4KTV/4K放送が暗い?

 4K放送が始まって1年ちょっと経過しましたが、最近Web上には「4KTVが暗い」とか「4K放送が暗い」といった記事が出始めていて、「HDR技術に起因するのでは?」とも言われていますが、管理人にとっては「それホント?」と思うような記事もあります。
 いつかは「4K/HDR」対応のTVを買うであろう管理人も「わたし、気になります!」(「千反田える」風に) なのですが、管理人は「4K/HDR」に対応した受像機器も信号発生器も持っていません。
 それでも何か出来ないか? と色々考えていて、何週間も前から「下書き中 / 非公開」の状態でしたが、ようやく管理人的には「公開できるレベル???」になりました。

 

 「大事なことなので、2回言います!」が (笑) 、管理人は「4K/HDR」に対応した受像機器も信号発生器も持っていません。
 実際の「4K/HDR」の画面を調べて言っているのではなく、全て「4K/HDR に対する、管理人の想像/妄想」であることをお断りしておきます。
 管理人にとっては「是非とも、4K/HDRで観たい!」と思えるようなコンテンツが、今の処ないんですよ。

 

 管理人はHDRに関して、まだまだ「勉強不足」で、本ページは「考察中 / 作成途中」の段階であり、ちょこちょこと加筆修正中です。
 繰り返しますが、管理人は「4K/HDR」に対応した機材を何も持っていませんからね (^_^);; 。

 

 今後何か気がついたり、知見のある方から御指導を戴ければ、追記/修正などするでしょうし、「管理人の勘違い?」と思えば、予告なく削除するかもしれません (笑) 。

 

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 まず始めに、ここで画面に映っているのは、「グレースケール信号」と呼ばれる、受像機器を評価するための「テストパターン」の一つ。 

 

 

 輝度信号の波形は階段波で、振幅はリニアに変化しています。(「0.2V / div 」です。)

 

 75Ωで終端した時には、同期信号部も含めて「1V peak to peak」の振幅があり、映像信号部の振幅は「0.7V」で、振幅が最も大きい部分、階段の一番高い所は「100%白」とも呼ばれます。
 この「グレースケール信号」を「ブラウン管モニター」の「BVM-D24E1WJ」に表示させ、各部分の輝度を測定します。
 なお、ここでは「1080 i 」フォーマットの信号を使っています。もちろん「HDR」ではありません。

 

 

 ブラウン管の場合、コントラストの高い静止画を長時間表示させていると、明るい部分で「アパーチャーグリル」の熱変形に拠ると思われる、「色純度の悪化」が発生します。

 

 ちなみに、SONYの「トリニトロン方式」や、三菱電機の「ダイヤモンドトロン」方式以外のブラウン管では、「アパーチャーグリル」ではなく、「シャドウマスク」と呼ばれると思います。

 

 

 また画面をMax付近まで明るくするとフォーカスも悪化しますので、動画を見ながらフォーカスの悪化を感じない程度にまで「コントラスト」を下げており、ここでは「max:2000」に対し「1500」に設定して輝度を測定しました。

 

 

 

 グレースケールを表示した画面上では、輝度信号波形と同様、階段を「一段一段」上るように明るさが伸びているように見えますが、実際に輝度を測ってみると、下のようなグラフになります。

 

 

 輝度に関して管理人は、長い間「cd/m^2」という単位を使ってきました。
 使っている計測器も古いものですので「cd/m^2」の表示ですが、最近は「nit」(ニット) と呼ばれることが多いようです。

 

 

 

 先に示した図を見る限りは、非直線な特性に見えましたが.....

 

 横軸と縦軸を「Log」にすると、なんと!「ほぼ直線」になるんです。
 ここで「右方向」「上方向」に余白を設けているのは、後で「HDR」と比較出来るようにするためです。

 

 

 「直線」ということは、「1次関数」で表すことが出来るわけですが、ここでは「 y = a*x + b 」の形ではなく、「 log(y) = a * log(x) + b 」の形となります。

 グレースケールの左端 (1step目) の輝度が「0.8452cd/m^2」、右端 (10step目) の輝度が「225.6cd/m^2」でしたので、ここから「傾き」と「y軸との交点」を求めることが出来、式は

   log(y) = { log(225.6) - log(0.8452) } / { log(10) - log(1) } * log(x) + log(0.8452)

 となり、数値に出来る部分を計算すると、

   log(y) = 2.426 * log(x) - 0.07304

 となります。

 

 この式を更にいじくると、こんな感じ。
 (高校生の頃に習ったはずですが、すっかり忘れていて、Web上で調べることで思い出しました (汗;;) 。)

   y = 10^{2.426 * log(x) - 0.07304 }
    = 【10^{log (x^2.426 ) } 】 / ( 10^0.07304 )
    = x^2.426 / 1.183

 ここで「 x のべき乗」となっている「2.426」が、「ガンマ」と呼ばれるものに近いものです。

 

