Web上で公開されている、ARIB (「アライブ」と読み、正式名称は一般社団法人電波産業会 / Association of Radio Industries
and Businesses) の資料の中に、HDR方式の一つで、BS4Kで使われている「HLG」 (Hybrid Log-Gamma) での、撮影物の輝度からビデオ信号に変換する際の伝達関数
(OETF / Opto-Electronic Transfer Function) を示す数式を見つけました。
(変数を表す文字については、管理人が馴染んでいる文字に変えています。)
「L'」は、「100cd/m^2」を「1」として正規化した輝度であることを考慮すると、
100cd/m^2以下については ： v(%) = r * (L/100)^0.5 * 100
100cd/m^2以上については ： v(%) = ( a * ln(L/100 - b) + c ) * 100
これに数値を代入しグラフ化し、管理人なりの理解を追加したのものが下の図になります。
図の中で、白いエリアが「SDRで表現できる範囲」、赤いエリアが「HDR技術で拡張された範囲」です。
仮に「 v = r * √L' 」の式で「1200cd/m^2」までカバーしようとすると、振幅が大きくなってしまうので、
「100cd/m^2」以上では、伝達特性を変え「ググッ」と振幅を抑えこんでいる (圧縮している) 、ということでしょうか？
異なる2種類のカーブを組み合わせているので「Hybrid Log-Gamma」なんですかね？
次に、先ほどの「v= .....」の式を「L’ = .....」の形に出来れば、ビデオ信号から画面上の輝度に変換する際の伝達関数 (EOTF / Electro-Optical Transfer Function) が求められるわけですが.....
「100cd/m^2 以下」を対象にした式 「 v = r * √L' 」については、
両辺を2乗すると、
v＾2 = r ^ 2 ＊L'
「r = 0.5」なので
v ^ 2 = 0.25 * L’ となり、両辺を4倍し
L' = 4 * v^2
L' は、「100cd/m^2」を「1」として「正規化」していますので、
L = 400 * v^2
v=0 の時は L=0、v=0.5 の時は L=100 となります。
「100cd/m^2 以上」を対象とした式「 v = a * ln (L' - b) + c 」については、
両辺をaで割り、
v/a = ln (L' - b) + c/a
c/aを移動させ、
v/a - c/a = ln (L' - b)
両辺を「eのべき乗」の形にすると、
exp (v/a - c/a) = L' - b
bを移動させると
L' ＝ exp(v/a - c/a) + b
＝ exp(v/a) / exp(c/a) + b
L' は、「100cd/m^2」を「1」として「正規化」していますので、
L = 100 * (exp(v/a) / exp(c/a) + b)
a, b, c に数値を代入すると、v = 0.5 では L = 100、v = 1では L = 1200 となります。
その式をグラフ化し、管理人なりの理解を追加したのが、下のグラフです。
上に示す図の中で、白いエリアが「SDRで表現できる範囲」、赤いエリアが「HDR技術で拡張された範囲」です。
SDR信号でカバーしていた輝度領域は、半分の振幅 (0～50%) に抑えられていますが、10ビットあるいは12ビットで収録されていますので、SDRよりも「きめ細かく収録」されていることになり、暗部のざらつき感も減少するものと考えられ、肌色に見える部分は「35～40%」の箇所かと思います。
また「50～100%」の振幅になっている右半分が、「100cd/m^2」を超える箇所に階調を付けるために確保している領域と考えます。
従来方式 (SDR) では、「100cd/m^2」を想定した「100%白」の部分を、例えば、管理人が持っている「BVM-D24E1WJ」でも「225.6cd/m^2」出ていますし、最近の製品なら、もっと明るいものもあるでしょう。
一方、「HDR」の場合は、最大輝度が「1000cd/m^2」あるディスプレイであっても、信号が持つ階調を忠実に再現することを重視した場合には、「100cd/m^2」を想定した部分を「100cd/m^2」で表示することになり、HDR映像を見たときに「暗く見えてしまうのは当然」かと思います。
但し、NHKの「BS4K」は、多くの番組では同じ時間に「2K」でも放送されているわけではありませんので、録画機器を持っていない限り「HDR」と「SDR」を比較することが出来ず、「暗い？」ことが検知されにくいのかもしれません。
