目を見張るような HDR: 近年の最も重要な TV テクノロジーの背後にあるもの

居心地の良い温かみのある火がHDRで美しく輝きます。

HDR という略語は、テレビ、携帯電話、映画、ビデオ ゲームに関してよく使用されます。の略ですハイダイナミックレンジ、ドイツ語で次のような意味ですハイダイナミックレンジ。

しかし、これは実際には何を指すのでしょうか?つまり、この用語は可能な限り高いコントラスト値を指します。これにより、映画やゲームの特殊効果がより明るく見えるだけでなく、より識別しやすい色のスペクトルを通じて暗い画像のニュアンスも強調されます。

理想的には、HDR 画像合成により、シーンが主観的により鮮明に見え、暗い通路でほとんど見えないものを強調表示し、間に低コントラストの灰色の領域を作成せずに、暗い領域のすぐ隣に明るいオブジェクトを表示します。

可能な色のダイナミクスを極端に利用してはなりません。その場合、全体の印象が非現実的なものになり、現実には知らない色の組み合わせが生じる可能性があるからです。したがって、すべての良いものと同様に、慎重な対応が必要です。この記事では、HDR がどのように機能するかを説明したいと思います。

たくさんの感想が画像になります

HDR がテレビやスマートフォンで使用されてからわずか 9 年ほどです。しかし、写真では、より高いダイナミック レンジがはるかに長い間使用されてきました。カメラと人間の目は両方とも明るい環境と暗い環境に適応する必要があるため、理論的には両方を同時に記録できないことを考えると、興味深い問題です。

カメラは、私たち人間が知覚する光学的印象を捉えることを目的としていますが、カメラの構造が目の構造と似ていても、人間の視覚器官には大きな利点があるため、これは多くの場合 100% 成功するわけではありません。強い光の下では（そしてある程度の暗闇でも）、脳は高いコントラストを処理するのに役立ちます。

どうしてそんなことが可能なのでしょうか？答えは、目は常に動いているということです。最小領域の視野角を変更し、必要に応じて瞳孔を狭めたり広げたりして、時にはより多くの光を、時にはより少ない光を取り込みます。このようにして、脳は個々の印象を組み合わせて、ハイコントラストのダイナミクスを備えた全体像を形成します。

一般的なカメラにはこの能力がありません。静止画の特定の明るさの値にのみ調整できます。平均値を選択する自動システムを使用すると、可能な限り多くの画像の詳細が含まれますが、明るさの分布は非常に不自然になります。

カメラの欠点により、写真に 3 つの誤った印象が生じる可能性があります。

1)日光の下で太陽に向かって撮影した写真は完全に露出オーバーとなり、すべての色合いの明るさの値が増加します。

2)非常に暗い領域で発光物体 (夜の月など) を撮影すると、発光物の周囲の背景が本来よりも明るく見えますが、端では暗い部分がすべて黒いスープに溶け込んでしまいます。ニュアンスが認識できなくなりました。

3)暗闇の中で撮影した写真では、全体の明るさの平均値が低すぎるため、低輝度のオブジェクトが目に見えるよりもはるかに明るく見えないことがあります。

標準的なカメラでは、視覚に正確な写真は中程度の明るさの範囲 (通常は通常の日光) でのみ作成されます。機器が優れているほど (したがって高価であればあるほど)、ダイナミック レンジをさらに拡張できます。最高のデジタル カメラでも、技術的なトリックがなければ、私たちの目のコントラスト知覚 (約 1,000,000 対 1 の値に相当) を実現することさえできません。

HDR が登場

ダイナミック レンジの高い写真は、1 つの画像内で非常に明るい領域と非常に暗い領域の両方を、たとえ隣同士であっても均等にカバーできます。

ただし、Web サイトは常に最小の分母、この場合は SDR (従来のダイナミック レンジ) に合わせて設計されているため、このような表現の「なるほど」効果を記事で伝えるのは困難です。それが何であるかを理解できるように、HDR の効果を模倣するトリックを使用します。いわゆるトーンマッピング- 後処理を通じて画像を強制的に所定のカラーパレットに収めるトリック。

