ハイダイナミックレンジビデオ

ハイダイナミックレンジビデオは標準ダイナミックレンジビデオよりも広いダイナミックレンジを有するビデオ映像である。HDRビデオは撮影、制作、コンテンツ/エンコーディングおよびディスプレイで構成されている。HDRの撮影およびディスプレイはより明るい白と、暗い黒を表現する。これに対応するために、HDRのエンコーディング規格ではより高い最高輝度を受け入れ、少なくとも10ビットのカラー深度を使用することでこの広い範囲での精度を保証している。

「HDR」という用語は厳密には輝度の最大値と最小値の比率を意味するが、一般的には「HDRビデオ」という用語は広色域も含まれていると理解されている。HDRとWCGの組み合わせは大きなカラーボリュームが可能となる。

なお、HDR伝達関数が通知された時にはHDRに切り替える必要があり、10ビットモードだけやBT.2020の原色とマトリックスではHDRとはいえない。

1. 技術
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1.1. 伝達関数
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1.1.1. PQ
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SMPTEがSMPTE ST 2084として発表した知覚量子化器とはSDRで使用されているガンマ曲線を置き換えることでHDR表示を可能にする伝達関数である。輝度再現を10,000cd/m2にまでレベルアップする。ドルビーによって開発され、SMPTEによって2014年に標準化され、2016年にはRec. 2100としてITUによっても標準化された。ITUはPQないしHLGをHDRテレビの伝達関数として指定している。PQはHDRビデオ方式の基礎となっている。PQはRec. 1886EOTFとの下位互換性を有していない。

PQは色擬似輪郭に対するヒトの視覚特性に基づいた非線形伝達関数で、12ビットで擬似輪郭を発生させなくすることができる。ガンマ曲線を10,000cd/m2まで拡張する場合には、15ビットが必要とされる。

PQ EOTFは以下の通り：

PQの反転EOTFは以下の通り：

ここで

はの範囲をとる非線形の信号値。
はcd/m2で表したディスプレイ輝度
は[0:1]の範囲をとる正規化した線形の表示値

1.1.2. ハイブリッド・ログ＝ガンマ
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ハイブリッド・ログ＝ガンマはBBCとNHKが共同で開発したロイヤリティフリーのHDR規格である。HLGは、他のHDR方式に必要なメタデータがHDR非対応のディスプレイに対して下位互換性がなかったり、余計な帯域幅を必要としたりすることや、伝送中にデータがダメージを受けたり、同期ずれが起こる可能性のあるテレビジョン放送によりよく適合するように設計された。HLGでは信号レベルが0.5以下ではガンマ曲線を使用し、それ以上では対数曲線を使用する非線形光電変換関数を定義している。実際には、この信号は標準ダイナミックレンジディスプレイでは正常に解釈されるが、HLG互換ディスプレイでは信号曲線の対数部分を正しく解釈し、より広いダイナミックレンジで表示される。他のHDR形式とは対照的に、HLGはメタデータを使用していない。

HLGの伝達関数はSDRのガンマ曲線に対して下位互換性がある。しかしながら、HLGは一般的にはRec. 2020の原色点とともに使用されるので、非互換のディスプレイでは視覚的にも色相がシフトした、飽和度の低い画像が生成される。したがって、HDLはSDRのUHDTVに対して下位互換性があり、Rec. 709の原色点をサポートする一般的なSDRディスプレイでは色ずれを呈する。

HLGはATSC 3.0、デジタルビデオブロードキャスティングのUHD-1 Phase 2および国際電気通信連合Rec. 2100で定義されている。HLGはHDMI 2.0b、HEVC、VP9およびH.264/MPEG-4 AVCでサポートされている。HLGはBBC iPlayer、ディレクTV、Freeview Play、YouTubeといった配信サービスでもサポートされている。

1.1.3. SDR伝達関数
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BT.1886にはSDRコンテンツの伝達関数が記載されている。sRGBの伝達関数はBT.709およびBT.1886のどちらの逆関数とも異なっている。SMTPE 240Mも独自のEOTFを定義しており、これも異なってい。

1.2. メタデータ
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1.2.1. 静的メタデータ
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静的なHDRのメタデータは、ビデオ全体についての情報を与える。

SMPTE ST 2086 ないし MDCV ：マスタリング用ディスプレイのカラーボリュームを記述。SMPTEによって定義されており、AVC規格およびHEVCでも定義されている。
MaxFALL 
MaxCLL これらのメタデータにはコンテンツよりもカラーボリュームの小さな民生用HDRディスプレイにどのようにHDRコンテンツを適用するのかは記載さえれていない。

MaxFALLおよびMaxCLLの値は、マスタリング用ディスプレイでシーンがどのように見えるのかに基づいてビデオストリーム自体から計算される。任意の値を設定することは推奨されない。

1.2.2. 動的メタデータ
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動的メタデータは映像の各フレームないし各シーンに固有である。

ドルビー・ビジョン、HDR10+およびSMPTE ST 2094の動的メタデータは、マスタリングディスプレイとは異なるカラーボリュームを有するディスプレイに表示されるコンテンツに、どのカラーボリューム変換を適用すべきかを記述する。各シーンおよび各ディスプレイに最適化される。これによってカラーボリュームが制限された民生用ディスプレイでもクリエイターの意図を維持することができる。

SMPTE ST 2094ないし「カラーボリューム変換のための動的メタデータ」は、2016年にSMPTEによって6部構成で公開された動的メタデータの標準である。これはHEVC SEI、ETSI TS 103 433、CTA 861-Gに搭載されている。以下の4つのアプリケーションが含まれている：