「4KTVが暗く見えるのは、最大輝度が 1000cd/m^2 に達していないのが原因か？」といった「某新聞社の記事」は、とても判り易い話ですが、上のグラフを見れば「最大輝度を 1000cd/m^2 にしただけでは解決しない」ことをご理解いただけるのではと思いますが、どうでしょう？
また「2K ⇒ 4K にアップコンバート」し「HDR」として放送した場合などでは、「50%以上振れている部分は無い」わけですから、これも「max：100cd/m^2」を想定した信号を、TV側で「200cd/m^2 程度、あるいはそれ以上」で映している「SDR信号」に比べると暗く見えてしまうように思います。
民放の「BS4K」では、殆どの番組が同じ時間に「2K」でも放送されていますので、チャンネルを切り替えることで容易に「HDR」と「SDR」を比較することが出来、「暗い？」と容易に検知されてしまうのではと思います。
ちなみに、これを縦軸も横軸もLogにすると、こういった感じになります。
振幅50%あたりまでは直線に乗っていましたが、そこから先は「ぐぐっと」上昇していきます。
「撮影物の明るさ」⇒「映像信号の振幅」に変換する際に「圧縮」していた部分を、「映像信号の振幅」⇒「画面の明るさ」に変換する際には「伸張」しているということでしょうかね？
HLGで定めている「ビデオ信号上の振幅と輝度」間の伝達関数は、確かにこういったグラフのような特性に定められているのかもしれません。
でも管理人が持っている「HDR対応」でない「BVM-D24E1WJ」でも、「SDR信号」で「100%白」を受けたときには「225.6cd/m^2」出ていて、「SDR信号」では「max：100cd/m^2」を想定した部分を、「200cd/m^2～300cd/m^2、あるいはそれ以上」の輝度で映しているのかもしれません。
そう考えると、「SDRと比べても極端に暗く見えないような画作り」としては、HDR信号で「100cd/m^2」を想定した「振幅50%」の部分は、「200数十cd/m^2」出すようにしたほうが良いのでは？と思います。
あるいはそういう設定も出来るオプションも用意しておいたほうが良いのでは？と思っています。
もちろん「単純に中間輝度部分の輝度を上げれば良い」ということではなく、製品毎に異なる「最大輝度」という制約の中で、「HLGが適用された様々なコンテンツを見ながら、時間を掛けて最適なカーブを設定する」必要があるかとは思いますが.....
下のグラフにある「青い線」は、管理人が持っている「HDR対応」でない「BVM-D24E1WJ」の特性に、HDR領域を「机上で」追加したものですが、敢えて「1000cd/m^2」に達していない特性にしてみました。
ちなみに、これを縦軸も横軸もLogにすると、こういった感じになります。
「青い線」では、最大輝度は「1000cd/m^2」に達していませんが、「100cd/m^2」以下の領域については「SDR信号」を表示している時に近い表示になり、「SDR信号を受信しているときに比べると極端に暗い」と感じることがなくなるとともに、HDR領域も潰れずに表現できていると思いますし、ビデオ信号上の振幅が90%のちょっと手前あたりまでは、「青い線」のほうが明るく見えると思いますよ。
HDR信号に収録された「階調」や「明暗の差」を忠実に再現し、コンテンツ製作者が意図した映像が再現されることを重視すれば「赤い線」が正解ですが.....
更に、下に示すグラフの「緑の線」のような特性にすれば、SDR信号受信時と比べても明るさで見劣りしない一方、100cd/m^2以上を想定した箇所も潰れずに見ることが出来ます。(「BVM-D24E1WJ」の輝度を1.8倍し、HDR領域を「机上で」追加したもの。
ちなみに、これを縦軸も横軸もLogにすると、こういった感じになります。
上の図では、
赤の線 ： HDR信号に収録された「階調」や「明暗の差」を忠実に再現することを重視しした画質で、
コンテンツ製作者が意図した映像が再現される。
緑の線 ：「SDR受信時と比べても、見劣りしない明るさ感」を重視した画質
青の線 ： 「赤」と「緑」の中間で、HDRで拡張した高輝度部分の階調の再現を重視しつつも、
SDR信号と比べて「極端には暗く見えない」画質
となって、このような選択肢を用意し、「ユーザー一人ひとりの、それぞれの好み」に応えられるような柔軟性を持たせることが重要ではないか？と思います。
部屋を暗くして観賞するホームシアター志向のマニアの方は、コンテンツ製作者が意図した映像が忠実に再現される「赤い線」を、リビングで家族みんなで見るような場合は「緑の線」を選べば良いわけで、「赤い線」以外で見るのも「それはそれで、アリ」で、「間違った見方ではない！」と思います。
