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さなえあんさい
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1 解説 HDR-TV の映像方式と ITU-R における標準化動向日下部裕一放送衛星を用いた 4K 8K 試験放送 NHKスーパーハイビジョンが 2016 年 8 月 1 日から開始された試験放送では, 一部の番組がHDR(High Dynamic Range: 高ダイナミックレンジ ) で放送されている HDRは, 広いダイナミックレンジ ( 明暗の幅 ) を持つ映像を撮影し, 表示装置上に再現することで, これまでのテレビでは表現の難しかった明暗の差が大きいシーン ( 日陰とひなたの同時再現 ) や, 鏡面反射光沢感等のハイライトの再現を可能とし, 高解像度や広色域と相まって視聴者により高い臨場感を提供する HDR-TV( 高ダイナミックレンジテレビ ) の映像方式としては,ITU-R 勧告 BT.2100 にHLG(Hybrid Log- Gamma) とPQ(Perceptual Quantization) の2つの方式が規定されており, これに基づいてHDR 放送のための国内放送方式が策定されている本稿では, HDR-TVの 2つの映像方式について, その特徴やコンセプトを述べるとともに, ITU-Rにおける HDR-TVの標準化動向について解説する 1. まえがき NHKでは, フレーム周波数 120 Hz, 広色域,HDR(High Dynamic Range: 高ダイナミックレンジ ) を有し, 画素数が 7,680 4,320 の超高精細映像と,22.2マルチチャンネル音響から成るフルペック 8Kスーパーハイビジョンの実現を目指して研究開発を進めている 1)2) これらの規格は,ITU-R(International Telecommunication Union Radiocommunication Sector: 国際電気通信連合無線通信部門 ) において国際標準化され, それぞれUHDTV (Ultra-High Definition Television: 超高精細度テレビ ) のITU-R 勧告 BT ),HDR- TV( 高ダイナミックレンジテレビ ) のITU-R 勧告 BT ), 先進的音響システムの ITU-R 勧告 BS.2051に規定されている 5) NHKは, 研究開発とともに実用化に向けた機器開発や伝送実験,2012 年のロンドンオリンピック等の国際的なイベントにおけるパブリックビューイング 6) などの実績を積み重ね, 超高精細度テレビの国内放送方式の策定を経て,2016 年 8 月 1 日から放送衛星による試験放送を開始した試験放送の放送方式は,ITU-R 勧告 BT.2020に基づく 4K 8Kの映像パラメーターを採用しつつ,ITU-R 勧告 BT.2100 に基づくHDR も取り入れている試験 4 NHK 技研 R&D No

(a)sdr-tv ( 標準ダイナミックレンジテレビ ) (b)hdr-tv ( 高ダイナミックレンジテレビ ) 1 図明暗の差が大きい光景の表現の違い放送の一部の番組は HDR 方式で放送されており,4K 8K の HDR 放送は世界初である 7) 本稿では,HDR-TV の映像方式および ITU-R 勧告 BT.2100 の成立過程や内容を紹介する 2.HDR-TV の映像方式 2.

