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3 招待論文 フルスペック 8K スーパーハイビジョン圧縮記録装置の開発 3.3 記録制御機能と記録媒体 144 Gbps の映像信号を 1/8 に圧縮した場合 18 Gbps 程度 の転送速度が要求される さらに音声データやその他のメ タデータを同時に記録すると 記録再生には 20 Gbps 程度 の転送性能が必要となる また 記録媒体は記録装置から 着脱して持ち運ぶため 不慮の落下などにも耐性のあるこ とが望ましい これら二つの要件を満たす記録素子として は 高速転送と耐衝撃性に優れた不揮発性の固体メモリー 図 2 符号量制御のアルゴリズム概要 である NAND 型フラッシュメモリー 以下 NAND 10 が 適している 近年 NAND を採用した記録媒体として SSD Solid State Drive 11 の進展が目覚ましい しかしながら SSD の最大転送速度は数 Gbps 程度であり 単体でフルスペッ ク 8K SHV の記録は難しい 高速化の手法としては並列化 が考えられるが SSD は連続的な書込みについて最低転送 速度を保証しないため 単純な並列化では冗長な数の SSD が必要となり 小型化が達成できない そこで 並列化し た SSD の最低転送速度を保証する仕組みが必要となる こ の技術については 5 章で詳しく説明する 図 3 符号化パラメータ固定および提案手法の符号量比較 ４ 符号量制御技術の開発 本章では 拡張 JPEG 方式をリアルタイム圧縮に適用す るための符号量制御について説明する 一般的に画像を圧 る この予測テーブルは 8K カメラで撮影した映像や 8K 標 縮符号化する際に 符号化パラメータを固定してしまうと 準画像等 予めさまざまな 8K 画像を圧縮した結果から統 複雑な画像に対しては多くの符号量が発生する ひとたび 計的に生成したものである このように 符号化ブロック 記録媒体の転送性能を超える符号量が発生するとデータが 単位で間引いた縮小画像の予備圧縮を行うことで計算量を オーバフローするため 安定記録には記録媒体の性能に大 削減しながらも 予測テーブルの適用によって高精度なパ きなマージンが必要となる しかしながら 着脱を想定し ラメータ予測が可能となる た小型記録媒体では SSD の転送速度に大きなマージンを 4.3 設けることは現実的ではないため 転送性能を超えないよ 8K 標準画像 8 を用いて提案手法の効果を検証した結果を う符号量を制御する必要がある そこで 少ない計算負荷 図 3 に示す 圧縮方式は拡張 JPEG 方式 縮小画像は符号化 で符号量の変動幅を精度よく制御する手法を開発した ブロックを水平および垂直方向に規則的に一定の間隔で間 4.1 従来方式と課題 実験結果 引き 元画像の 1/ ,080 の縮小比とした また 従来から良く知られた符号量制御技術として 複数パス 本実験で使用する 8K 標準画像には 予測テーブルの生成に 方式がある この方式は予め画像分析用の圧縮を 1 回以上 は使用していない画像を選択した 図 3 a は圧縮パラメー 試行し 予備圧縮 得られた符号量から目標の符号量を得 タを固定した場合の符号量を示し 画像の種類によって符 るための圧縮パラメータを予測する 予測精度は試行回数 号量がばらついていることが確認できる 図 3 a の結果は を増やすことで向上するが 8K 画像においては予備圧縮 14 MB から 9 MB の範囲に分布しているため 一例として制 の計算負荷がハードウェア化の課題となる 御目標サイズを 12 MB として符号量を制御した結果を図 提案方式 b に示す 図 3 b より 提案手法の適用によって目標サ イズ以内に精度よく収まっていることが確認できた 従来の複数パス方式をベースに 計算負荷を低減する手 法を開発した 12 アルゴリズムの概要を図 2 に示す 最初 ５ 記録制御技術の開発 に 8K 画像を符号化ブロック単位 拡張 JPEG 方式の場合 は 8 8 で間引いた縮小画像を生成する 次に 2 種類の ここでは 並列化した SSD で 20 Gbps の転送速度を保証 基準圧縮パラメータを用いて縮小画像を予備圧縮し それ する技術について説明する 一般的な SSD は記録素子であ ぞれのパラメータに対応する符号量を取得する この二つ る NAND と NAND の書込みを制御する専用 LSI SSD コ の基準パラメータはそれぞれ異なる画質に対応しており ントローラ がパッケージ化されており データの書込み/ 得られた二つの符号量と目標とする符号量を予め用意した 読出しは Serial ATA SATA 13 インタフェースを介して 予測テーブルに照合して圧縮に適したパラメータを予測す 行われる そこで 図 4 に示すように SSD を並列制御す J43

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5 招待論文 フルスペック 8K スーパーハイビジョン圧縮記録装置の開発 図 7 記録装置の状態遷移と Trim コマンド発行タイミング 図 9 試作した圧縮記録装置の外観 図 8 試作装置の基板構成 図 1 の機能ブロックをベースとし 図 8 に示す基板構成で ハードウェア化した 図 8 に記載の記録制御基板と記録媒 体は図 6 に示す構成に対応している 以下 図 8 を参照し 図 10 試作した記録媒体の外観 ながらハードウェアについて説明する 映像入力と出力は 1 枚の基板に統合することで 記録時と再生時にそれぞれ 必要となるフレームメモリーの共通化を図った 圧縮と伸 表 2 試作した圧縮記録装置の諸元 長については 基板の大型化を避けるため 2 枚の基板構成 とした 2 枚の基板は符号量制御の計算負荷を均等に分散 するため 図 1 に示される圧縮と伸長機能を分離する構成 ではなく 図 8 に示すように圧縮と伸長の両機能を備えた 基板による並列処理とした 記録時には 2 枚の基板で並列 に生成される圧縮符号化データをシステム制御基板で統合 する 最後に記録制御基板が記録媒体への高速書込みを制 御する 再生時には同一経路を逆方向に信号が処理される 試作した装置と記録媒体の外観を図 9 図 10 に 諸元を 表 2 表 3 にそれぞれ示す 入出力インタフェースは U-SDI を採用することで 1 本のケーブルによるフルスペック 8K 表 3 試作した記録媒体の諸元 SHV 信号入出力を可能とした 圧縮方式は拡張 JPEG を採 用し 符号量制御技術の適用によってリアルタイム圧縮を 実現している 装置は 4U ラックサイズに収め 消費電力 は 450 W 以下を実現している 記録媒体は 8 個の SATA イ ンタフェース SSD を束ねてパッケージ化し 各 SSD を並列 制御することで 20 Gbps の記録再生を実現した 記録容量 は 8 TB 記録時間は通常モードで 60 分 約 1/8 圧縮 の記 録が可能である また 海外からライブ伝送されるスポー ツ番組素材のように 伝送の過程で高効率な圧縮および伸 長処理された映像については 画質よりも長時間収録が優 6.2 先されるため 圧縮率を約 1/20 とすることで 120 分まで収 フルスペック 8K SHV 信号の記録再生実験を行った 実 収録再生実験 験ではフルスペック 8K SHV カメラの映像を U-SDI から入 録可能なモードも備えている J45

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