ダイナミックレンジを拡大し、コントラスト、階調、色表現力を高める「HDR」技術

「同じコンテンツでも、なぜここまで見え方が変わるのか？」

4KテレビやVODサービスの普及以降、そう感じた経験があるなら、その理由のひとつは「HDR（High Dynamic Range）」かもしれない。

HDRとは、映像のダイナミックレンジ、――すなわち、最も暗い映像から最も明るい映像までの表現できる幅――を拡大する技術であり、近年のオーディオビジュアルの画質進化を語るうえで、避けては通れない重要なトピックのひとつである。

本連載では、高画質の軸となる6つの要素として、「解像度」「コントラスト」「色」「動き」「階調」「S／N」を掲げているが、HDRは、ダイナミックレンジの拡大により、コントラストを大きく改善するとともに、階調や色の表現力といった複数の画質要素を、同時に高めることができる革新的な技術だ。

まぶしいほどの輝度ピークと鮮やかな色彩、暗部で潰れない微妙なディテイル、中間階調の滑らかなグラデーション。HDRは従来の映像の見え方を一変させる可能性を秘めている。

本稿では、HDRが登場したことで画質がどのように進化したのか、さらにHDRを実現する技術のポイントについて、説明していこう。

HDRは4Kと並ぶ現在の高画質映像の基幹技術のひとつである

HDR映像を本格的に再生できる環境は、2015年11月、世界で初めてUHDブルーレイの再生に対応したブルーレイレコーダーである、パナソニック「DMR-UBZ1」の登場から始まる。

UHDブルーレイは、民生向けのディスクメディアとして、初めて4K解像度でかつHDRに対応したフォーマットだ。

ただし、市販のUHDブルーレイタイトルが発売されたのは2016年初頭である。同時期には主要メーカーの4KテレビがHDR対応を本格化しており、ほどなくして一部のVODサービスでもHDR映像の配信が開始されている。国内オーディオビジュアル市場におけるHDRの歴史はこの頃からスタートしたといえるだろう。

現在は、Netflix、Amazon Prime Video、Disney+など、多くのVODサービスがHDR映像の配信に対応し、4K放送番組にもHDRが導入されている。

レコーダーやプレーヤーといった再生機、4Kテレビやプロジェクターなどのディスプレイ機器など、各種オーディオビジュアル機器でも対応が進み、4Kテレビは一部を除いてほとんどのモデルがHDRに対応している。いまやHDRは特別なものではなく、4Kと並ぶ存在として、高画質映像になくてはならない基幹技術のひとつである。

HDRは映像エコシステム全体の革新。ダイナミックレンジの拡大で表現力を高める

従来、オーディオビジュアルの画質革新において、その中心には解像度の進化があった。アナログ放送からデジタルHD放送へ、DVDからブルーレイへ、さらには4Kコンテンツやディスプレイへ。これらの移行で実感できた画質の向上は、その多くが解像度の進化に支えられたものだ。

しかし、画質の進化は解像度だけでは語れない。「解像度」以外にも、「コントラスト」「色」「動き」「階調」「S／N」など、重要な要素がある。映像のデジタル化以降、解像度は飛躍的に向上した一方で、それ以外の要素はどうであろうか。

もちろん、ディスプレイ機器や再生機など、個別の映像機器は、コントラスト、色、階調などをはじめとして、画質を大きく進化させてきた。しかし、映像コンテンツ／伝送メディア／オーディオビジュアル機器を含む “映像のエコシステム全体” としてみれば、解像度以外の要素の進化は、必ずしも大きな流れにはなっていなかった。

そこに転機をもたらしたのが「HDR」である。解像度を中心としてきた画質進化の軸に変革をもたらし、映像表現の幅を拡大する革新的な技術だ。

よくある誤解として、「HDRは単に映像が明るくなるだけ」というものがある。確かに明るさはHDRの重要な要素のひとつだが、本質ではない。単に明るく見たいだけなら、ディスプレイの輝度を上げれば済む話である。

HDRは、映像のエコシステム全体にわたる新たな仕組みである。映像制作の現場から視聴者のもとまで、全てがHDR対応の環境になることで、映像制作者は、従来と比べてはるかに広大なダイナミックレンジを活かした新たな映像表現が可能になるのである。