2 (a)sdr-tv ( 標準ダイナミックレンジテレビ ) (b)hdr-tv ( 高ダイナミックレンジテレビ ) 1 図明暗の差が大きい光景の表現の違い放送の一部の番組は HDR 方式で放送されており,4K 8K の HDR 放送は世界初である 7) 本稿では,HDR-TV の映像方式および ITU-R 勧告 BT.2100 の成立過程や内容を紹介する 2.HDR-TV の映像方式 2.1 HDR-TVの背景人間が知覚できる現実光景の輝度レンジは, 目の絞り機能により, 月明かりの夜の明るさ (10-3 cd/m 2 程度 *1 ) から太陽の直接光 ( 10 6 cd/m 2 程度 ) まで10の9 乗を超える範囲であり, 同時に知覚できる輝度範囲は10 の5 乗程度と言われている一方, これまでのハイビジョン番組制作用の表示装置が実現していた輝度レンジは,CRT(Cathode Ray Tube: ブラウン管 ) やLCD(Liquid Crystal Display: 液晶ディスプレー ) ではピーク輝度が100から数百 cd/m 2 程度, 黒輝度が0.1 cd/m 2 程度であり, ダイナミックレンジとしては数千 :1 程度であったそのため, これまでの映像制作では, 現実の光景の高輝度部は表示装置の特性に合わせて圧縮する必要があり, 階調が失われる結果となっていた一方, 近年の表示装置技術, 具体的には LCDのバックライトに LED(Light Emitting Diode: 発光ダイオード ) を用いたローカルディミング方式 *2 や, 有機 EL(Electro Luminescence) などの自発光デバイスの進展により, 黒輝度を0.01 cd/m 2 程度以下に抑える一方でピーク輝度が1,000 cd/m 2 を超えるような,10 万 :1 以上のダイナミックレンジを持つ表示装置が入手できるようになってきたまた, 撮像素子の高感度化に伴い, カメラの高ダイナミックレンジ化も進んできているこのような背景のもとで,HDR-TVの映像方式が開発された HDR-TVの利点は, 現実光景により近い明暗の幅を映像信号として取得し, それを表示装置上に再現することで, これまで表現の難しかった明暗の差が大きい光景や, 鏡面反射光沢感等のハイライト部の階調再現を可能とすることである例として 1 図に, スタジアムでのひなたと日陰のような明暗の差が大きい光景の,SDR-TV(Standard Dynamic Range Television: 標準ダイナミックレンジテレビ ) とHDR-TV による表現の違いを示す選手やボールなどの注目点が日陰にある場合, その情報を確実に取得するようカメラのアイリス ( 絞り ) を調整して映像を取得するが, この場合,SDR-TV では観客席や空などのひなたの部分においては白つぶれが生じてしまう一方,HDR-TV では広いダイナミックレンジによって日陰とひなたの同時再現が可能となるこのように,HDR-TV の映像方式により, 表示装置の高輝度高ダイナミックレンジ表示性能を生かすことができる *1 cd/m 2 は単位面積当たりの光量の単位 *2 表示する映像の明るさ分布に合わせて, バックライトの明るさを領域ごとに個別に制御する方式 NHK 技研 R&D No

3 シーン光 OETF 映像信号 Inverse OETF EOTF OOTF 表示光カメラディスプレー 2 図シーン参照型 (HLG 方式 ) の概念シーン光 OOTF OETF Inverse EOTF 映像信号 EOTF 表示光カメラディスプレー 3 図ディスプレー参照型 (PQ 方式 ) の概念 1 表 HLG 方式の OETF と PQ 方式の EOTF HLG 方式の OETF PQ 方式の EOTF E : シーンの相対輝度 [0:1] E : 映像信号レベル a= b=1 4a c=0.5 a ln(4a) Y: ディスプレー輝度 [0:1] (Y=1 が 10,000 cd/m 2 に対応 ) E : 映像信号レベル m 1 =2,610/16,384 m 2 =2,523/4, c 1 =3,424/4,096 c 2 =2,413/4, c 3 =2,392/4, HDR-TVの映像方式 HDR-TV の映像方式には, シーン参照型とディスプレー参照型の2 つの考え方があるシーン参照型の概念を 2 図に, ディスプレー参照型の概念を 3 図に示すシーン参照型は, 従来のハイビジョン等における SDR-TV の規定と同様に, 撮像側すなわちカメラで捉えた現実光景の光をビデオ信号に変換する伝達関数 OETF(Opto-Electronic Transfer Function: 光電気伝達関数 ) で映像信号生成を規定する方式である一方, ディスプレー参照型は, 表示側すなわちビデオ信号をディスプレーの光に変換する伝達関数 EOTF (Electro-Optical Transfer Function: 電気光伝達関数 ) で映像信号生成を規定する方式である前者の方式として Hybrid Log-Gamma(HLG) 方式があり, 後者の方式として Perceptual Quantization(PQ) 方式があるまた,OETFと EOTFのほかに, 撮像素子上の現実光景の光強度と表示装置で再現される光強度との関係を示す伝達関数として,OOTF(Opto-Optical Transfer Function: 光光伝達関数 ) がある OOTFは, 撮影環境と表示環境の違いによる見えの違いの補正や, 制作意図に基づく調整を表す伝達関数であるハイビジョンの場合には OOTFは明示的には規定されていなかったが,ITU-R 勧告 BT.709 8) に規定される OETFと ITU-R 勧告 BT ) に規定される EOTFの積で表現される総合特性は約 1.2 乗のべき関数で近似され, これがハイビジョンの OOTFに相当するシーン参照型では OOTFは表示側に含 6 NHK 技研 R&D No

