[2016/12/05 16:25]

240〜250cd/m2のPC用ディスプレイの前に100cd/m2に調整されたiPhoneを置き，一緒にカメラで撮影したときの色がだいたい同じになるようにしてみたもの。右下に見えているのが，250cd/m2での白。右側は実際に作った比較用の色

PQ方式の輝度変換曲線

ゲームはどう対処すべきか

ユーザーはどう対処すべきか？

テレビ側にできること

HDRは今後どうなるのか

輝度とは 光の明るさには光度と輝度がある。光度が光源の明るさを示すのに対し，輝度は光源の大きさを考慮した明るさを意味する。それぞれ単位は異なり，光度はcd（カンデラ），輝度ではcd/m2（カンデラ毎平方メートル）が使われる。

この手の記事で「nit」という単位が使われるのを見たことがある人もいるだろう。数値的にはcd/m2と同じなので単位だけ言い換えても意味は変わらないのだが，国際単位系の表記ではcd/m2となる。今後カタログなどに輝度が明記されるようなことになったら，cd/m2が使用されるはずだ。取引の際に使用されるようなものにnitなどの表記を使っていると計量法で罰せられることがある。

また，照明される明るさ（物体表面に入る光の量）を表すには照度が使われる。こちらの単位はlux（ルクス）だ。照明されたもの自体が示す明るさ（物体表面から出てくる光の量）には輝度が使われる。