露出オーバー トーンマッピングあり

比較画像では、露出オーバーになっているカメラショットが見られます。トーン マッピングを使用して人為的に後処理された画像は、HDR で画像がどのように見えるかを可能な限り模倣しています。

比較画像を見るときは、たとえ最適なトーン マッピングであっても、失われた画像情報を呼び起こすことはできないことに注意してください。最も明るい光のある領域には詳細が表示されませんが、実際の HDR 写真では、最も明るい点の周囲にかなり多くの背景が表示されます。しかし、少なくとも、暗い領域が低コントラストの平均値に陥るのではなく、明るい領域と同じように顕著になっていることがわかります。

明るいよりも明るい: ゲームの HDR

しかし、カメラの物理的特性に縛られないビデオゲームはどうでしょうか?一見したところでは、ゲームの SDR 表現は HDR バージョンの表現と特に違いはありません。グラフィック アーティストは画像の構成で明るい領域と暗い領域を任意に組み合わせて使用​​できるためです。では、なぜここでも HDR が問題になるのでしょうか?

ビデオ ゲームでは通常、基本的なコントラストを高めるためにハイ ダイナミック レンジを使用するのではなく、グラフィックスにパンチを与えるために使用されます。特に明るいオブジェクトの詳細な表示に適しています。まぶしく明るく輝く溶岩戦争の神ラグナロク夜間走行中の車のテールライトはさらに熱く見えます。フォルツァ ホライゾン 5強力なLEDのまぶしさをリアルに再現します。

さらに、特定のビデオ ゲームでは、珍しいファンタジー コンテンツが必須です。 HDR 効果を利用して超現実的な印象を生み出す可能性は、一部のゲームでは歓迎されています。たとえば、『ガーディアンズ オブ ギャラクシー』の適応における有機的な宇宙シナリオのいくつかをご覧ください。

Xbox コンソールでは、HDR をサポートしていないゲームからより高度なカラー ダイナミクスを呼び出すこともできます。

HDR がテレビに実装される方法は次のとおりです

ハイダイナミックレンジで録音しても、表示できなければ意味がありません。画面で区別できない HDR のすべての明るい色は、最も明るい色の単一の色に結合されます。後処理した写真に似た、ディスプレイが最大限に表示できるもの。この現象はと呼ばれますクリッピング。

HDR コンテンツを正しく表示するには、テレビまたはモニターに十分な大きさのカラー パレットと適切なコントラスト比が必要です。

SDR では、画面は 8 ビットの輝度解像度で動作します。これは、各ピクセルに 255 の明るさレベル (さらに消灯モード) があることを意味します。この値を 3 原色 (赤 256 x 緑 256 x 青 256) を使用して乗算すると、約 1,670 万色になります。人間の目で能動的に区別できるものよりはるかに多くのものがあります。ただし、最大値間のコントラストが低すぎるため、HDR にはこれでは十分ではありません。

4ビット 8ビット

SDR 画面では色深度が低すぎるため、滑らかな遷移ではなく、目立つ色の帯が表示されます。効果は HDR と同様です。 (画像: The Last of Us Part 1)

真の HDR 画面は少なくとも 10 ビットで動作します。これは、各ピクセルが 1024 階調を持つことを意味します。したがって、カラー パレットは 1,073,741,824 色という驚異的な数に達します。しかし、それだけが決定的なポイントではありません。さらに重要なことは、最大の明るさ (および最大の暗さ) が SDR スクリーンの値を十分に上回るか下回ることで、コントラスト範囲が拡張されることです。

この画面の明るさは平方メートルあたりのカンデラで測定され、ほぼ同じ測定値が「カンデラ/平方メートル」と呼ばれます。ニット最近はもっと一般的です。 SDR コンテンツは約 100 nit で輝きますが、HDR フィルムは通常 1000 ～ 4000 nit の範囲でマスタリングされます。優れた映画ディスプレイを実現するには、テレビの明るさが少なくとも 1000 nit であることが理想的です。

