JP6768475B2 - 映像信号変換装置およびそのプログラム、ならびに、映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、高ダイナミックレンジ映像方式で映像を表示するための映像信号変換装置およびそのプログラム、ならびに、映像表示装置に関する。

従来のダイナミックレンジ（ＳＤＲ：Standard Dynamic Range）の映像表示装置は、カメラで撮影された暗部から明部にわたる情報を、制作意図に応じて当該映像表示装置が表現可能な狭いレンジに収めている。具体的には、ＨＤＴＶ（High-definition television）における輝度のダイナミックレンジは、大凡０．１〜１００ｃｄ／ｍ^２（カンデラ毎平方メートル）の１０^３である。
これに対し、高ダイナミックレンジテレビ（ＨＤＲ−ＴＶ：High Dynamic Range Television）の映像表示装置は、近年、最大輝度が１０００ｃｄ／ｍ^２以上で黒レベルが１０^−３ｃｄ／ｍ^２以下のものが開発されている（非特許文献１参照）。
これによって、ＨＤＲ−ＴＶは、表現可能な明暗の範囲が拡大され、従来のＳＤＲにおける高輝度部の白飛び等の発生をなくすことができる。

なお、ＳＤＲのＨＤＴＶ用表示装置については、国際電気通信連合無線通信部門（ＩＴＵ−Ｒ）の勧告ＢＴ．１８８６で、ＨＤＴＶの番組制作時に映像を評価するための基準となる映像表示装置が備えるべき基準ＥＯＴＦ（Electro-Optical Transfer Function）が規定されている。このＥＯＴＦは、再現される映像の階調特性を決定する電気−光伝達関数である（非特許文献２参照）。

一方、ＨＤＲ−ＴＶ用表示装置については、ＩＴＵ−Ｒの勧告ＢＴ．２１００で、基準ＥＯＴＦが定められている（非特許文献３参照）。
この勧告ＢＴ．２１００には、従来のテレビ方式と互換性のあるＨＤＲの映像方式として、日本放送協会（ＮＨＫ）と英国放送協会（ＢＢＣ）とが共同で開発したＨＬＧ（Hybrid Log-Gamma：ハイブリッド・ログ・ガンマ）方式が、その方式の１つとして規定されている。

ここで、図７を参照して、ＨＤＲ−ＴＶの伝達関数について簡単に説明しておく。
勧告ＢＴ．２１００では、伝達関数として、光−電気伝達関数（ＯＥＴＦ：Opto-Electronic Transfer Function）、電気−光伝達関数（ＥＯＴＦ：Electro-Optical Transfer Function）、光−光伝達関数（ＯＯＴＦ：Opto-Optical Transfer Function）を規定している。

図７（ａ）に示すように、ＯＯＴＦは、現実のシーン光の明暗の階調を表示光の明暗の階調に変換するものである。このＯＯＴＦの変換特性は、必ずしもリニア（線形）な関係ではなく、観視環境に応じた調整を含んでいる。
図７（ｂ），（ｃ）に示すように、ＯＥＴＦは、現実のシーン光の明暗の階調を映像信号に変換するものである。このＯＥＴＦは、撮像装置（カメラ）Ｃ内での処理に相当する。また、ＥＯＴＦは、映像信号を光の明暗の階調に変換するものである。このＥＯＴＦは、映像表示装置Ｄ内での処理に相当する。

図７（ｂ），（ｃ）の違いは、ＯＯＴＦを撮像装置Ｃが持つか、映像表示装置Ｄが持つかによる違いである。
図７（ｂ）のシステムは、撮像装置Ｃ_１でシーン光をＯＥＴＦにより映像信号に変換する。そして、映像表示装置Ｄ_１が、ＥＯＴＦにより映像信号を表示光に変換する。この場合、ＥＯＴＦは、ＯＥＴＦの逆変換（Inverse ＯＥＴＦ：ＯＥＴＦ^−１）とＯＯＴＦとで実現される。ＨＤＲ−ＴＶでは、このモデルに基づく方式をＨＬＧ方式として規定している。

図７（ｃ）のシステムは、撮像装置Ｃ_２でシーン光をＯＥＴＦにより映像信号に変換する。そして、映像表示装置Ｄ_２が、ＥＯＴＦにより映像信号を表示光に変換する。この場合、ＯＥＴＦは、ＯＯＴＦと、ＥＯＴＦの逆変換（Inverse ＥＯＴＦ：ＥＯＴＦ^−１）とで実現される。ＨＤＲ−ＴＶでは、このモデルに基づく方式をＰＱ（Perceptual Quantization）方式として規定している。

ここで、本発明に関係する方式として、図７（ｂ）に示したＨＬＧ方式について説明する。
ＨＬＧ方式は、ＯＥＴＦとして、シーン光に比例した信号に対する映像信号Ｅ′を以下の式（１）と規定している。なお、非特許文献３ではシーン輝度Ｅを［０：１２］で正規化しているが、ここでは「０：１」で正規化した式を用いて説明する。ＯＥＴＦ_Ｌは、低輝度部（暗部から中間）の光−電気伝達関数、ＯＥＴＦ_Ｈは、高輝度部（中間から明部）の光−電気伝達関数を示す。