PlayStation 4 Proの登場とともに，PS4にHDR（High Dynamic Range）映像出力が解禁され，その効果のほどが話題になった。残念ながら，ブラインドテストでもあまり見分けがつかない人は多く，むしろ「輝度の拡張されたHDRだから明るいはず」と思い込んだ人が軒並み間違えるという結果を招くに至ってしまっている（ 関連記事 ）。すべてのゲームがそうというわけではないのだが，一番HDRに積極的に対応しているようなゲームで実際にはHDR映像は暗かったのだ（ 関連記事 ）。なぜ，HDRモードにされた画面は暗くなったのだろうか？ なぜ，ダイナミックレンジが広くて色鮮やかとされていたHDRが冴えない表示になっているのだろうか？ HDR関連では国内の第一人者といえるシリコンスタジオにそのあたりについて聞いてみた。すると，「HDRの画面がSDRよりも暗くなるのは，実は正しい」のだという。このあたりの事情を説明する前に，SDRとHDR（PQ方式：HDR10）の違いを理解してもらう必要がある。HDRはSDRの範囲の映像に「白より明るい」部分を付け足したものと考えていい。一般的な映像はSDRの範囲で大半が収まっており，HDRではとくに明るい部分が拡張された領域で表現される。昔のテレビは，電源を落としたときのブラウン管の灰色の部分を黒，100cd/mくらいの明るさのところを白とする色域を持っていた。コントラスト比は非常に低いのだが，この時期にそういったデバイスに合わせて作られたのがSDRの規格だ。100cd/mというのがどれくらいの明るさかというと，手元にあったiPhone 5では明るさのスライダーを3割から4割のところにしたくらいの白の明るさがそれに当たるものだった。だいたい250〜250cd/mのPCディスプレイで，そのiPhoneの「白」とだいたい同じ明るさの色を作ると，RGB（174,174,174）くらいの色となった。写真にとって比べるとRGB（160,171,176）くらいと，さらに暗めな感じになった。見た目的にはiPhoneのほうが明るく感じられるのだが，実測したうえで両者ともほぼ100cd/mくらいに揃えると後者の値になる。要するに，SDRの基準値は甚だしく暗いのだ。とはいえ，テレビというものは売り場で一番明るい製品から売れていくような商品なので，昔から明るさ競争が繰り広げられており，現実問題として100cd/mの明るさのテレビなどは実在しないと思っていい。液晶ディスプレイでそれに拍車がかかり，最近ではSDRテレビでも250〜400cd/mくらいの明るさがあるという。100cd/m用に作られたものをそんなに明るく映して問題は起きないのか？ というと，ほぼ起きないと思っていい。相対的に全部明るくなるので，色合いが鮮やかになってコントラストが上がる傾向はあるが，だいたいの絵作りや色の関係は変わらない。ゲームを作る側もそういったディスプレイを使っているため，300cd/mや400cd/mでの「白」を基準にゲームは作られて，実態はまったく異なるものを100cd/mピークの信号として扱ってきたという事情がある。とにかく，SDRのテレビではそういった絵作りと製品作りが容認されていたわけだ。これがHDRになるとどうなるか？ HDRにもいろいろ方式があるのだが，ここではPS4やULTRA HD Blu-rayが採用するPQ方式に絞って考えていこう。これまでの方式とPQ方式の最大の違いは，明るさを相対的に扱うか絶対的に扱うかにある。旧式のテレビは明るさを相対的に扱っていたので，前述のように輝度が違う製品が出てきても問題なかった。なにも考えずに信号の最大値の色をそのテレビの最大の明るさで出していればよかったのだ。製品によって映像の明るさや色は異なるが，映像内では破綻しない。明るいテレビでは映像は明るく，暗いテレビでは映像は暗く映ったのだ。PQ方式だと，明るさを絶対値で扱うようになっている。信号の値に対して明るさが決まっているので，理論上は，同じコンテンツを再生したら，どのテレビでも同じ明るさになる（実際は異なるのだが）。HDRで「明るいテレビ」というのは，信号レベルの上のあたりまでちゃんと出せるテレビという意味だ。暗いテレビだと表現しきれていなかった明るさの部分まで表現できるのが明るいHDRテレビである。そこまで明るくないシーンでは明るくないテレビと見栄えは変わらない。全体に明るさを引き伸ばしていたSDRとは根本的に異なる考え方になっている。図で見てみよう（グラフは模式的なもので，実際には曲線となる）。SDRの青い線に対して，黄色い線のHDRはこんなに明るいところまで出るんだぞというのが本来の趣旨なのだが，実際のSDRはオレンジの線や灰色の線のような状態なので，通常の映像部分（0〜300cd/mくらい）の範囲では優位性を示せていないことが分かるだろう。