4 2 表 HLG 方式と PQ 方式の比較コンセプト映像信号 HLG 方式輝度値を相対的に扱う ( 従来の考え方 ) 従来のテレビと互換性のある伝達関数黒とピークの間の相対表現 ( 例 : コード 64(10 bit) が黒, コード 940(10 bit) がピーク ) PQ 方式表示装置上で最大 10,000 cd/m 2 の輝度を絶対輝度として扱う人間の視覚特性に基づく新たな伝達関数コード値と絶対輝度値の関係を一意に規定 ( 例 : コード 64(10 bit) が0 cd/m 2, コード 940(10 bit) が10,000 cd/m 2 ) 信号規定 O E T F 側 ( 撮像側 ) E O T F 側 ( 表示側 ) 表示装置のピーク輝度との関係ピーク輝度によらず, 黒からピークの全範囲を表示ピーク輝度に応じて再現される映像信号範囲が異なる映像信号レベル HLG OETF 0.3 PQ Inverse EOTF シーンの相対輝度 4 図 HLG 方式と PQ 方式の伝達関数の比較まれ,OETFの逆関数(Inverse OETF) とOOTFの積でEOTFが規定され (2 図 ), ディスプレー参照型ではOOTFは撮像側に含まれ,OOTFとEOTFの逆関数 (Inverse E O T F ) の積で O E T F が規定される ( 3 図 ) HLG 方式のOETFと PQ 方式のEOTFのそれぞれの定義式を 1 表に示す HLG 方式は,NHKがBBC(British Broadcasting Corporation: 英国放送協会 ) と共同で開発した方式である 2)10) ハイビジョンと同じく輝度値を相対的に扱う相対輝度方式であり, ディスプレーのピーク輝度によらずピークに対応する映像信号から黒に対応する映像信号までの全範囲を表示する方式である HLG 方式のOETFは, 映像信号レベルE =0.5( 相対輝度 E=1/12) まではハイビジョンの OETFと同等の関数 ( ガンマ補正関数 ) を持ち, 映像信号レベル 0.5~1.0では対数関数を持つことでハイライトを圧縮する特性を持つこの特性により,SDR 信号やSDR 表示装置との互換性を保ちながら HDR 制作を行うことができる本方式のOETFは2015 年に電波産業会 (ARIB:Association of Radio Industries and Businesses) の標準規格 STD-B67 11) に規定された PQ 方式は, 最大 10,000 cd/m 2 までのディスプレー輝度を絶対値で扱う絶対輝度方式で, 広い輝度範囲をカバーすべく人間の視覚特性に基づき効率的にビット割り当てを行う新たな伝達関数を導入している絶対輝度方式であるため, 映像信号とディスプレーで再 NHK 技研 R&D No

5 5 図 HLG 方式対応 8KHDR 液晶表示装置 3 表 8KHDR 液晶表示装置の仕様画面サイズ 85 型画素数 7,680 4,320 フレーム周波数階調最大輝度 60 Hz 12 bit 相当 1,000 cd/m 2 以上ダイナミックレンジ 200,000:1( 測定値 ) 色域包含率 (BT.2020 色域比 ) 77% 現される輝度値とは一意に対応し, 表示装置のピーク輝度に応じて表示可能な映像信号範囲が変わる本方式のEOTFは2014 年に米国映画テレビ技術者協会 (SMPTE: Society of Motion Picture and Television Engineers) において,HDR 制作用基準ディスプレーの規格として ST ) に規定されたこれら2 方式の特徴の比較を 2 表に示すまた, 両方式の伝達関数特性を同じ軸で比較するために,HLG 方式のOETFと PQ 方式のEOTFの逆関数とを比較したグラフを 4 図に示す 4 図より,PQ 方式は HLG 方式に比べて非線形性が強く, 暗部により多くの映像信号を割り当て, 明部を大きく圧縮する方式であることが分かるなお,HLG 方式と PQ 方式の映像信号は相互に変換可能であり,ITU-Rレポート BT.2390にその枠組みが記載されている 13) NHKではシャープ ( 株 ) と共同で,HLG 方式に対応した 8KHDR 液晶表示装置を開発したその外観を 5 図に, 仕様を 3 表に示す 14) この液晶表示装置は, スーパーハイビジョン試験放送の受信機として NHKの各放送局に設置され, 受信公開に利用されている 3.ITU-R における HDR-TV の標準化動向 3.1 ITU-R 勧告 BT.2100 成立の経緯 ITU-Rにおける HDR-TV に関する議論は,SG 6(Study Group 6: 放送業務を所掌する研究委員会 ) 傘下の WP 6C(Working Party 6C: 番組制作および品質評価に関する作業部会 ) で行われた HDR-TVの議論は,UHDTVの映像パラメーター ( 現在のITU-R 勧告 BT.2020) の標準化作業が進められていた 2012 年に, 米国が高ダイナミックレンジを扱うための新たな伝達関数を提案したことに端を発する米国の当初の提案は, 映像信号が, 10,000 cd/m 2 までの現実光景の輝度の絶対値を表現するものであり, テレビジョンの方式 8 NHK 技研 R&D No