ここで、Ｌｎ（ｘ）はｘの自然対数を示し、ａ＝０．１７８８３２７７、ｂ＝０．２８４６６８９２、ｃ＝０．５５９９１０７３である。

ＨＬＧ方式のＯＥＴＦは、図８に示すように、黒（映像信号レベルＥ′＝０）から映像信号レベルＥ′＝１／２までの範囲でＳＤＲのガンマ特性と同等の平方根特性となり、映像信号レベルＥ′＝１／２からピーク白（映像信号レベルＥ′＝１）までの範囲で対数特性となるように変換する。
そして、ＨＬＧ方式のＥＯＴＦは、図７（ｂ）に示したように、映像表示装置Ｄ_１において、以下の式（２）に示すＯＥＴＦの逆変換（ＯＥＴＦ^−１）と、式（３）に示すＯＯＴＦによって、映像信号Ｅ′を表示光（輝度Ｌ）に変換する。

ここで、Ｌ_Ｗは映像表示装置Ｄ_１のピーク輝度、γはシーン光と表示光との間の非線形性の程度を示すシステムガンマである。
なお、前記式（２）は、前記式（１）より、以下の式（４）となる。

そして、前記式（３）は、前記式（４）より、以下の式（５）となる。

久富等，"放送機器展ＩＢＣ２０１５"，ＩＴＵジャーナル，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１，ｐｐ．４１−４５（２０１６．１） "Reference electro-optical transfer function for flat panel displays used in HDTV studio production"，Recommendation ITU-R BT.1886，03/2011 "Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange"，Recommendation ITU-R BT.2100-0，07/2016

前記したように、ＳＤＲ用表示装置のピーク輝度は、約１００ｃｄ／ｍ^２であるのに対し、ＨＤＲ−ＴＶ用表示装置のピーク輝度は、１０００ｃｄ／ｍ^２以上となっている。そのため、ＨＤＲの映像表示装置は、従来の映像表示装置の１０倍以上のピーク輝度が想定されることに加え、表示装置に用いられる技術や性能に応じてピーク輝度のバリエーションが増えると考えられる。

このような状況において、ＳＤＲの映像との整合性を考慮してＨＤＲの映像制作を行おうとすると、暗部から中間までの輝度についてはＳＤＲと同程度の輝度とし、中間から明部の輝度についてはＳＤＲとは異なるＨＤＲに相応しい表現とすることが考えられる。このとき、表示装置のピーク輝度によらずに所定のＥＯＴＦを映像表示装置に実装すると、暗部から中間の輝度も表示装置によって異なることとなり、映像制作を行う際に輝度の一貫性を保つことができないという問題がある。

例えば、表示装置のピーク輝度Ｌ_Ｗ＝２０００ｃｄ／ｍ^２、システムガンマγ＝１．２の場合、前記式（２）〜式（５）により、映像信号Ｅ′と表示輝度Ｌとの関係は、図９の実線で表される。この場合、映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度は１００ｃｄ／ｍ^２となる。図９（ｂ）は、図９（ａ）の縦軸を対数目盛としたものである。
また、例えば、表示装置のピーク輝度Ｌ_Ｗ＝１０００ｃｄ／ｍ^２、システムガンマγ＝１．２の場合、前記式（２）〜式（５）により、映像信号Ｅ′と表示輝度Ｌとの関係は、図９の一点鎖線で表される。この場合、映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度は５０ｃｄ／ｍ^２となる。

すなわち、ピーク輝度が２０００ｃｄ／ｍ^２の映像表示装置では、映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度は１００ｃｄ／ｍ^２となり、ＳＤＲのピーク輝度と一致する。しかし、ピーク輝度が１０００ｃｄ／ｍ^２の映像表示装置では、映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度は５０ｃｄ／ｍ^２となり、ＳＤＲの映像表示装置よりも暗く表示されることになる。

そのため、映像制作者は、ピーク輝度が１０００ｃｄ／ｍ^２の映像表示装置によって映像を評価して映像を制作すると、映像信号レベルを高くした、より明るい映像を制作してしまう。これは、本来、ＨＤＲの映像として表現したい明部の輝度範囲を狭くしてしまうことになり、ＳＤＲの映像との差が小さいものとなってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ＨＬＧ方式の映像信号を、表示装置のピーク輝度に応じた映像信号に変換する映像信号変換装置およびそのプログラム、ならびに、映像表示装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る映像信号変換装置は、映像信号レベルの中央（Ｅ′＝１／２）を境にした低輝度部と高輝度部とで特性の異なるＨＬＧ方式の映像信号を、表示装置に表示する表示光の強度に比例した信号に変換する映像信号変換装置であって、高輝度部特性変換パラメータ演算手段と、信号レベル判定手段と、低輝度部特性変換手段と、高輝度部特性変換手段と、を備える構成とした。