 「ガンマ」と呼ぶためには、横軸には「ブラウン管のドライブ電圧」を、縦軸には「アノード電流」を、対数目盛上にプロットするのが正しく、そうすれば「画面の明るさ設定」や「テスト信号のStep数」に関係なく一義的に決まり、その値はNHK発行の「テレビ技術教科書」に拠れば「2.5 ~ 3 程度」になるのですが、その方法だと液晶TVや有機ELなど「ブラウン管以外のディスプレイ」には展開出来ません。
 そこでここでは、「邪道であることは、百も承知」で、横軸は「グレースケールのステップ値」、縦軸は「画面の明るさ」にしています。
 古~い映像機器/音響機器や計測器しか持っていない管理人には、「邪道」しか選択肢が無いんですよ (笑) 。
 また「ブラウン管のドライブ電圧」や「アノード電流」を測定するには、それに適した道具も必要ですし、高電圧に対し十分に安全対策を施した作業環境も必要ですので、一般家庭内で行うようなものではありません。

 

 「HDR / High Dynamic Range」以前のものは、「SDR / Standard Dynamic Range」と呼ばれ、
「100cd/m^2」の明るさを想定していると聞きますが、HDRに対応していない「BVM-D24E1WJ」でも、「225.6cd/m^2」出ていますし、かつて管理人が常用していた液晶TVでは「HDRのこと (1) 」でも示したように、maxで「280cd/m^2」程度あり、それでは「明る過ぎる」と感じている管理人は「120cd/m^2」程度で見ていました。
 (管理人が実家に帰ってきてからは、このTVは父親が使っています)

 でも今から50年以上前、世の中に最初にTVが登場した頃には、「100cd/m^2」出すというのは大変なことだったのかもしれません。
 また、ブラウン管では、ネック部にある電子銃からの電子ビームを画面全体にスキャンさせることで画面を作っていましたから、画面の面積が大きくなる程、「100cd/m^2」出すのは難しくなっていたと思います。
 最近のTVなら「100cd/m^2」出すのは容易なことで、多くの家庭では「max:100cd/m^2」を想定して作られた映像を「それ以上の明るさ」で見ているものと考えられます。

 

 振幅の最も大きい部分は「100% 白」とか「100 IRE」とも云われますが、「画面の明るさが 100cd/m^2 になるように調整して観る」というルールはなく、観る側が「好みの明るさ」にしていますよね。
 そもそも、一般家庭に「輝度計」なんてありません。

 

 

 さて、4K/8K放送などで使われている「HDR」というのは、ハイビジョン放送では「8bit」だったのを、「10bit または 12bit」に拡張しているようです。
 HDRでは「max:1000cd/m^2 」程度を想定しているようですから、管理人が見ている「グレースケール信号」で云うと、更に「10ステップちょっとくらい」明るいところまで想定しているということでしょうか?

 

 但し「4K/HDR」に対応した機器に「アナログ映像出力」は無いみたいで、デジタル化された信号を「HDMI / High-Definition Multimedia Interface」という通信規格に則って送受信しているのでしょうから、「振幅」をアナログ接続したオシロで確認する方法は無いのかもしれませんけどね.....

 

 

 現在発売されている「HDR対応TV」は、明るいものでは最大輝度が「1000cd/m^2」近くある一方で、
「1000cd/m^2」達しているかどうか、明らかにされていないものもあるようです。
 仮に最大輝度が「1000cd/m^2」に達しているTVに映したとしても、「想定しているmax輝度」と「モニターが出せるmax輝度」がほぼ等しくなるでしょうから、「最大輝度を1000cd/m^2」と想定したコンテンツの中で
「100cd/m^2 程度の明るさ」と想定している箇所を、TV側が「100cd/m^2 程度」で表示した場合、「従来品より暗い」と感じる場合があるのではないでしょうかね?
 更には、人の表情や背景に映る風景など、数~数十cd/m^2 程度の明るさを想定した部分が、従来品より暗くなっていると、「画面全体が暗い」と感じてしまうのではないでしょうか?

 

 最大輝度が「1000cd/m^2」に達している製品でも、「実物の明暗差を忠実に再現する」ことを優先して画作りをした場合、上の図に示すように、「HDR技術を活かした、とびっきり明るい部分」では「HDR非対応TV」に勝っても、「HDR技術の要らない通常の明るさの部分」では、「HDR非対応TVよりも暗く見えてしまう」ことになってしまうのでは?と考えるからです。

 

 

 「HDR対応TV」といっても、「1000cd/m^2」程度、あるいは「それ以下」しか出せないうちは、従来のSDR技術でも収録できた範囲 (100cd/m^2まで) は、なるべく従来TVのような明るさにしておいて、そこから先は圧縮して「飽和させないように (潰れないように) ジワジワと伸ばしていく」ほうが良いのでは?と思います。

 

 別の言い方をすると、「最大輝度が大きいTVほど優れている」のではなく「中間部分をどう表現するかが重要」で、そこが「エンジニアの腕の見せ所」「メーカーが持っている画作りのノウハウ」だと、管理人は思っています。

 でもでも、「HDR対応TV」を開発する一部上場企業の「一流のエンジニア」の方々が、そんなこと判ってない筈がありません。
 そういった設定も出来るように「映像設定メニュー」の中に、ちゃんと仕込んであるのでは?と思うのですが、
「4K/HDR」に対応したTVや信号発生器を持っていない管理人には、確認の方法がありません。

 メーカーからデモ機を借りられるようなお立場の人で、誰か調べてくれませんかねぇ~~

 

 

 

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