更には、「緑の線」から「赤の線」の間で、5～10段階に伝達特性が変えられるようになれば、「なお良いのでは？」と管理人は思いますけどね。
かつて管理人は「好みの音は人それぞれ」と述べましたが、「好みの画質」も「人それぞれ」かと思いますし、更には「どのようなコンテンツを、どのような環境下 (外光や照明など) で観るか？」によっても変わると思います。
HDR信号を受信したときには「緑の線」で映し、SDR信号を受信したときには「max：400cd/m^2 程度」に制限しておけば、民放のBS4Kのような、「2K」から「4K」にアップコンバートした信号を受信し、これを「HDR」として映しても「暗い」といった問題は起きないように思いますが、どうでしょうか？
さて、HDR信号上で「100cd/m^2」を想定した箇所を「100cd/m^2」で映しても、「何も間違ってはいない」でしょう。
でも、これまでのSDRで「100cd/m^2」を想定した箇所を「200 ～ 300cd/m^2 程度、あるいはそれ以上」で映していたのから一転、HDRでは「100cd/m^2」で表示するようになれば、多くの方々が「あれ、暗い？」と感じてしまうのは、当然かと思います。
「100cd/m^2」を超える輝度を想定した領域の階調表現が出来るようになった一方で、「100cd/m^2以下」を想定していた領域の明るさが抑えられ、素人目には「今までより暗い？」になってしまったんですかね？
これまでのSDRと同様に「100cd/m^2」を想定した箇所を「200 ～ 300cd/m^2 程度、あるいはそれ以上」で映し、そこから「1000cd/m^2」を想定した領域も「潰れていません」というのも、表現方法のひとつでは？と管理人は思います。
なお、管理人は「TV側に問題がある」と言いたいのではなく、「暗く感じさせないために、TV側で出来ることは あって、それは最大輝度を上げることではなく、画作り (中間輝度の部分をどう見せるか) では？」と考えているわけです。
でも、もしも、メーカーや、オーディオ・ビデオ機器の評論家、家電ジャーナリストの方が、
「HDRというのは、赤い線の様に見せることでダイナミックレンジを大幅に拡張した、今までとは全く違う別世界の、とても高画質な映像なんです。それをちゃんと理解して、早くこの映像に慣れてください。」
と考えているとしたら、それはマニア以外の多くの一般ユーザーを軽視した「傲慢な考え方」ではないか？と管理人は思っています。
(あ、でもかつて「4K8K推進キャラクター」だった「深田恭子ちゃん」は大好き！ですよ。)
「4KTVが暗い？？？ (2) 」のページで述べたように、10年以上前に作られたTV「UT47-MX770JW」でも、複数の伝達特性を持たせることが出来ていたのですから、今発売されている「4K/HDR」に対応したTVに、同様の機能が備わっていない筈がない、持たせられない筈がないと、管理人は思っています。
このグラフで言えば、緑の線のように中間輝度を持ち上げれば「明るく見せる画作り」、青い線のように直線にすれば「映像の階調を忠実に再現する画作り」といったところでしょうか？
でも、管理人が繰り返し何度も言うように、そんなこと「HDR対応TV」を開発する一部上場企業の「一流のエンジニア」の方々が判ってない筈がありません。
「映像設定メニュー」の中に、伝達特性を変更できるような設定が、実はちゃんと仕込んであって、万が一仕込んでなくても、 放送ダウンロードによるソフトウェアのUpdateで改善できるんじゃないですかね？
最大輝度を上げようとすれば、消費電力も増えますので「バックライトだけでなく、電源回路/放熱方法も含めて設計し直し」ですが、伝達特性を追加/変更するのは「ソフトウェア」のUpdateで対応可能なのでは？と思っています。
(でも、ソフトウェアを収めるストレージや、ソフトウェアを動かすメモリなどのリソースを使い切っていると、バグを修正するくらいのことは出来ても、新規の機能を追加するようなことは出来ないのかもしれませんけどね。)
なお、ここまでの説明で、「最大輝度を1000cd/m^2 に上げさえすれば解決する話ではない」ことも、ご理解頂けているのでは？と思います。
下図において「赤い線」のように表示すれば、コンテンツ製作者の意図通りの映像が表示されるわけですが、従来の「SDR」で収録した映像では「100cd/m^2」以上は潰れているわけです。
「HDR信号上で、100cd/m^2 を想定した箇所」は、「SDR信号上で、100cd/m^2 を想定した箇所」を映しているときと同程度の明るさで映し、そこから先は「潰れない程度」に伸ばしていき、最大輝度が大きく出来るようになるに連れて、HDR領域についても「更に明るさを伸ばし、HLGで定めるカーブの形に近づいた伝達特性」にしていければ良いように思いますけどね。