かかる構成において、映像信号変換装置は、高輝度部特性変換パラメータ演算手段によって、特定の条件のもとで、高輝度部の表示特性を示す第２伝達関数を特定するパラメータを算出する。
ここで、特定の条件は、条件１として、映像信号の中央レベルにおいて、低輝度部の表示特性を示す第１伝達関数により求められる輝度と、高輝度部の表示特性を示す第２伝達関数により求められる輝度とが設定された基準輝度と一致すること、条件２として、映像信号の中央レベルにおいて、それぞれの伝達関数の傾きが一致すること、条件３として、映像信号の最大レベルの輝度が表示装置のピーク輝度に一致することである。

そして、映像信号変換装置は、信号レベル判定手段によって、映像信号の信号レベルが中央レベル以下であるか否かを判定する。
そして、映像信号変換装置は、信号レベルが中央レベル以下と判定された映像信号に対して、低輝度特性変換手段によって、第１伝達関数により変換を行う。
また、映像信号変換装置は、信号レベルが中央レベルよりも大きいと判定された映像信号に対して、高輝度部特性変換手段によって、高輝度部特性変換パラメータ演算手段で算出されたパラメータで特定される第２伝達関数により変換を行う。

このとき、条件１と条件２とによって、それぞれの伝達関数の変換値が映像信号の中央レベルにおいて滑らかに変化することになり、映像信号変換装置は、映像表示の違和感を無くすことができる。
さらに、条件３によって、映像信号を、表示装置のピーク輝度まで表示することができ、映像信号変換装置は、表示装置の性能を最大限に活かすことができる。
なお、映像信号変換装置は、コンピュータを、前記した各手段として機能させるための映像信号変換プログラムで動作させることができる。

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明によれば、ＨＤＲ用表示装置のピーク輝度に依存せずに、ＨＤＲの映像信号の主要部分の輝度レベルを基準輝度に合わせて表示することができるとともに、映像信号の最大輝度を表示装置のピーク輝度に合わせて表示することができる。
これによって、本発明は、表示装置の輝度性能を最大限に活かして、映像制作者が意図する輝度表現を再現することができる。

ＨＬＧ方式の撮像装置が映像信号を生成する処理内容を模式的に示す模式図である。 本発明の実施形態に係る映像表示装置の処理内容を模式的に示す模式図である。 本発明の実施形態に係る映像表示装置（映像信号変換装置を含む）の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る映像表示装置におけるＨＤＲ映像の映像信号レベル（横軸）と表示輝度（縦軸）との関係を示すグラフで、（ｂ）は（ａ）の縦軸を対数目盛りとしたものである。 本発明の実施形態に係る映像表示装置の動作（パラメータ特定動作）を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る映像表示装置の動作（映像表示動作）を示すフローチャートである。 ＨＤＲ−ＴＶで規定されている伝達関数を説明するための図であって、（ａ）は光−光伝達関数（ＯＯＴＦ）の説明図、（ｂ）はＯＯＴＦを映像表示装置内に実装するシステムの説明図、（ｃ）はＯＯＴＦを撮像装置内に実装するシステムの説明図である。 ＨＬＧ方式におけるシーン輝度（横軸）と映像信号レベル（縦軸）との関係を示すグラフである。 従来のＨＤＲ映像の映像信号レベル（横軸）と表示輝度（縦軸）との関係を示すグラフで、（ｂ）は（ａ）の縦軸を対数目盛りとしたものである。

以下、本発明の実施形態に係る映像表示装置について、その特徴となる表示特性について説明した後、映像表示装置の構成および動作について順次説明する。

≪映像表示装置の表示特性≫
＜撮像装置の概要＞
まず、映像表示装置の入力信号となる映像信号を特定するため、当該映像信号を生成する撮像装置の概要について説明する。
図１は、ＨＬＧ方式の撮像装置Ｃ_１（図７（ｂ）のＣ_１相当）が映像信号を生成する処理内容を模式的に示したものである。

図１に示すように、撮像装置Ｃ_１は、撮像素子等の受光手段によって、光の三原色で表されるシーン光｛Ｒ，Ｇ，Ｂ｝をシーン光の強度に比例した電気信号｛Ｅ_Ｒ，Ｅ_Ｇ，Ｅ_Ｂ｝に変換する。
そして、シーン光に比例した信号であるそれぞれの色信号Ｅｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）（［０：１］で正規化））が０≦Ｅｘ≦１／１２の範囲であれば、撮像装置Ｃ_１は、以下の式（６）第一式の演算を行うことで映像信号｛Ｅ_Ｒ′，Ｅ_Ｇ′，Ｅ_Ｂ′｝を生成する。

一方、色信号Ｅｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）（［０：１］で正規化））が１／１２＜Ｅｘ≦１の範囲であれば、撮像装置Ｃ_１は、以下の式（６）第二式の演算を行うことで映像信号｛Ｅ_Ｒ′，Ｅ_Ｇ′，Ｅ_Ｂ′｝を生成する。なお、ＯＥＴＦ_Ｌは、低輝度部（暗部から中間の輝度）の光−電気伝達関数、ＯＥＴＦ_Ｈは、高輝度部（中間から明部の輝度）の光−電気伝達関数を示す。また、Ｌｎ（ｘ）はｘの自然対数を示し、ａ，ｂ，ｃは、前記式（１）と同じ値である。