6 としては受け入れられないという反対意見が支配的であったその後, 米国提案は, 現実光景の輝度ではなくディスプレーに表示される輝度を絶対値で表現するものに修正されるとともに, 実験結果の寄与やデモが行われ, 映像のダイナミックレンジを拡大したテレビ方式に関する検討が進むことになった米国提案のPQ 方式は, 相対的な明るさを表す映像信号を撮像側で規定するこれまでのテレビ方式の考え方とは異なることや, ライブ制作への適用方法が不明なことなどへの懸念から,NHKはSDR 方式と親和性の高い HDR 方式が必要であると考えていた BBC も同様の考えを持っていたことから,NHKと BBCは共同で HLG 方式を開発し,ITU-Rに提案した一方, 米国はHDR 制作にはマスタリング *3 のための基準表示装置の規定が必要であるとして,EOTFを規定する PQ 方式の採用を主張したまた, 各提案者によるデモも行われ, それぞれの提案者がHLG 方式あるいは PQ 方式の優位性を主張したコンセプトと伝達関数の異なる両方式を1 つの方式に統合することが難しくなる中, 2015 年 7 月会合では, 両方式に共通のOOTFを規定することによって両方式を統一的に扱うことを目標とすることが合意されたしかし,OOTFの共通化も容易ではなく,2016 年 1 月会合では, 両方式のそれぞれについて OETF/EOTF/OOTFのセットを規定した新勧告案が合意され, その後 ITU-R 加盟国による採択承認手続きを経て,2016 年 7 月にITU-R 勧告 BT.2100が成立した当初の米国提案からおよそ 4 年の議論を経た結果である *3 コンテンツの原盤 ( マスター ) を作成する工程 3.2 ITU-R 勧告 BT.2100 の内容 HDR-TV のシステムパラメーターを規定する ITU-R 勧告 BT は, 主要な映像パラメーター値に関しては UHDTVのITU-R 勧告 BT.2020を引き継いでおり, フレーム周波数, 三原色点と基準白色, 画素構造, ビット数はBT.2020と同等である伝達関数については,PQ 方式とHLG 方式それぞれのOETF,EOTF,OOTFが規定された PQ 方式では,SMPTE ST2084と同等のEOTF が規定され,OOTFはITU-R 勧告 BT.709のOETFと ITU-R 勧告 BT.1886のEOTFの積による総合特性をHDR 用にスケーリングしたものが規定された HLG 方式では,ARIB STD-B67と同等の OETFが規定され,OOTFはディスプレーのピーク輝度が 1,000 cd/m 2 の場合に1.2 乗のべき関数 ( システムガンマ ) を輝度成分にかけることが規定されたシステムガンマを輝度成分へ適用する理由は, 撮影した現実光景の色の成分 ( 彩度や色相 ) を表示時に変化させないためであるまた, システムガンマの設定値はディスプレーのピーク輝度に応じて設定されるこれは, 映像信号を表示する際に, ディスプレーのピーク輝度によらず知覚的に同様の見え方を再現するためであり, 設定値の計算式は実験結果に基づいている 1 0 )1 5 ) 画素数は,4K/8K 以外にハイビジョンと同じ 2K( 順次走査のみ ) も規定されている輝度色差信号については, 従来のY C BC Rに加えて新たにICTCP(Constant Intensity: 定輝度方式 ) が規定された 16) 映像信号のデジタル表現に関しては, 従来のnarrow range(10 bit 表現の場合, 黒を64, ピークを 940のコード値 *4 に割り当てる方式 ) に併記して full range(10 bit 表現の場合, 黒を0, ピークを 1,023のコード値に割り当てる方式 ) が規定されたまた, 番組制作用の標準観視条件に関しては, ディスプレーのピーク輝度は1,000 cd/m 2 以上, 黒輝度は0.005 cd/m 2 以下と規定されている *4 1 0 b i t( 2 進数 ) がすべて 1 の場合, コード値 ( 1 0 進数 ) は 1, となる 3.3 今後の課題 HDR-TV の映像パラメーターに関する勧告は成立したが,HDR-TV の番組制作や放送 NHK 技研 R&D No