HDR（HDR10規格）は最大輝度10,000nitまでダイナミックレンジを拡大する

では、HDRによってどのくらいダイナミックレンジが拡大するのだろうか。HDRにはいくつかの方式があるが、本稿では、主にディスクメディアやVODサービスで用いられるHDR方式（HDR10規格）について説明しよう。

従来の映像は「SDR（Standard Dynamic Range）」と呼ばれ、制作時の基準となる最大輝度はおよそ100nitとされている。これは、暗室環境で使用する業務用マスターモニターの標準的な明るさだ。※nit（ニト）はcd/?の通称で、輝度を示す単位である。

一方、HDRの代表的な規格であるHDR10では、最大輝度は10,000nitである。理論上、従来の100倍もの広大なダイナミックレンジをカバーできる。

ただしこれは、あくまで規格として最大10,000nitまで扱えるという意味であり、実際の映像コンテンツの明るさは制作者次第である。

現在のHDR映像は、主に最大輝度1,000nitまたは4,000nitのマスターモニターを用いて制作されており、そのため多くの映像作品の輝度はその範囲に収まっている。タイトルによっては、最大輝度は通常の映像と大きく変わらず、主として階調や色表現力の良さを活かしたHDRコンテンツも存在する。

また、HDR映像の最大輝度をどこまで表示できるかは、最終的にはディスプレイの性能に依存する。近年、テレビの画質性能の新たな競争軸として最大輝度が注目されているが、その背景にはHDRが大きく影響しているのだ。

HDRを実現するコア技術 「HDR10」と「PQカーブ」

つぎに、HDRを実現するコア技術について説明しよう。

ディスクメディアやVODサービスで用いられるHDRの標準的なフォーマットは「HDR10」と呼ばれる。HDR10+やDolby Visionといった最新のHDRフォーマットは、HDR10と共通する技術を用いながら、より高度な映像表現を可能にしたものだ。

HDR10で最も根幹をなす技術は「PQ（Perceptual Quantizer）カーブ」と呼ばれる。これはドルビー社が提案し、2014年に「SMPTE ST 2084」として規格化されたものだ。

PQカーブは、限られたビット数で広いダイナミックレンジと階調精度を両立するためのコア技術である。そのことを理解するために、まずは既存のSDR映像のビット階調について説明しよう。

従来から、一般的な放送、パッケージメディア、VOD配信などのSDR映像は8ビットが主流であり、映像の明るさはおおむね256段階で表現される。実際には信号規格の都合で256より若干少ないが、ここでは簡単のため256とする。

HDRは最大で従来の100倍の明るさまでカバーできるが、そのまま単純に明るくすると、デジタル信号の1つの段階に対する明るさの変化量が100倍になる。これはビット階調が100倍荒くなることを意味し、たとえば、明るいところは白飛びし、暗いところは潰れ、中間階調のグラデーションは破綻する、そういう映像になってしまう。

では、明るさが最大100倍になっても階調精度を保ち、映像の破綻を防ぐにはどうすればよいだろうか。

PQカーブは人間の視覚特性を利用して階調精度を大きく改善する

そこで着目されたのが「人間の視覚特性」である。

人間の視覚は、明るい映像の変化には比較的鈍感であり、反対に、暗い映像の変化にはより敏感であるという特性をもつ。

例えば、明るい映像で999nitと1,000nitを比べると、その差は1nitだが、割合で考えると0.1%であり、視覚的な違いはごくわずかだ。しかし、同じ1nitの差でも、暗い映像で1nitと2nitなら、その違いは2倍となり、視覚的には大きく異なる。

そのため、明るい映像と暗い映像で、実効的なビット階調（デジタル1段階に対する明るさの変化幅）が同じというのは合理的ではない。映像が暗くなるほど実効的なビット階調が細かくなるのが望ましく、そのような設計を追求したのがPQカーブである。

PQカーブを正しく理解するために、「映像信号」と「ディスプレイが発光する明るさ」の関係について説明しよう。この関係は「EOTF（Electro-Optical Transfer Function）」と呼ばれ、SDR映像では、「ガンマカーブ」という特性を持つ。HDR映像（HDR10）は、このガンマカーブが先述したPQカーブに置き換わっているのだ。