これによって、撮像装置Ｃ_１は、図８に示すような、映像信号の所定の信号レベル（Ｅ′＝１／２）を境に、“０”〜“１／２”の映像信号レベルではガンマ特性と同等の平方根特性、“１／２”〜“１”の映像信号レベルでは対数特性を持ったＨＤＲの映像信号を生成することができる。

＜映像表示装置の概要＞
図２は、ＨＬＧ方式の撮像装置Ｃ_１（図１）で撮像されたカラーの映像信号を表示光として表示する本発明の実施形態に係る映像表示装置１の処理内容を模式的に示したものである。
図２に示すように、映像表示装置１は、所定の信号レベル以下の映像信号に対して二乗特性変換とシステムガンマ特性変換、所定の信号レベルよりも大きい映像信号に対して指数特性変換とシステムガンマ特性変換を行うものである。
ここでは、映像表示装置１は、映像信号｛Ｅ_Ｒ′，Ｅ_Ｇ′，Ｅ_Ｂ′｝のそれぞれの色信号Ｅ′_Ｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）（［０：１］で正規化）が０≦Ｅｘ′≦１／２の範囲であれば、二乗特性変換とシステムガンマ特性変換として、以下の式（７）第一式の演算を行うことで、輝度Ｌの表示光｛Ｒ_Ｄ，Ｇ_Ｄ，Ｂ_Ｄ｝を発光させる。
一方、色信号Ｅ′_Ｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）（［０：１］で正規化）が１／２＜Ｅｘ′≦１の範囲であれば、指数特性変換とシステムガンマ特性変換として、以下の式（７）第二式の演算を行い、輝度Ｌの表示光｛Ｒ_Ｄ，Ｇ_Ｄ，Ｂ_Ｄ｝を発光させる。

ここで、Ｌ_ＲＥＦは映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度、γはシステムガンマである。また、ｕ，ｖ，ｗは、映像信号レベルＥ′＝１／２以下の特性とＥ′＝１／２以上の特性とを予め定めた条件を満たすように定めたパラメータである。
以下、前記式（７）で表される表示特性について説明する。

＜表示特性＞
映像表示装置の表示特性は、例えば、図９で示した表示装置のピーク輝度が異なる場合でも、映像信号レベルＥ′＝１／２以下の輝度は同じ（図９の場合、映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度は１００ｃｄ／ｍ^２）であることが望ましい。これによって、表示装置の輝度性能によらず、映像の主要部分の再現特性の一貫性を保つことができる。
また、映像信号レベルＥ′＝１／２以上の表示特性は、表示装置のピーク輝度に応じた特性であることが望ましい。これによって、表示装置の性能を活かすことができる。
以下、この表示特性を満たす前記式（７）の特定手法について説明する。
前記式（５）を、未定のパラメータｕ，ｖ，ｗを用いて書き換えると、以下の式（８）となる。

ここで、Ｌ_Ｗ０は映像信号レベルがＥ′＝１／２のときにＬ＝Ｌ_ＲＥＦとなる輝度で、γはシステムガンマであり、Ｌ_Ｗ０（１／１２）^γ＝Ｌ_ＲＥＦである。
この式（８）において、映像信号レベルＥ′＝１／２以下の特性とＥ′＝１／２以上の特性が連続するためには、以下の３つの条件を満たす必要がある。

（条件１）
映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度は、指定された特定の輝度Ｌ_ＲＥＦ（ｃｄ／ｍ^２）とすること。
（条件２）
映像信号レベルＥ′＝１／２以下の表示特性を示す関数（式（８）の第一式）と、映像信号レベルＥ′＝１／２以上の表示特性を示す関数（式（８）の第二式）とで、映像信号レベルＥ′＝１／２の傾きが一致すること。
（条件３）
映像信号Ｅ′のレベルＥ′＝１の輝度は、表示装置のピーク輝度Ｌ_Ｗ（ｃｄ／ｍ^２）と一致すること。