結論としては，HDR表示が暗いのはある意味正しい処理が行われているからだ。HDRからすればSDRのほうがおかしいとなるのだろうが，世にあるSDRテレビが明るいのもSDRの世界では正しい処理が行われているからではある。SDRとHDRでは信号の評価の仕方が違うのだが，有名無実の「標準白＝100cd/m」だと前提で規格が作られているのでまったく実情に合っていない。SDRさん「標準白はめいっぱい明るい色」HDRさん「標準白は暗めな色」という認識で表示を行っていれば，標準白までの明るさで作られた絵（＝HDRでも大半の部分）がHDRで明るくなるはずはない。なお，「HDRのほうが暗い」というのは，高輝度部分でもありうることで，ゲーム中で光源が大きく映し出されるシーンを選び，光源部分の輝度を実測してみたのだが，実はSDRのほうが明るかったことがあった。HDRで明るく出せるテレビならSDRも明るいのだ。昨今のHDR対応のテレビをSDRで使うと，高輝度を生かしてSDRの信号を目いっぱい引き伸ばしてメリハリよく表示してくれる。最近の家電量販店のテレビ売り場に行くと映像の綺麗さに驚くのだが，SDRでも高輝度表現ができていると，HDRの意義はあるのかと心配になる人もいるかもしれない。HDRでは階調表現が違うので，全体を明るく出すのではなく，暗い部分は暗く，明るい部分は明るくと，自然な絵作りができる。また，データビット数が違うので階調性も豊かだ。8bitで0〜100を表していたSDRに対し，10bitで0〜10000を表すHDRで，通常映像部分がどれくらい精細になるのか疑問に思ったこともあったのだが，人間の目の特性に合わせて作られているので，マッハバンドが出やすい部分では階調が細かくなっていることが分かった。PQ方式の輝度変換曲線を見ても，SDR範囲を示す100cd/mのあたりが，信号値のだいたい半分（0.5）くらいになっているのが分かるだろう。つまり，9bitちょっとがその範囲の表現で使われていることになる。まとめると，データフォーマットとしての優位性は明らかなのだが，化石化した規格をもとにSDR映像は暗いという前提で作られたHDR規格で，従来のSDRがカバーする範囲の映像を出すと非常に暗くなる。逆に，SDRと比べて暗くなっていないHDR映像では正しいHDR実装がされていない。とはいえ，実用上は正しい実装をしないほうが遥かに遊びやすい。非現実的な規格と現実をどうすり合わせるかが問われてくるわけだ。PQ方式と従来型SDRで互換性がないことは知られていたのだが，実際問題として映り方がここまで大きく違うのではコンテンツの作りようもない。SDRに対してHDRを自然に見せるには，少なくともHDRを明るめに表示する必要がある。このあたり，シリコンスタジオの川瀬氏は，HDRでSDRの白にあたるところを100cd/mで扱うのではなく，デフォルトでは全体に数値を2倍くらいにしてしまうことを勧めている。実際は2.5から3倍以上にしたほうが明るさ的にはSDRと釣り合うようだが，全体の輝度が上がる分，最大輝度までのヘッドルームが削られていくので，このような倍率の上げ方をすると高輝度の表現をしたときにHDRらしさが出にくくなってしまうと注意を促していた。総合的に考えて川瀬氏が出した結論が「デフォルトでは2倍くらいが無難」というわけだ。そういった固定値で明るくしておけば手間は少ないのだが，それでも不満に感じられることもあるだろう。また，逆に想定どおりの暗い環境でHDR効果を最大限享受したいユーザーもいるため，白レベルをカスタマイズできるようにしておくことが理想的だと話していた。まず，できるだけ明るいディスプレイを購入するべきだというのは変わらない（ 参考記事 ）。理論上，信号と輝度は絶対値で表示されるので明るいディスプレイだと明るく表示されたりはしないはずだが，同じ絵を映しても暗いディスプレイだと明らかに暗い表示がされることがあるのは店頭でも確認している。やはり最大輝度は1000cd/mが基準値にはなるだろう。カタログに掲載されることのない数字なので，店頭でよく聞いてみるしかないのだが。以前述べたように，ULTRA HD PREMIUMマークは一つの基準にはなる。すべての会社が採用するものではないが，認証を受けたデバイスのほうが確実だ。ちなみに，都内の電気屋（正確にはカメラ屋？）で実機の最大輝度を実測もしてみたのだが，どこまで出るかはコンテンツ次第なので店頭では確認しにくいことが分かった。「1000cd/m以上出る奴です」と示された某社の最上位機種で，そのとき上映されていたULTRA HD Blu-ray映像での光源部など，明るそうなところを選んでの計測では600cd/mちょっとに留まった。