ここで参考図を見てほしい。図で、横軸はデジタル映像信号、縦軸は明るさであり、SDRで用いられるガンマカーブと、HDR（HDR10）で用いられるPQカーブを比較したものだ。実際にはHDRのほうが明るさの最大値が大きいが、図ではカーブの特徴と違いがわかるよう、最大値を合わせて表示している。

改めて図を見ると、ガンマカーブもPQカーブも、暗い部分はグラフの傾きが小さく、明るくなるにつれて傾きが大きくなっていることがわかる。

暗い部分は傾きが小さいので、デジタル信号の変化に対して明るさの変化が少ない。これは、微妙な明るさの変化を細かく表現できるので、実効的なビット階調が細かい状態だ。

一方で、明るい部分は傾きが大きいので、デジタル信号の変化に対して明るさの変化が大きく、実効的なビット階調は暗い部分よりも荒くなる。つまり、ガンマカーブもPQカーブも、傾向としては、暗い映像の方が明るさの変化に敏感であるという「人間の視覚特性」にマッチしているのだ。

しかし、ガンマカーブは必ずしも人間の視覚特性に最適化されているわけではない。視覚特性としては、暗部の実効的なビット階調をもっと細かくする方が良いのだ。

PQカーブは、ガンマカーブに比べて暗い部分の傾きがさらに小さく、暗部における実効的なビット階調が極めて細かい。さらに暗部だけでなく、中間階調、明部、いずれにおいても、人間の視覚特性に合わせて最適なビット階調精度が得られるように設計されている。

このように、人間の視覚特性に最適化したPQカーブを使えば、既存の8ビットに対してわずか2ビットを加えた10ビットで、100倍ものダイナミックレンジを扱うことが可能になる。それどころか、ダイナミックレンジを100倍にしても、既存の映像に相当する暗部や中間階調の視覚的な階調精度は、従来のSDR（8ビット）映像よりさらに向上しているのだ。

そのため、PQカーブを用いたHDR（10ビット）映像では、暗部は潰れることなく僅かな光や色の変化を表現し、中間階調は自然で豊かなグラデーションを描写し、明部は眩しさを感じるほど力強い光の表現が可能になるという、優れた画質を実現できるのである。

HDRは高輝度部の色の表現力も向上させる

さらに、HDRによるダイナミックレンジの拡大は、色表現力の向上につながる点も見逃せない。

映像信号はR（赤）／G（緑）／B（青）の3つの成分で構成されており、映像の明るさは、これら3つに一定の重みづけをして加算した値で決まる。最も明るい状態は、R／G／Bのすべてが最大値となるときであり、各成分が同じ値となるため、白色である。

従来のSDR映像では、限られたダイナミックレンジの中で映像を表現しなければならないため、高輝度に近づくほど色は白に近付き、明るいシーンでは鮮やかな色を表現することが難しかった。

HDRでは、Ｒ／Ｇ／B成分のダイナミックレンジが大幅に拡大されたため、突き上げるような明るい白ピークを表現できるだけでなく、明るいシーンでも色の鮮やかさを充分に表現できるのである。

HDRは映像表現の可能性を大きく拡げる

HDRは映像のエコシステム全体でダイナミックレンジを拡大し、映像の表現力を大幅に高める仕組みである。うまく使いこなせば、これまでにない魅力的な映像を生み出すことができる。

HDRがオーディオビジュアルの市場に導入されて以来、これをどう活かすか、さまざまな試行錯誤が繰り返されてきた。映像コンテンツの制作側では、HDR対応の編集・カラーグレーディングツールや高性能なマスターモニターなど、HDRを前提としたワークフローが整いつつあり、家庭用ディスプレイも、有機ELやMini LEDなど、HDRを活かす高輝度化や色表現力の向上が進んでいる。

HDR映像は今後さらに進化・成熟し、オーディオビジュアルファンに新たな映像表現の可能性を見せてくれることだろう。

■取材・執筆：甲野和彦
■編集担当：岡本 雄／長濱行太朗