条件１から、式（８）の両式にＥ′＝１／２を代入すると、以下の式（９）となる。

このとき、前記式（８）は、以下の式（１０）となる。

また、前記式（９）から、ｅｘｐ（（１／２−ｗ）／ｕ）＋ｖ＝１が導かれ、以下の式（１１）を導き出すことができる。なお、Ｌｎ（ｘ）はｘの自然対数を示す。

また、条件２から、式（８）の両式をそれぞれＥ′で微分することによって得られるＥ′＝１／２における傾きにより、以下の式（１２）が導かれる。

そして、式（１１）と式（１２）とから、以下の式（１３）を導き出すことができる。

また、条件３から、式（８）第二式にＥ′＝１を代入すると、以下の式（１４）が成り立つ。

そして、式（９）と式（１４）とから、以下の式（１５）が成り立つ。

そして、この式（１５）から、以下の式（１６）を導き出すことができる。

このように、条件１〜３で導き出された式（１１）、式（１３）および式（１６）の連立方程式は、システムガンマγ、映像信号レベルＥ′＝１／２の基準輝度Ｌ_ＲＥＦ、表示装置の最大輝度（ピーク輝度）Ｌ_Ｗを与えて解くことができる。
例えば、γ＝１．２、Ｌ_ＲＥＦ＝１００（ｃｄ／ｍ^２）、Ｌ_Ｗ＝１０００（ｃｄ／ｍ^２）の場合、ｕ＝０．３０４１４１、ｖ＝１−４ｕ＝−０．２１６５６４、ｗ＝１／２−Ｌｎ［（４ｕ）^ｕ］＝０．４４０３７９となる。

この場合、映像信号Ｅ′と表示輝度Ｌとの関係は、図４の破線で表される。図４（ｂ）は、図４（ａ）の縦軸を対数目盛としたものである。なお、図４の実線は、Ｌ_Ｗ＝２０００（ｃｄ／ｍ^２）としたときの特性である。
図４に示すように、映像表示装置１の表示特性は、表示装置のピーク輝度が２０００ｃｄ／ｍ^２の場合（図４中、実線）でも、１０００ｃｄ／ｍ^２の場合（図４中、破線）でも、映像信号レベルＥ′＝１／２以下の特性は変わらず、Ｅ′＝１／２の表示輝度は、１００ｃｄ／ｍ^２となる。
このように、映像表示装置１は、表示装置のピーク輝度に関わらず、ＨＤＲの映像信号における５０％以下の特性を一定にできる。

≪映像表示装置の構成≫
次に、図３を参照して、前記した表示特性を実現する本発明の実施形態に係る映像表示装置１の構成について説明する。
図３に示すように、映像表示装置１は、映像信号変換部（映像信号変換装置）１０と、表示部（表示装置）２０と、を備える。

映像信号変換部１０は、ＨＬＧ方式の映像信号を、表示部２０のピーク輝度に応じた映像信号に変換するものである。
ここで、映像信号変換部１０は、輝度・システムガンマ設定手段１１と、高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２と、システム定数記憶手段１３と、信号レベル判定手段１４と、特性変換手段１５と、を備える。

輝度・システムガンマ設定手段１１は、特性変換を特定するための輝度として、映像信号の中央レベルの輝度（映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度：基準輝度）と、表示部２０のピーク輝度と、システムガンマとを設定するものである。この輝度・システムガンマ設定手段１１は、操作者からの指示により、輝度（基準輝度Ｌ_ＲＥＦ、ピーク輝度Ｌ_Ｗ）とシステムガンマγとを設定するもので、例えば、表示部２０を介して設定画面を表示して、リモコン装置等によって輝度を設定するものであってもよいし、物理的なツマミ等によって輝度やシステムガンマを設定するものであってもよい。

この輝度・システムガンマ設定手段１１は、設定された基準輝度Ｌ_ＲＥＦ、ピーク輝度Ｌ_Ｗおよびシステムガンマγを、システム定数記憶手段１３に書き込み記憶するとともに、高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２に高輝度部特性変換パラメータの演算を指示する。

高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２は、映像信号レベルＥ′＝１／２以上の映像信号を、映像表示装置１の表示部２０のピーク輝度以内に収めるように変換するパラメータを演算するものである。
具体的には、高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２は、以下の式（１７）〜式（１９）の連立方程式を解くことで、パラメータｕ，ｖ，ｗを求める。

この式（１７）〜式（１９）は、前記式（１１），式（１３），式（１６）と同じものである。
ここで、基準輝度（映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度）Ｌ_ＲＥＦ、表示装置のピーク輝度（表示部２０の最大輝度）Ｌ_Ｗおよびシステムガンマγは、輝度・システムガンマ設定手段１１で設定される値である。
なお、高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２は、この連立方程式を一般的な数式処理ソフトウェア（例えば、ＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡ（登録商標）等）で解くことができる。
このパラメータｕ，ｖ，ｗによって、式（７）第二式および式（１０）第二式に示した伝達関数を特定することができる。
高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２は、求めたパラメータｕ，ｖ，ｗをシステム定数記憶手段１３に書き込み記憶する。

システム定数記憶手段１３は、映像信号変換部１０内で使用するシステム定数を記憶するもので、半導体メモリ等の一般的な記憶装置である。
このシステム定数記憶手段１３には、基準輝度Ｌ_ＲＥＦ、ピーク輝度Ｌ_Ｗ、システムガンマγおよび高輝度部特性伝達関数のパラメータｕ，ｖ，ｗがシステム定数として書き込まれる。