あるいは、まさか、BS4Kについては「HLGで定める伝達特性に則って出力しないと、HDRロゴが付けられない」といった縛りでもあるのでしょうか？
HLG信号を受けたときの伝達特性が変えられないのであれば、SDR信号を受けたときの明るさを 「max : 100cd/m^2」に制限するしかありませんね。
余談ですけど、パソコンの「ユーザー・インターフェース」が、従来方式から突然変わってしまった場合、最新OSを試したいマニアには受け入れられるのかもしれませんが、「業務を効率的に進めるための手段」「会社からの指示」でPCを使っているようなユーザーにとっては「また、これ覚えなくちゃいけないの？」と「面倒臭いだけ」です。
かつて「Windows 95」から「Windows 7」まで継承された「スタートボタン」による操作方法が、スマホやタブレット風にした「Windows
8」でがらっと変わりましたが、不評だったんでしょうか？
「Windows 10」では「Windows 7」に近いものに戻ってきました。
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先日 (2020年9月上旬) 、プリンターのインクカートリッジを購入する目的で家電量販店に行ったついでに、民放の「BS2K」と「BS4K」を見比べてみましたが、「BS4Kが明らかに暗い」という感じはしませんでした。
ただ、民放の「BS2K」と「BS4K」で同じドラマが放映されているときに見比べてみると、色がやや異なって見え、その番組を見る限りは、管理人にとっては「BS2K」の色の方が自然に感じました。
NHKの「BS4K」も「暗い」という印象はなく、現在販売中のTVでは改善されているのか、あるいは放送局側で改善されているのかもしれません。
(今はまだ買う気が無いので、1機種だけでの「チラ見」ですが、自分が本気で購入を考えているときには、「これが良いカモ？」と思う機種を、時間帯を変えて何度も見て..... あ、でもやっぱりオークションとかの安価な中古品から選ぶカモ.....)
(2020/10/03 追記)
な～～んて、思っていたのですが、またプリンターのインクカートリッジが切れたので、家電量販店に行ったついでに、「チラ見」したところ、NHKの「BS4K」の映像が暗く感じました
。
そのとき放映されていたのは「和食の神髄をデータ化せよ」という番組 (2020年9月29日放送) で、家に帰ってNHKのWebサイトを調べてみると「HDR収録」した放送のようで、2020年9月上旬に家電量販店で見た番組は「HDR収録ではなかった可能性」があります。
ちなみに見ていたTVは、旧モデルの在庫処分品ではなく「2020年発売モデル」です。
民放BS4Kで「HDRじゃないのにHDRとして放送している」といった問題は、放送局側での運用を改善することで解決済みである一方、「HDR収録した信号」を受けたときには、「100cd/m^2」を想定した部分を「100cd/m^2」程度で映していて、管理人はこの映像を「暗い」と感じたのかもしれません。
何度も言うように、管理人が思う「理想のHDR映像」というのは、「100cd/m^2を超える領域の忠実な階調表現を重視した映像」ではなく、これまでのSDR映像で表現してきた「max：100cd/m^2」までは「従来TVのような明るさ」で映して、そこから先は「明暗差を正確には表現していないものの、潰れてはおらず階調が表現されている」というものですが、現行の「4K/HDR対応TV」は、そうではないのかもしれません。
(家電量販店で「チラ見しただけ」の管理人の、あくまで推測です。)
(2020/11/07 追記)
その後2020/10/10に、やはり店頭で、「NHKのBS4K」で正午から放送されていた「グレートヒマラヤトレイル エベレスト 光の回廊」を見たときに思ったのですが、雪の積もった白い山肌を「暗い？」と感じました。
「HDRフォーマット」で収録することで、「100cd/m^2」以上を想定した明るさの記録は出来るのですが、「Reference white」は、「SDR信号」と同様に「100cd/m^2」です。
雪山などでの「白い部分」は、画面内での面積も大きいですから、ここは「Peak white」ではなく「Reference white」になるのでしょう。
「HDR収録」したコンテンツでは、「どれも1000cd/m^2 までの明るさが収録されている」とは限らなくて、「100cd/m^2 をちょっと超える」程度までしか含まれていないコンテンツもあろうかと思います。
「グレートヒマラヤトレイル エベレスト 光の回廊」では、もしかして画面内に「太陽」が映ったときには、「Peak white ： 1000cd/m^2」に近い明るさになっていたのかもしれませんが.....
