我々はスマートデバイス向けのディスプレイキャリブレータションによる高い拡張性と低価格という特徴を備えている。加を開発する。

2. 目的

えて、ネットワークを常時利用できるため、救急医療の分野において非常に高いポテンシャルを有している。そこで、我々はスマートデバイスを利用した救急遠隔医療システムを開発した[1]。その際、スマートデバイスを医療用に利用するにはいくつか課題があり、その課題の一つが表示の階調特性の違いである。医療用ディスプレイと汎用ディスプレイは階調特性が異なっているため、放射線画像を表示した際、その見え方に差異が発生するというものである。この問題に対処するため、スマートデバイスのディスプレイの階調特性を踏まえ、ソフトウェアスマートデバイスのディスプレイの階調特性を校正するディスプレイキャリブレータを開発する。キャリブレータを開発するにあたり、スマートデバイスの低価格という特徴を活かすため、輝度計を要さずキャリブレーションできるようにする。また、複雑な操作を要せず誰もが容易にキャリブレーション可能なシステムを開発する。

3. 処理概要

側で入力を補正する手法を開発した[2]。しかし、この手法は汎用ディスプレイが固有のγ値による階調特性に従うのに事前に測定した階調特性を利用した補正であり、液晶の経年対し、医療用のディスプレイは Grayscale Standard DisplayFunction(以下「GSDF」という)と呼ばれる階調特性に従うように2013 年 1 月 15 日受理．（2013 年 3 月 7-8 日シンポジウム「モバイル'13」にて発表）作られている[3]。GSDF は人間の視覚特性に基づいて規定された階調特性であり、人間が見たときに階調のつぶれや、飛びを最小にする自然な階調表現を実現するものである。スマモバイル学会誌 2013, vol. 3(1); pp. 21- 25

21

富富永崇之ほか:
スマートデバイ
イス向け簡易デディスプレイキャリ
リブレータの開発
発

図 2 キャリブレータ
タの画面構成ND フィルタを使用用した手法としてて、単一の ND フィルタによるるのと、可視光透過過率の異なる複複数の ND フィ
ィルタによるもののものの２つを提案する。それぞれにつついて実装し、検検討する。
図 1 擬似的に GS
SDF による出力力を得る流れ
ートデバイスののディスプレイはは一般に汎用ディスプレイと 同じく固有のγ値にによる階調特性性を持つため、そそのままでは医医療用に適した出力ができない【図図 1(a)】。そこで、本研究ではス
スマー
GSDF に準じたた画像出力をするため、ディスププレイ
トデバイスで Gの階調特性をを踏まえて、入入力をソフトウェェアで補正するる【図1(b)】。階調特特性の計測にはは一般に輝度計計を使用するが、、輝度計は高価なたため本研究ではは人間の目視視を利用する。ままた、
GSDF に準じたた階調特性にすするにはそのデディスプレイの最最高輝度が必要とな るが、こちらは 照度計で代用用する。具体的にには、の階調特性を ND
N フィルタと目目視により推定 し、加ディスプレイのえて照度計でで測定した値を用用いることで GSSDF に準じた階階調特性を決定する。そして、入力を補正する補正
正テーブルを生生成すデバイスで医用画像を出力する際は、入力をを補正る。スマートデテーブルによっって変換し出力力することで、擬擬似的に GSDF
F に準まず、システムは
まはディスプレイのの ND フィルタでで覆った領域にに出力力が最大輝度にになるような入力力を与える。このとき、その領領域のの出力輝度は ND
N フィルタによよって一定の割割合で減衰するる。
ND フィルタの可視視光透過率を t としたとき、最最大出力輝度ににする ND フィルタ
タを通した出力 輝度の割合も t となる。ここでで、対す
ユーーザは双方の領領域が同じ明るるさに見えるように輝度値可変変領域域を操作する。シ
システムは同じ
じ明るさになったたときの輝度値値可変変領域への入力力値を 0 から 1 の範囲で正規規化し、ディスププ
レイ
イの出力輝度の割合と共に、入入力対出力グララフにプロットすする。次次にディスプレレイの ND フィル
ルタで覆った領域域に先ほどプロロットしした輝度値可変変領域への入力力値を与え、同同様の作業を繰
繰り返返す。このとき、nn 回目の試行のの際の最大輝度度に対する ND
D
フィル
ルタで覆った領領域の輝度の割割合は、ND フィ
ィルタの可視光
光
透過過率を t としたとき tn となる。最後後に、システム
ムはプロットデーータにに三次スプラインン補間を適用しして階調特性を推推定する。