信号レベル判定手段１４は、映像信号を入力し、その映像信号のレベルを判定するものである。この映像信号は、撮像装置Ｃ_１（図１参照）で撮像された、信号レベルが“０”〜“１／２”で平方根特性、信号レベルが“１／２”〜“１”で対数特性を持ったＨＤＲの映像信号（ここでは、ＲＧＢのカラー映像信号）である。
この信号レベル判定手段１４は、各画素のＲＧＢの色ごとに、映像信号レベルが１／２以下であるか否かを判定する。そして、信号レベル判定手段１４は、映像信号レベルが１／２以下の信号については、当該信号を特性変換手段１５の低輝度部特性変換手段１５１に出力する。また、信号レベル判定手段１４は、映像信号レベルが１／２よりも大きい信号については、当該信号を特性変換手段１５の高輝度部特性変換手段１５２に出力する。

特性変換手段１５は、画素ごとに映像信号の特性を変換するものである。
ここで、特性変換手段１５は、低輝度部特性変換手段１５１と、高輝度部特性変換手段１５２と、を備える。

低輝度部特性変換手段１５１は、信号レベル判定手段１４で映像信号レベルが１／２以下であると判定された信号に対して、二乗特性変換とシステムガンマ変換を行うものである。すなわち、低輝度部特性変換手段１５１は、以下の式（２０）に示す関数（第１伝達関数）により、撮像装置Ｃ_１（図１参照）の平方根特性変換に対して逆変換とシステムガンマ変換を行うことで、信号レベルＥ′から表示光の強度に比例した信号レベルＥ_Ｄを算出する。

ここで、αはコントラスト調整、βはブライトネス調整であって、適宜外部から設定可能な値である。なお、コントラスト調整、ブライトネス調整を行わない場合、α＝１，β＝０とすればよい。
具体的には、低輝度部特性変換手段１５１は、０以上１以下の範囲で正規化された映像信号｛Ｅ_Ｒ′，Ｅ_Ｇ′，Ｅ_Ｂ′｝のそれぞれの色信号をＥ′_Ｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）としたとき、画素のＲＧＢごとに、以下の式（２１）の変換を行うことで、表示光の強度に比例した信号｛Ｅ_ＤＲ，Ｅ_ＤＧ，Ｅ_ＤＢ｝を生成する。

なお、ＲＧＢの色ごとで輝度に寄与する割合が異なる。すなわち、Ｒの輝度寄与率をＣ_Ｒ（例えば、０．２６２７），Ｇの輝度寄与率をＣ_Ｇ（例えば、０．６７８０）、Ｂの輝度寄与率をＣ_Ｂ（例えば、０．０５９３）としたとき、表示輝度Ｙ_Ｄは、以下の式（２２）に示すように、ＲＧＢの輝度寄与率に応じた加重和となる。

そこで、低輝度部特性変換手段１５１は、前記式（２１）により求めた値に、色ごとの輝度寄与率を乗算して、色ごとの信号とする。
この低輝度部特性変換手段１５１は、変換した信号を表示部２０に出力する。

高輝度部特性変換手段１５２は、信号レベル判定手段１４で映像信号レベルが１／２よりも大きいと判定された信号に対して、指数特性変換とシステムガンマ変換を行うものである。すなわち、高輝度部特性変換手段１５２は、以下の式（２３）に示す関数（第２伝達関数）により、撮像装置Ｃ_１（図１参照）の対数変換に対して逆変換とシステムガンマ変換を行うことで、信号レベルＥ′から表示光の強度に比例した信号レベルＥ_Ｄを算出する。

ここで、αはコントラスト調整、βはブライトネス調整、ｕ，ｖ，ｗはシステム定数記憶手段１３に記憶されているパラメータ値である。なお、コントラスト調整、ブライトネス調整を行わない場合、α＝１，β＝０とすればよい。
具体的には、高輝度部特性変換手段１５２は、０以上１以下の範囲で正規化された映像信号｛Ｅ_Ｒ′，Ｅ_Ｇ′，Ｅ_Ｂ′｝のそれぞれの色信号をＥ′_Ｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対して、画素のＲＧＢごとに、以下の式（２４）の変換を行うことで、表示光の強度に比例した信号｛Ｅ_ＤＲ，Ｅ_ＤＧ，Ｅ_ＤＢ｝を生成する。

なお、高輝度部特性変換手段１５２は、前記式（２４）により求めた値に、低輝度部特性変換手段１５１と同様に、色ごとの輝度寄与率を乗算して、色ごとの信号とする。
この高輝度部特性変換手段１５２は、変換した信号を表示部２０に出力する。

以上説明した特性変換手段１５では、システムガンマをＲＧＢ各色に適用することとした。しかし、システムガンマを輝度成分のみに適用することとしてもよい。
その場合、低輝度部特性変換手段１５１は、信号レベルＥ′_Ｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）からシーン光の強度に比例した信号レベルＥ_Ｘを以下の式（２５）により算出する。

そして、低輝度部特性変換手段１５１は、シーン輝度Ｙを以下の式（２６）に示すようにＲＧＢの輝度寄与率に応じて加重和演算し、表示光の強度に比例した信号｛Ｅ_ＤＲ，Ｅ_ＤＧ，Ｅ_ＤＢ｝を、以下の式（２７）により生成すればよい。