7 は始まったばかりであり, 番組制作手法の確立には, 今後多くの経験を積む必要がある一方で, 表現できる明るさの幅が広がったことでより多彩な映像表現が可能になったが, 番組間や放送局間の明るさの違いが視聴者に不快感を与えることのないように配慮も必要であるまた, 過去の膨大なSDR 素材をHDR 番組内で有効に活用できることも必要である ITU-Rでは, このような番組間の明るさの一貫性や快適視聴を確保するための参照レベルの規定,SDR 信号をHDR 信号内にマッピングする手法に関する規定など, 運用手法に関する研究が始まっている 4. あとがき本稿ではHDR-TVの映像方式と ITU-Rにおける標準化動向について解説した HDR- TVは表現できる明るさの範囲を拡大することで, よりリアルな映像表現を可能とする技術であり, 画質向上に対して極めて高い効果がある一方で, 表現できる明るさの範囲が拡大したことによる生体への影響や, 番組間の明るさの一貫性については, 人間の知覚的な特性を踏まえた研究が今後必要になるであろう 2016 年 8 月に試験放送が始まった 8Kスーパーハイビジョンは,2018 年には実用放送の開始が予定され, 東京オリンピックパラリンピックが開催される 2020 年には本格的な普及が期待されている HDRの特性を生かしたより臨場感のある 8Kスーパーハイビジョン放送を目指して, 今後も研究を推進していく 10 NHK 技研 R&D No

参考文献 1) M. Sugawara and K. Masaoka: UHDTV Image Format for Better Visual Experience, Proceedings of the IEEE,Vol.101,No.1,pp.8-17 (2013) 2) Y. Kusakabe, Y. Ikeda, N. Shirai, K. Masaoka, T.

8 参考文献 1) M. Sugawara and K. Masaoka: UHDTV Image Format for Better Visual Experience, Proceedings of the IEEE,Vol.101,No.1,pp.8-17 (2013) 2) Y. Kusakabe, Y. Ikeda, N. Shirai, K. Masaoka, T. Yamashita, Y. Nishida, T. Ikeda and M. Sugawara: Extended Image Dynamic Range System for UHDTV Broadcasting, J. SMPTE Motion Imaging,Vol.125,No.4,pp.1-8 (2016) 3) Rec. ITU-R BT.2020, Parameter Values for Ultra-high Definition Television Systems for Production and International Programme Exchange (2012) 4) Rec. ITU-R BT.2100, Image Parameter Values for High Dynamic Range Television for Use in Production and International Programme Exchange (2016) 5) Rec. ITU-R BT.2051, Advanced Sound System for Programme Production (2014) 6) 岩城, 三谷, 日下部, 薄井, 金澤 : スーパーハイビジョンを用いたロンドン五輪パブリックビューイング, 月刊ディスプレイ,Vol.18,No.8,pp (2012) 7) 西田 : 広色域高ダイナミックレンジ (HDR) 映像方式 : 放送, 映情学誌,Vol.70,No.3,pp (2016) 8) Rec. ITU-R BT.709, Parameter Values for the HDTV Standards for Production and International Programme Exchange (1990) 9) Rec. ITU-R BT.1886, Reference Electro-optical Transfer Function for Flat Panel Displays Used in HDTV Studio Production (2011) 10) T. Borer and A. Cotton: A Display Independent High Dynamic Range Television System, The Best of IET and IBC,Vol.7,pp.6-12 (2015) 11) 電波産業会 : Essential Parameter Values for the Extended Image Dynamic Range Television (EIDRTV) System for Programme Production, ARIB STD-B67 (2015) 12) SMPTE ST 2084, High Dynamic Range Electro-optical Transfer Function of Mastering Reference Displays (2014) 13) Report ITU-R BT.2390, High Dynamic Range Television for Production and International Programme Exchange (2016) 14) Y. Nishida, I. Ichigaya, T. Yamashita, S. Aoki, I. Masuhara and T. Ikeda: Launching 8K/4K High Dynamic Range Television (HDR-TV) Broadcasting, Proc. NAB,pp (2016) 15) Y. Ikeda, Y. Kusakabe, K. Masaoka and Y. Nishida: Effect of Variable System Gamma for Hybrid Log-Gamma HDR Video Production, Proc. IDW 16 (2016) 16) くさ日か下べ部ゆういち裕一 1999 年入局金沢放送局を経て,2002 年から放送技術研究所において, 超高精細映像システムの設計や表示装置の開発,ARIB や ITU-R での映像方式の標準化活動に従事現在, 放送技術研究所テレビ方式研究部上級研究員 NHK 技研 R&D No

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R&D162_本文.indd 報告 1 広色域ディスプレーの色域包含率計算基準正岡顕一郎 Gamut Coverage Metric for Wide-gamut Displays Kenichiro MASAOKA 要約超高精細度テレビジョン (UHDTV:Ultra-high Definition Television) では, スペクトル軌跡上に三原色の色度が位置する広色域表色系がITU-R 勧告 BT.22(Rec.