じた出力を再現現する。

4. 提案手法提4.1 階調特性性の推定
4.1.1 推定手手法
本研究ではは、GSDF が人人間の視覚特性性を利用しているることに注目し、階調調特性の推定にに人間の目視をを利用する。人人間の視覚特性としてて輝度の絶対的的な評価はでききないが、二つ 以上の輝度の差異異を判定することとは可能である
る。したがって、 階調特性をユーザザによる輝度の差差異の判定によよって推定するる。その際、比較対象の明るさを保保証するものが必要となるためめ、本D フィルタを利用用する。ND フィ
ィルタは可視光光を一研究では ND定の割合で遮遮断し、光量を調調節するものでである。また、低低価格という特徴を持持つ。
本研究で開開発したスマートデバイス向け
けのキャリブレーーションアプリケーシ
ションの画面構構成を【図 2】に示す。ND フィィルタ
はディスプレイイの半分を覆うよように設置する。もう一方の領領域はユーザが自由由に輝度値を変変更できる輝度値値可変領域とすする。
ユーザは ND
D フィルタで覆った領域と同じじ明るさになるよよう輝度値可変領域域を操作することとで、階調特性性を推定する。こ
ここで、

22

4.1..2 単一 ND フィルタによるフる階調特性推定
定

この手法は後述
こ述の複数の ND フィルタによるる階調特性の推推定手手法に比べコスストを抑えることがができる。しかしし、ユーザによよる入入力に誤差があった場合、そのの後の入力に影影響を及ぼすた
ため精精度が悪くなる恐恐れがある。
4.1..3 複数 ND フィルタによるフる階調特性の推推定
試行回数分だけ試
け可視光透過率率の異なる ND フィルタを用意意するる。単一 ND フィ
ィルタによる手法
法がユーザによよる輝度値可変変領域域への入力を ND
N フィルタで覆覆った領域に与与えるのに対し、複数数 ND フィルタにによる手法は、 常に ND フィル
ルタで覆った領領域にに出力が最大輝輝度になるようなな入力を与え続続ける。ユーザ
ザは試試行のたびに被被せる ND フィル
ルタを変更し、輝度値可変領領域をを操作して、シスステムの入力対対出力グラフににプロットする。
最後
後に、システムははプロットデータタに三次スプラライン補間を適適用しして階調特性を推定する。
この手法では単こタによる手法ののように、ユーザ
ザ
一 ND フィルタによよる入力の誤差が以降のプロッットに影響を与えることがないい。
しかかし、試行回数分分だけ ND フィ
ィルタを用意するる必要があるた
ため、コストが大きくななる。

vol. 3(1); pp. 21- 255 J. Mobile Intteractions 20133

モバイル学会会ることが出来ないい。そこで、階調調特性の推定定においてユーーする
ザがが作成したプロッットデータを利用用する。階調関関数を式(4.1)ととおき
き、i = 1, …, n について、0 かから１の範囲で正正規化した測定
定値(xxi, yi) (0 < xi <1, 0 < yi < 1)を与与えたとき、最もも適した a とγを推推測する。
1
最後後に、求めた近似似式より y 切片
片1(4.1))を求め、、照度計から推推定しした最大輝度値値をもとに、最低低輝度値を割合合によって求めめる。こ
これにより、GSDDF に準じた階階調特性を決定定する。
図 3 グレースケ
ケール標準表示
示関数