ここで、αはコントラスト調整、βはブライトネス調整である。なお、コントラスト調整、ブライトネス調整を行わない場合、α＝１，β＝０とすればよい。
また、システムガンマを輝度成分のみに適用する場合、高輝度部特性変換手段１５２は、信号レベルＥ′_Ｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）からシーン光の強度に比例した信号レベルＥ_Ｘを、パラメータｕ，ｖ，ｗを用いて以下の式（２８）により算出する。

そして、高輝度部特性変換手段１５２は、低輝度部特性変換手段１５１と同様に、前記式（２６），式（２７）により、表示光の強度に比例した信号｛Ｅ_ＤＲ，Ｅ_ＤＧ，Ｅ_ＤＢ｝を生成すればよい。

なお、映像信号変換部１０は、図示を省略したコンピュータを、輝度・システムガンマ設定手段１１、高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２、信号レベル判定手段１４、特性変換手段１５として機能させるための映像信号変換プログラムで動作させることができる。

表示部２０は、特性変換手段１５で得られた表示光の強度に比例した信号を、前記式（７）および前記式（１０）で示される表示光として出力するものである。この表示部２０は、カラーの映像信号を表示光として表示する一般的な表示手段であって、例えば、液晶ディスプレイ等である。
この表示部２０によって、映像表示装置１は、映像信号を映像として観察者に視認させることができる。

以上説明したように映像表示装置１を構成することで、映像表示装置１は、表示部２０のピーク輝度に関わらず、ＨＤＲの映像信号レベルＥ′＝１／２以下の表示輝度を一定の特性に合わせることができる。これによって、映像表示装置１は、映像制作者が意図する映像を再現することができる。

≪映像表示装置の動作≫
次に、映像表示装置１の動作について説明する。ここでは、映像表示の前に行う映像表示装置１における高輝度部特性変換のパラメータを特定する動作（パラメータ特定動作）と、映像信号を表示する動作（映像表示動作）とに分けて説明する。

＜パラメータ特定動作＞
最初に、図５を参照（構成については適宜図３参照）して、パラメータ特定動作について説明する。
図５に示すように、映像表示装置１は、映像信号変換部１０の輝度・システムガンマ設定手段１１によって、操作者からの指示により、基準輝度（映像信号レベルＥ′＝１／２の輝度）、表示装置のピーク輝度（表示部２０の最大輝度）およびシステムガンマを設定する（ステップＳ１）。

そして、映像表示装置１は、高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２によって、ステップＳ１で設定された基準輝度Ｌ_ＲＥＦ、ピーク輝度Ｌ_Ｗおよびシステムガンマγにより、前記式（１７）〜式（１９）の連立方程式を解くことで、高輝度部の特性変換を行う伝達関数のパラメータｕ，ｖ，ｗを算出する（ステップＳ２）。

そして、映像表示装置１は、高輝度部特性変換パラメータ演算手段１２によって、算出したパラメータをシステム定数記憶手段１３に書き込み記憶する（ステップＳ３）。
以上の動作によって、映像表示装置１は、映像信号に高輝度部特性変換を行うために用いる伝達関数のパラメータｕ，ｖ，ｗを、予めシステム定数記憶手段１３に記憶する。

＜映像表示動作＞
次に、図６を参照（構成については適宜図３参照）して、映像表示動作について説明する。
図６に示すように、映像表示装置１は、外部から映像信号を入力する（ステップＳ１０）。
そして、映像表示装置１は、信号レベル判定手段１４によって、ステップＳ１０で入力された映像信号の信号レベルを各画素のＲＧＢごとに、その映像信号レベルが１／２以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。

ここで、映像信号レベルが１／２以下である場合（ステップＳ１１でＹｅｓ）、映像表示装置１は、特性変換手段１５の低輝度部特性変換手段１５１によって、前記式（２０）により、映像信号に対して、低輝度部特性変換を行う（ステップＳ１２）。

一方、映像信号レベルが１／２よりも大きい場合（ステップＳ１１でＮｏ）、映像表示装置１は、特性変換手段１５の高輝度部特性変換手段１５２によって、システム定数記憶手段１３に記憶されているパラメータｕ，ｖ，ｗの値を用いて、前記式（２３）により、映像信号に対して、高輝度部特性変換を行う（ステップＳ１３）。なお、ステップＳ１２，Ｓ１３において、特性変換手段１５は、色ごとの輝度寄与率を乗算して、色ごとの映像信号を生成することとする。
そして、映像表示装置１は、表示部２０によって、ステップＳ１２またはステップＳ１３で変換された映像信号を表示光として出力する（ステップＳ１４）。

なお、ここでは、システムガンマをＲＧＢ各色に適用する例で説明したが、システムガンマを輝度成分のみに適用することとしてもよい。その場合、映像表示装置１は、ステップＳ１２において、低輝度部特性変換手段１５１によって、前記式（２５）および式（２６）により、シーン光の強度に比例した信号レベルおよびシーン輝度を算出し、前記式（２７）の演算を行えばよい。
また、システムガンマを輝度成分のみに適用する場合、映像表示装置１は、ステップＳ１３において、高輝度部特性変換手段１５２によって、前記式（２８）および式（２６）により、シーン光の強度に比例した信号レベルおよびシーン輝度を算出し、前記式（２７）の演算を行えばよい。