ほとんどが海底のシーンなのがよくなかったと思われる。別の会社のハイエンド機種でもちょっとだけ明るい程度で700cd/mにも遠かった。しかし，「ちょっと計ってもいいですか？」と，かなり怪しい申し出をしてみたところ，「もちろんです」と二つ返事で許可が出たのはさすが電機の街といったところだろうか。最大輝度が低めの機種でも，明度を調整できるようであれば上げてみるというのも手だろう。ピーク輝度が伸びるわけではないが，絵が全体に暗めに出ているならテレビ側で調整することができる場合もある。調整できない場合は，部屋を暗くしてみるというのがもう一つの手だ。本来，部屋を暗くして見るように作られている規格なので，その見方のほうが正しい。テレビ側にも対応が求められるものはある。まず，明るさ調整だ。ゲームのようにインタラクティブな映像では無理なのだが，映画などでは映像中の最大輝度や最低輝度があらかじめ分かっているため，HDRの映像信号では，そういった情報がメタデータとしてテレビ側に送信されている。それをもとにダイナミックレンジの拡大などを行うことで，本来よりも少しメリハリのある映像にしたり，明るさを上下させたりもHDRの情報量を損なうことなくできる。場合によっては，ゲームでも最大値を決めるなどの対応は可能かもしれないので，動かせる範囲内で調整できれば大きな改善になるだろう。なお，現時点でも画像を鮮やかにするモードを備えたテレビは多いのだが，ちゃんとメタデータ情報に基づいて映像情報を無駄なく出しているのかどうかは不明である。なによりも，最大輝度などは明示してほしいものだ。数字だけを追う最大輝度競争になると，画質がおろそかにされてしまう懸念はあるのだが，SDRのテレビと大差ないものをHDRテレビとして販売している現在の状況には問題があるだろう。HDRの信号を入力できる時点でHDRテレビとみなされるので，どう出力されるかはまったく保証されていないのだ。何度か言及しているULTRA HD PREMIUM規格は，最大輝度1000cd/m以上で最低輝度0.05cd/m以下であることを保証するものであり，現状ではほぼ唯一のHDR認定プログラムだ。様子見しているメーカーが多いのは残念なことである。PS4が先鞭を開き，今後HDR対応の，より低価格な製品が潤沢に出てくることは間違いない。時期的には1年後くらいからだろうか。コンテンツの充実も考えると，HDRが花開き始めるにはまだそれくらいの時間が必要だろう。1000cd/mを超える民生品も出てくるだろう。ソニーは今年のCESで3000cd/mの製品を発表していたので，数年で商品化されることがあってもおかしくない。ところで，PQ方式で最大値となる1万cd/mというのはどれくらい明るいものなのだろうか？ 試しにオフィスにある蛍光灯（32W）を測定してみたのだが，軽く1万をぶっちぎり1万3200cd/mに達していた。直視しても眩しいとまで感じることはないのだが，このレベルの数値になる。現状のHDR規格は，現状のテレビの20倍〜100倍の明るさを実現するものではあるが，映像的にはそれで十分というわけではないようだ。曇天時の空（小雨が降りそうな日の昼過ぎ）で空の明るさを計ってみると，値がまったく安定しなかったのだが，だいたい250〜400cd/mくらいの範囲で変動していた。曇り空といっても空はかなり明るい。普通のテレビで最大輝度を出しても暗めの曇天しか再現できないことになる。なお，川瀬氏によると光の眩しさを表現するには1000cd/mでも力不足だそうで，2000cd/mはほしいとのことだった。現状の民生品では1000cd/mちょっとが精一杯だ。現時点でも超高輝度のテレビというのも実在するらしいのだが，家庭用機器の消費電力水準で作成すると，画面全体を明るくできないのだそうだ。さらに，おそらく熱の問題ではないかと思われるのだが，同じ部分を長時間高輝度にできないなどといった制約がつく場合もあるという。つまり，小さい面積なら1500cd/mくらいの高輝度なのに，面積を大きくすると500cd/mくらいまでしか出なくなってしまったり，同じ部分を明るくしているとだんだん暗くなってしまうことがあるのだ。絶対値じゃなかったのかと問い詰めたくなるところだが，電気的・熱的制約で性能は変動させざるをえないらしい。また，高輝度のHDRディスプレイは一般に厚型で冷却ファンなどが付いている。今後はテレビの設置場所を考えないと，テレビが加熱して輝度が上がらないみたいなことも出てくるかもしれない。すべての鍵は消費電力と輝度であり，より高効率で明るい素子の開発が望まれるところだ。HDRデバイスはまだまだこれから多くのブレイクスルーを成し遂げている必要がある。ゲームやソフトウェア側のHDR関連技術についてもしばらくは温かく見守っていくことが重要だろう。