医用ディスプレイ医
イには多くの階階調を表現できることが求めらられる
るが、一般にスママートデバイス搭搭載されるディスプレイシステ
テに準じた階調特特性の決定
4.2 GSDF に
4.2.1 医療用用ディスプレイ
イに求められるる階調特性
医療用のデディスプレイに 求められる階調
調特性は DICCOMPart 14 においいて定義されてている[3]。DICO
OM では測定にによって平均的人間間観測者が識識別可能な最小小の輝度差を Just
Noticeable Diifference(JND、最小分別閾)ととして定義していいる。
さらに、JND のの各整数値(JNNDIndex)に対すする輝度値を G
GSDFとして【図 3】ののように定義ししている。これはは、CRT モニタ
タで表示できる最低輝輝度である 0.05cd/㎡から、X 線マンモグラフ
フィーを見る際に利用用するライトボッックスの 4,000ccd/㎡の範囲内内で人間は 1,023 のの輝度差を感じらられることを意味味する。ここで、 例として輝度の出力範囲が 0.5 cd/㎡からc
500 cd/㎡のディスプc
プレイ
最低輝度の JNDIndex は 47 であり、最高輝で輝度のA を考える。最JNDIndex は 7706 である。したたがって、ディススプレイ A を医医用利

ムはは 8bit であり、2556 階調による表表現が限界であある。そのため、求めめた GSDF に準準じた階調特性性を 256 階調に変変換しておく。
4.3 擬似的な GSDF の再現
ND
N フィルタによよって推定したたディスプレイのの階調特性と照照度計計によって求めた
た GSDF に準じじた階調特性かから補正テーブ
ブルをを作成する。具体体的には、まずず、ある入力 A に対する医療療用ととして望ましい出出力を GSDF にに準じた階調特特性より求める。
次にに、その出力がスマートデバイイスのディスプレレイにおいて実実際にになされる入力 A´を推定したた階調特性により探索する。そそしてて、入力 A を A´´に変換する。ここのような入力のの対応付けを 0からら 255 の全てのの入力値に対ししておこなう。ここ
こで作成した補補
正テ
テーブルによって入力を変換しし、ディスプレイイに入力するこことでで擬似的に GSDDF に準じた出力力を再現する。

5. 実実験

用するには【図図 3】の実線部の輝度特性を 659 階調で表表現する必要がある。
。
4.2.2 照度計
計による輝度のの推定5.1 ND フィルタにによる階調特性性の推定評価
キャリブレータを
キをスマートデバイイスで動作するるアプリケーショ
ョGSDF に準準じた階調特性性を求めるにははそのディスプレレイがンとして実装し、階階調特性を推定定できているか検検証する。スママ出力できる最低低輝度と最高輝輝度が必要であある。しかし、人人間のはートデバイスは Apple 社の iPhonne 4 を使用し、ND フィルタは視覚特性としてて輝度の絶対的的な評価が出来来ないため、輝輝度を士フイルム社の各
各種 ND フィルルタ（シートタイプ）を使用するる。
富士

客観的に評価価するものが必要要となる。一般
般に輝度の測定定にはまたた、検証にはトププコン社の輝度計使用する。なお、
計 BM-9 を使輝度計を用いいるが、輝度計はは非常に高価でであるので、本
本研究

検証
証は蛍光灯環境境下のもと実施
施、被験者は医医療従事者でななでは安価に購購入できる照度度計で代用する。ここで、輝度 は光い健
健常な一般男性性である。

源の明るさの 尺度であり、照照度は光源からら照射された光 の尺単一
単 ND フィルタ
タによって階調調特性を推定した
た結果を【図 4】
4度は光源からのの距離によってて変化するためめ、輝度である。照度に示示す。ND フィル
ルタは可視光透透過率 1/2 のものを利用し、ユユ度と照度は単単純に変換できなないが、照度計計の受光素子ににカバーザザによる輝度値可変領域の操作作を 4 回おこななった。灰色のの、外光による影影響を受けないよようにし、ディススプレーを設置して、実線線が ND フィルタで推定した階階調特性、黒のの破線が輝度計
計

イと受光素子をを密接して測定定することで、輝輝度計と同等の機機能で計計測した実際の iPhone 4 の階階調特性であるる。同様に複数数を持たせることとができる。本研研究では、輝度度計と照度計の 双方

ND フィルタによって階調特性を推推定した結果がが【図 5】である
る。の計測結果かから輝度と照度計計を対応させるる。システムはデディス

た、可視光透過率率は 2/3, 1/3, 11/10, 1/32 のもののを使用した。
またプレイに出力 が最大輝度になるような入力力を与え、そのとときの5.2 輝度値推定評
評価