以上の動作によって、映像表示装置１は、表示部２０のピーク輝度に関わらず、映像の主要部分である５０％の輝度レベルを、表示部２０の特定の輝度に合わせることができる。
これによって、映像表示装置１は、映像の主要部分である５０％以下の輝度レベルの再現特性の一貫性を保つことができるとともに、表示部２０のピーク輝度まで有効に活用することができる。

以上、本発明の実施形態に係る映像表示装置１の構成および動作について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
例えば、ここでは、輝度・システムガンマ設定手段１１を介して、ピーク輝度を設定することとしたが、表示部２０のピーク輝度が既知の場合は、予めシステム定数記憶手段１３に設定しておくこととしてもよい。
また、ここでは、基準輝度やシステムガンマを設定することとしたが、この基準輝度やシステムガンマは、予めシステム定数記憶手段１３に記憶しておくこととしてもよい。
その場合、映像表示装置１は、構成から輝度・システムガンマ設定手段１１を省略してもよい。

１ 映像表示装置
１０ 映像信号変換部（映像信号変換装置）
１１ 輝度・システムガンマ設定手段
１２ 高輝度部特性変換パラメータ演算手段
１３ システム定数記憶手段
１４ 信号レベル判定手段
１５ 特性変換手段
１５１ 低輝度部特性変換手段
１５２ 高輝度部特性変換手段
２０ 表示部（表示装置）

Claims (7)

1. 映像信号レベルの中央を境にした低輝度部と高輝度部とで特性の異なるＨＬＧ方式の映像信号を、表示装置に表示する表示光の強度に比例した信号に変換する映像信号変換装置であって、
   前記映像信号の中央レベルにおいて、前記低輝度部の表示特性を示す第１伝達関数により求められる輝度と、前記高輝度部の表示特性を示す第２伝達関数により求められる輝度とが設定された基準輝度と一致するとともに、それぞれの伝達関数の傾きが一致し、前記映像信号の最大レベルの輝度が前記表示装置のピーク輝度に一致するように、前記第２伝達関数を特定するパラメータを算出する高輝度部特性変換パラメータ演算手段と、
   前記映像信号の信号レベルが前記中央レベル以下であるか否かを判定する信号レベル判定手段と、
   前記信号レベルが前記中央レベル以下と判定された映像信号に対して、前記第１伝達関数により変換を行う低輝度部特性変換手段と、
   前記信号レベルが前記中央レベルよりも大きいと判定された映像信号に対して、前記高輝度部特性変換パラメータ演算手段で算出されたパラメータで特定される前記第２伝達関数により変換を行う高輝度部特性変換手段と、
   を備えることを特徴とする映像信号変換装置。
2. 前記基準輝度をＬ_ＲＥＦ、前記ピーク輝度をＬ_Ｗ、システムガンマをγとしたとき、前記映像信号の信号レベルＥ′から前記表示光の強度に比例した信号レベルＥ_Ｄを算出する前記第１伝達関数は、
   

   

   であって、前記第２伝達関数は、
   

   

   であって、前記高輝度部特性変換パラメータ演算手段は、
   

   

   の連立方程式から、前記パラメータｕ，ｖ，ｗを算出することを特徴とする請求項１に記載の映像信号変換装置。
3. 前記第１伝達関数および前記第２伝達関数にコントラスト調整αおよびブライトネス調整βを加え、前記第１伝達関数および前記第２伝達関数を、
   

   

   とすることを特徴とする請求項２に記載の映像信号変換装置。
4. 前記基準輝度をＬ_ＲＥＦ、前記ピーク輝度をＬ_Ｗ、システムガンマをγ、輝度に対する各色信号の寄与度をＣ_Ｒ，Ｃ_Ｇ，Ｃ_Ｂとしたとき、前記映像信号の各色信号のレベルＥ′_Ｘ（Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）から前記表示光の強度に比例した各色信号レベルＥ_ＤＸを算出する前記第１伝達関数は、
   

   

   であって、前記第２伝達関数は、
   

   

   であって、前記高輝度部特性変換パラメータ演算手段は、
   

   

   の連立方程式から、前記パラメータｕ，ｖ，ｗを算出することを特徴とする請求項１に記載の映像信号変換装置。
5. 前記第１伝達関数および前記第２伝達関数にコントラスト調整αおよびブライトネス調整βを加え、前記第１伝達関数および前記第２伝達関数を、
   

   

   とすることを特徴とする請求項４に記載の映像信号変換装置。
6. コンピュータを、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の映像信号変換装置の各手段として機能させるための映像信号変換プログラム。
7. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の映像信号変換装置と、
   この映像信号変換装置で変換された信号を表示する表示装置と、
   を備えることを特徴とする映像表示装置。

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