ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情 第456回

いまさら聞けないIT用語集　 映像の白飛び・黒つぶれを抑えるHDR

ディスプレーには
輝度に限界がある

　そもそもなぜ白飛び、あるいは黒潰れが発生するかといえば、これは表示装置の限界によるものだ。たとえば下図のようなヒストグラムを持つ映像があるとしよう。横軸は輝度で、単位はcd/m²になっている。

ある映像のヒストグラム

　ここで輝度の例だが、1cd/m²がだいたい夕暮れ程度といわれる。10^-6cd/m²が夜空で星があんまり見えない程度、10^-3cd/m²が満月の夜である。

　屋内がおおむね10²cd/m²程度、晴れの日の屋外が10³cd/m²程度。太陽光を直視すると10⁶cd/m²程度になる。つまり、輝度といっても10^-6cd/m²から10⁶cd/m²程度まで、12桁にも及ぶ幅があるわけだ。

　問題は、これをどこまで表示できるかである。SDR(Standard Dynamic Range)、つまり従来の機器の場合、下が10^-1cd/m²程度、上が10^-3cd/m²程度に留まっている。

ピンク色がSDRの表示範囲

　よく「ダイナミックレンジ1:1000」などという表現があるが、これは表現できる一番暗い輝度部と、一番明るい輝度の比が1:1000になっているという意味だ。

　さて、これをそのまま表示するとどうなるかというのが下図で、要するに表示範囲の左右が全部切り取られてしまう。左側の部分は黒潰れ、右側の部分は白飛びになる形だ。先の「なんちゃってHDR画像」の表示はこのやり方である。

ピンクの範囲の左側は真っ黒、右側は真っ白になる

　これをどうすればいいか？というと、輝度のヒストグラム全体を圧縮して、SDRで表現できる範囲に収めれば、原理的には黒潰れや白飛びはなくなる。少し前に流行った、既存の映像をHDR化というのがこのやり方だ。

既存の映像をHDR化する手法。圧縮するので画質が落ちる

　もちろん均一に圧縮するのではなく、輝度に応じて圧縮率を変化させたり、本来の画像の輝度を推定して、そこから圧縮率を計算するなど、いろいろな技法が提案されているが、いずれにせよ輝度情報を圧縮することに変わりはないので、どうしてもディテールが落ちることになる。

　先のなんちゃってHDR画像では、一見気がつきにくい(そもそもそれほど激しくは圧縮していない)が、拡大するとやや潰れている部分が見て取れる。これが画質を落とすことになるわけだ。

　根本的な問題は表現できる輝度の幅が狭いことであり、そこで「より表現できる輝度の幅を広げよう」というのが本来のHDRの手法である。

　下図のように、表現できる範囲を広げてやれば、本来のヒストグラムのかなりの部分がそのまま再生できるし、多少圧縮してもディテールの欠落がだいぶ改善する。つまり、全体としての画像の再生品質が上がるわけだ。

表示範囲を広くしたのがHDR

圧縮してもSDRほど画質が劣化しない