ザが照度計で測測定することによより、最大輝度度を推
出力をユーザ

Phone 4 のディススプレイを照度度計と輝度計で測測定し、両者ををiP定できる。しかかし、暗い領域でではディスプレレイの出力輝度度はほ対応応付けする。照度度計はビーズ社
社の GL-08 を使使用し、輝度計計

とんど変化しなないため、照度度計の分解能ででは最低輝度をを推定はトプコン社の BM
M-9 を使用するる。照度計で測定したディスプ
プ3pp. 21- 25
5
モバイル学会誌 2013, vol. 3(1);23富富永崇之ほか:
スマートデバイ
イス向け簡易デディスプレイキャリ
リブレータの開発
発

one 4 に求めらられる階調特性
性、黒の点線が補補正を行う前ののiPho
iPho
one 4 の階調特特性、そして黒のの破線が開発ししたキャリブレー
ー
タにによって補正した
た後の iPhone 4 の階調特性でである。

6. 考考察ND
N フィルタによより比較的高精度精度に階調特性を推定することとに成成功した。精度のの面について、 今回の実験デデータでは単一一ND フィルタによるる手法でも精度度よく推定できてている。しかし、ャリブレーションの環境や被験験者によっては大大きく誤差が生
生キャじる恐れがあるためめ、今後注意深深く検証していく必要がある。
た、使用する ND
D フィルタの種類
類や、試行回数数についても同同また
図 4 単
単一 ND フィルタ
タによる階調特性の推定結果様にに検証する必要要がある。
GSDF
Gに準じたた階調特性の決決定については、GL-08 というう照度度計を使った場場合のみであるがが、ある程度のの精度で最高出出力輝輝度を推定するることが出来た。
。しかし、もっとと汎用的な手法
法で輝輝度を推定することができないいか検討する必要がある。またた、
最低低出力輝度の推推定についてはは、少量の誤差でで JNDIndex が大ききく変動してしままうため、最高出出力輝度の推定以上に精度度が要要求される。輝度度計で測定した
た iPhone 4 の最最低出力輝度にに対応応する JNDIndeex は 44 であるがが、推定結果のの JNDIndex は１と大大きな誤差がああり、最低輝度度値の推定の手手法についてははまだだ改善の余地がが残る。

図 5 複
複数 ND フィルタタによる階調特特性の推定結果
果

最後に、GSDF最の再現性についのいては補正を行行う前は医療用用として適さない階調調特性であった
たのに対し、補正正を行う事でＧＧＦに準じた出力力を高精度に再再現することに成成功した。
ＳＤＦ

7. まととめ本研究では、ス本
マートデバイススを安価かつ容容易に医用利用用可能能にするディスププレイキャリブレ
レータを開発したた。今回、開発発したたキャリブレータによって階調特特性を校正するるのにかかった
た
費用
用は、照度計が約 3,000 円、NND フィルタが一一枚約 2,000 円でああり、複数の NDD フィルタによるる手法でも 11,000 円程度であある。輝輝度計は安価なものでも数十十万円するためめ、本研究で提提案しした手法は輝度度計を使った場合合に比べコストトの面においてて図 6 補正テーーブルによる補正
正結果

大ききな優位性があある。また、操作作性についてもユーザの操作
作は「画画面を照度計でで計測する」、 「輝度値可変領領域を操作しててレイの照度を x[LUX]、輝度度計で測定したデディスプレイの輝輝度

左右右の輝度を合わわせる」の 2 点だだけで非常に簡簡易であり、キャャ

00.8458という式式に関係を表す
すことリブレーションにかかかる時間も 3 分分程度と非常にに短くすることががしたとき、を y[cd/㎡]としができた。これ
れをもとにディススプレイの最高高輝度と最低輝輝度をきた。
でき推定する。輝度度計で測定した
た iPhone 4 の最最低出力輝度と 最高今後は、本研究今究の成果を、以 前我々が開発発した遠隔医療療