ちなみにその前に午前11:29から放送されていた「にっぽん縦断 こころ旅」は「HDR収録」ではなく、それは管理人にとって「暗い？」とは感じませんでしたね。
(店頭に短時間いるだけでも「SDR収録された番組」と「HDR収録された番組」の両方が「チラ見」出来るようなタイミングに家電量販店に行ったんです。)
「100cd/m^2を超える領域の忠実な階調表現」なんてのは、最大輝度が「1000cd/m^2」を大きく上回るようになってからするべきでは？と思っていて、SDR収録したものよりも暗く感じるようでは「本末転倒では？」と思います。(もちろん、管理人個人の見解ですよ。)
但し、将来、最大輝度が「1000cd/m^2」を大きく上回った時に備え、今のうちから「100cd/m^2」以上の領域を潰れずに収録することは「意味のあること」と思っています。
管理人は「HDRで収録」する技術については期待を持っているものの、最大輝度が「1000cd/m^2程度か、それ未満」しかない現在のTVでの画作りについては、「改善の余地がある」ように思っているんです。
なお「SDR信号」を受信しているときにも「パネルの最大輝度まで出す」ような画作りをしていたら、最大輝度がどれだけ上がっても「HDRに切り替えると暗い」ままですよ。
ちなみに解像度に関しては、民放の「BS4K」では、ドラマなどでは元々が「2K」収録のコンテンツを「アップコンバート」しているのか、画面にう～んと近づいても「4Kの方が高精細」には見えませんでした。
テレビショッピングの番組だと「4K収録」だったりして、管理人にとっては「4Kの無駄遣い」っぽく感じますが、頻繁にテレビショッピングで購入されている方にとっては、購入しようとする商品などが「より鮮明」に見えるのでメリットはあるでしょうね。
一方で、NHKの「BS4K」は「BS1」や「BSプレミアム」とは別プログラムで、ちゃんと「4K収録」したコンテンツを放送していますから、画面に近づいて見れば「2Kよりも高精細」な映像には見えます。
今4KTVを購入しても、フルタイムで4K映像が見られるのは「NHK」の「BS4K」だけのようですが、そこに「是非とも見たい」コンテンツがあれば、「買う意味は十分にある」と思います。
でも「HDR収録したコンテンツ」を見たときには、管理人と同様に「暗い？」と感じる方もいらっしゃるかもしれません。
TVを購入するときには、ネット上の「口コミ」とか雑誌の評価、カタログの記載などを鵜呑みにするのではなく、店頭で実際の画面を「自分の眼で見て確認する」ことが重要かと思いますし、「デモ映像」ではなく「放送波」でちゃんと確認し、更には「HDR収録」した番組が放送されているときに確認することも重要かと思います。
「HDR収録かどうか？」は、NHKのWebサイト内の「番組表」から確認できます。
購入後に「デモ映像」を見ることは、まずありません。
「4K/8Kテレビのこと」で述べたように、「デモ映像」だと素晴らしく綺麗な映像に見えたのに「放送波」だと「あれ？」といったこともありますからね。
「自分の眼で確認する」といえば、画面の明るさだけでなく、上下左右の斜め方向から見たときの画も重要かと思います。
有機ELでは問題ないのでしょうが、液晶の場合はIPS方式だと斜め方向から見ても色の変化は殆どありませんが、VA方式では、斜め方向から見たときの色の変化は気になります。
但し、真正面から見たときのコントラストはVA方式の方が優れているとか.....
これって、どっちが優れているという話ではなく、マニアの方がTVの真正面に座って「自分ひとりで、どっぷり浸る」ならVA、家族みんなで観るのならIPSってことで、「用途次第」ってことなんだと思います。
でもこういうのは、店頭で実物を見ないと、実感できないことだと思います。
ちなみに管理人の場合は、ノートPCを操作しながら、TVを斜め方向から「チラ見」していることが多いので、そういう人にはIPSが適していると思います。
裸眼で0.7未満の視力しかない管理人ですが、「手元がボケたら、ノートPCのキーボードを操作出来ない」わけで、普段は眼鏡をしていません。
(もう30年くらいパソコンを使っているのに、今も「ブラインドタッチ」なんて出来ません。)
普段からフルHDの画面もちゃんと見えていない (眼鏡を付けると画面がクッキリすることは判っています) 状態で観ているので、4KTVの必要性を感じないんですよ。
視力の良い方が、ホントに羨ましいです。