ここでは、お使いのゲーム機に最適なテレビを見つけることができます。

実際には、これはガイドラインにすぎません。標準的なテレビでは 1500 nit を超えると過剰な電力が消費され、すべての TV テクノロジーがこのような高い値を実現できるわけではありません。たとえば、OLED モデルでは、発熱により広い領域でピーク輝度に達することが困難になります。その結果、最大黒値も関連するようになり、より広範囲の色合いをカバーするために使用できるようになります。テレビのソフトウェアは、リアルタイムのトーン マッピングを介して極値を調整します。

ゲームに関しては、PlayStation および Xbox コンソールにも、テレビの可能な最大コントラストを手動で決定できるキャリブレーション機能があります。ハードウェアは、ゲーム体験に不可欠なオブジェクトがクリッピングによって認識できなくなることがないように、設定した情報に依存します。

HGiG - ビデオ ゲームのベンチマーク

HGiG ピクチャ モードを使用するゲームでは、ハイコントラストの色がさらに美しく表示されます。この略語は HDR Gaming Interest Group の略で、ゲーム業界の大手である Sony と Microsoft によって提案された、ビデオ ゲームに HDR を組み込む賢明な方法に関する大まかなガイドを表しています。サムスン、LG、パナソニックなどのテレビメーカーがこのグループに参加したほか、大手パブリッシャーのアクティビジョン、ロックスター、エレクトロニック・アーツ、ユービーアイソフトも参加した。

HGiG は、多くのテレビが映画を楽しむときに最適な色を提供する、いわゆるフィルムメーカー モードに相当します。 HGiG を使用すると、コンソールはテレビと通信し、グラフィック デザイナーがデザイン プロセス中に意図した色の値を正確に設定します。厳密に言えば、ゲームを目的としている点を除いて、これはトーン マッピングの一種です。

HDR vs ドルビービジョン

トーン マッピングは、HDR をシミュレートするだけでなく、真の HDR をより正確に定義することもできます。これは、明るさだけでは強いコントラストを実現するのに十分でない場合に便利です。また、映画やゲームに特定の雰囲気を与えるために使用できるスタイル上のデバイスでもあります。

マトリックスの映画と関連する UE5 デモについて考えてみましょう: マトリックスのシーンはすべてわずかに緑色の色合いを持っており、すべてが部​​外者が緑色のコードの形で見るシミュレーションの一部にすぎないことを示唆しています。

マトリックスが目覚める - Unreal Engine 5 PS5 の完全な技術デモをここでご覧ください

しかし、HDR には問題もあります。トーン マッピングは、映画またはゲームの開始時に 1 回だけ設定できます。そのため、現実の黙示録的な世界で行われるマトリックス映画のすべてのシーンも、たとえ望ましくないものであっても、わずかに緑色がかっています。

Dolby Vision やその対応物 (現在はほとんどサポートされていません) HDR10+ などの最新の HDR 標準は、この問題を解決します。彼らは 1 つを可能にします いつでもトーンマッピングを変更できます理論的には、あらゆるシーンで理想的な色を高コントラストで表示できるようになります。

これが HDR の未来です

さまざまなニーズに対応する追加の HDR 標準の開発はまだ完了していません。たとえば、英国の放送局 BBC は、HDR エンコードを SDR 画像信号に乗せて送信できるようにする HLG と呼ばれるバリアントを作成し、放送中にあらゆるタイプのテレビを配信できるようにしました。 HDR をサポートしていないデバイスは、クリッピングによって品質を損なうことなく、SDR ベースを表示するだけです。

一部の IPTV プロバイダーはすでにこれを使用しています。Sky は F1 レースとブンデスリーガの試合を HLG で放送していますが、Magenta TV は現在のワールドカップで HLG を使用していますが、アプリ経由ではなく、本格的な Telekom 受信機を介してのみ使用されています。公共および民間の放送局がある時点で UHD および HDR にアップグレードすると、HLG が使用される可能性が高くなります。

ストリーミングおよび UHD Blu-ray に関して、映画業界は現在、フル フレームごとではなく、ピクセルごとにトーン マッピングを変更できるバリアントを目指しています。ただし、市場に出す準備が整うまでには時間がかかり、その間は一般的なフォーマットを楽しむことができます。

ゲームをどうやって楽しんでいますか？通常の HDR、Dolby Vision (Xbox)、または HGiG ピクチャー モードでしょうか?