出力輝度はそそれぞれ 0.41cdd/㎡、467cd/㎡㎡であったのに対対し、シスステム[1]に組みみ込み、場所を 問わず質の高高い医療を実施
施

照度計による推推定結果は 0.001cd/㎡、470.26cd/㎡となった
た。

でききるよう取り組んでいく。

5.3 GSDF のの再現性評価

また、本研究では
まは放射線画像ををＣT やＭＲＩのの画像を正確なな単一の ND フィルタによっって得られた推定定結果と、照度度計に階調調表現で表示すすることを目標ととしたが、がんななどの病巣を見見た GSDF に準じじた階調特性かから補正テーブブルをよって得られた抜くのは非常に高度な知識と経験験が要求されるる。ただ放射線線作成し、補正テテーブルによっって入力を変換換した後の階調 特性像を適切に出力力するだけでなくく、過去の患者者の放射線画像像画像を【図 6 】 に示 す 。 灰 色 の実 線 が輝 度計 に よ って求 め たと比比較によって、病病気の疑いがあある箇所を医師にわかりやすくく

24vol. 3(1); pp. 21- 255 J. Mobile Intteractions 20133

モバイル学会
会って使いやすいいシステムの開 発に提示するなど、より医師にとっまたた現在は、セキュュリティを考慮しした DICOM 画像閲覧システ
画
テく。
取り組んでいくムおおよび脳卒中患患者の遠隔診断
断補助システムのの開発を行い、

参
参考文献
[1]

富永, 木木暮, 津村, 山本,
山乃万: スマートデバイス
スを利用した 救急遠隔医療療システム, 日本
本遠隔医療学 会雑誌, 第 8 巻, 第 2 号, pp. 112-115 (22012).

[2]

富永, 木暮, 津村, 山本,
山乃万: 遠隔医療システ
遠テムにおける携
携帯端末上での DICOM 画像の階調補正
画正, 日
本遠隔隔医療学会雑誌誌, 第 7 巻, 第 2 号, pp. 2244-227(2011).

[3]

NEMA
A: Digital Im
maging and Communication
Cns inMediciine Part 14:Graayscale Standard
d Display Funcction,<http:///medical.nema.org/Dicom/2011/11_14pu.pdf>
f>,(2012/112/01 アクセス)).

著者紹介
富永 崇之（学生会員）
2013 九州工業大学大九大学院情報工学学府
情報創創成工学専攻博博士前期課程修修了、修士（（情報工学）。ス
スマートデバイ スの医用活活用の研究に従従事。

TRIIART の医療分分野への進出をを図っている。

山本 邦雄
雄（非会員）
2003 九州工工業大学大学院
院情報工学研究科情報科科学専攻博士後後期課程単位取得退学。 2003 九州工業業大学へ教務職員として着着任、2007 九州工業大学の助教となり現現在に至る。主に、コンピュー
タグラフィッックスにおける人人体アニメーションややユーザインタ
タフェイスの研究究に従事。

乃万 司（非非会員）
1989 東京大大学大学院理学学系研究科情報科学専攻博博士課程修了
了、理学博士。
1990 九州工工業大学情報工工学部知能情報工学科助教教授として着任
任、2002 同学科教授、20088 同大学大学院情報工学研
究院知能情報報工学研究系教授、現在に至る
る。主に、コンピピュータグラフィィックス、ヒューマ
マンインタフェーススの研究に従事事。ACM、IEEE 等の会員。

木暮 祐一（正会員））
1990 杏林大学保健健学部卒。20077 徳学大学院工学研研究科博士後期
島大学期課
程修了
了、博士（工学）。1992 株式会
会社
法研（雑雑誌編集者、厚厚生省厚生日 比谷
クラブ ・労働省労政 記者クラブ所属
属記社アスキー（アススキー者）、22000 株式会社
集長）、 2003 戸板女子短期大学国際コミュュニケ『携帯 24』編集ーション学科非非常勤講師、22009 武蔵野学
学院大学国際ココミュニケーション学学部准教授、20013 青森公立大大学経営経済 学部准教授。

津村 忠助
忠 （正会員）2002 年九州工業大学
年
学大学院情報 工学研究科科情報科学専攻
攻博士前期過程程修
了 後 、 株 式 会 社 ケイ ・ ラ ボ ラ ト リ ー （ 現株就職。2005 年にに有限KLab 株式会社）に就
会社 TRIART に移り、、CIO として新新規技発と経営に携わるる。TRIART ででは日術開発Flash 携帯サイト
ト構築 CMS「MOSE」やマルチチプラ
本初の動的 Fットフォームでで動作するアプリリシステム「XCOOA」の開発を行行う。

3
pp. 21- 25
5
モバイル学会誌 2013, vol. 3(1);25