ST 2094-10、ドルビー・ビジョンで使用
ST 2094-20、カラーボリューム再構築情報はST 2094-20を基にしている。
ST 2094-30。カラーリマッピング情報はST 2094-30に準拠し、HEVCで標準化されている。
ST 2094-40、HDR10+で使用。

1.3. 色度
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HDビデオ用のSDRはRec. 709で規定されているシステム色度を使用する。SDビデオ用のSDRはBT.601やSMPTE 170M記載の様々なことなった原色を使用している。

HDRは一般に広色域に関連付けられている。Rec. 2100はRec. 2020で使用されているのと同じシステム色度を使用する。HDR10、HDR10+、ドルビー・ビジョン及びハイブリッド・ログ＝ガンマといったHDR形式もまたRec. 2020の色度を使用している。



1.4. ビット深度
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ダイナミックレンジが拡大したので、疑似輪郭を避けるためにHDRコンテンツはSDRよりも多くのビット深度を必要とする。SDRは8ないし10ビットのビット深度を使用するが、HDRは10ないし12ビットを使用する。これとより効率的な伝達関数と組み合わせることで、十分疑似輪郭を回避できる。

1.5. 信号形式
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Rec. 2100はHDR-TVの信号形式としてRGB、YCbCrないしICTCPの使用を規定している。

// はドルビーがHDRおよび広色域用に設計し、Rec. 2100で標準化された。

再構成を伴うIPTPQc2はドルビー独自の方式であり、ICTCPに類似している。ドルビー・ビジョンのプロファイル5で使用されている。

1.6. デュアル・レイヤー・ビデオ
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一部のドルビー・ビジョンのプロファイルは、ベース・レイヤーと、エンハンスト・レイヤーで構成されるデュアル・レイヤー・ビデオを使用する。ドルビー・ビジョンのプロファイルに応じて、ベース・レイヤーはSDR、HDR10、ハイブリッド・ログ＝ガンマ、Blu-rayと下位互換性があるか、ビデオ形式と互換性なくすることができる。

2. 形式
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2.1. HDR10
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より一般的にはHDR10と知られるHDR10メディアプロファイルは、全米家電協会によって2015年8月27日に発表された、公開のHDR規格である。 これは最も広く普及しているHDR形式であり、 デル、LG、サムスン電子、シャープ、VU、ソニー、Vizioといったモニターおよびテレビ製造業者や、 それぞれ、PlayStation 4、Xbox Oneなどのゲーム機やApple TVなどのプラットフォームでHDR10をサポートするソニー・インタラクティブエンタテインメント、マイクロソフトおよびAppleなどのさまざまな企業がHDR10をサポートしている。

以下にHDR10の定義を示す：

電気光伝達関数：SMPTE ST 2084
ビット深度：10ビット
原色点：Rec. 2020
静的メタデータ：SMPTE ST 2086、MaxFALL、MaxCLL
カラー・サブサンプリング： 4:2:0HDR10は技術的には最大輝度10,000cd/m2に制限されているが、一般的なHDR10のコンテンツは1,000～4,000cd/m2でマスタリングされている。

HDR10はSDRディスプレイには下位互換性がない。

HDR10のコンテンツよりもカラーボリュームが小さいHDR10ディスプレイでは、HDR10のメタデータがコンテンツを調整するのを助ける情報を提供する。しかしながら、このメタデータは静的であり、コンテンツをどのように調整すべきかは示されないため、決定はディスプレイ次第であり、クリエイターの意図が保持されない可能性がある。

HDR10と競合するフォーマットとしてはドルビー・ビジョンやHDR10+およびハイブリッド・ログ＝ガンマがある。

2.2. HDR10+
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HDR10 Plusとしても知られるHDR10+は、2017年4月20日にサムスン電子とアマゾン・ビデオから発表された。HDR10+はHDR10に対して、シーンごとないしフレームごとに10,000cd/m2までの最大輝度をより正確に調整できるようするための動的メタデータと、10ビットのカラー深度および8Kの解像度のサポートを追加して更新した。この機能はサムスン電子の適用書 SMPTE ST 2094-40 Application #4 を基にしている。HDR10+は公開標準でロイヤリティフリーであり、Colorfront社のTranskoderとMulticoreWare社のx265でサポートされている。HDR10+のデバイス製造者に対する認定およびロゴプログラムは、製品1台ごとではなく、年間の管理費で適用される。認定されたテストセンターがHDR10+デバイスの認定プログラムを実施している。

2017年8月28日、サムスン電子、パナソニックおよび20世紀フォックスは、HDR10+規格を宣伝するためにHDR10+アライアンスを創設した。HDR10+のビデオは2017年12月13日にAmazonプライム・ビデオで提供が開始された。2018年1月5日、ワーナー・ブラザースはHDR10+規格のサポートを発表した。2018年1月6日、パナソニックはHDR10+をサポートしたUltra HD Blu-rayプレイヤーを発表した。2019年4月4日、ユニバーサル・ピクチャーズ・ホームエンターテイメントはHDR10+でマスタリングされた新作のリリースのためのサムスン電子とお技術提携を発表した。HDR10+は、無料にもかかわらずHDR10に対するドルビー・ビジョンの利点のほとんどを備えていると考えられている。

2.3. ドルビー・ビジョン
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ドルビー・ビジョンはUltra HD Blu-rayおよびストリーミング・ビデオ・サービスでオプションでサポートされることができるドルビー・ラボラトリーズによるHDR形式である。ドルビー・ビジョンは独自フォーマットであり、ドルビーのビジネス副社長ジャイルズ・ベイカーはドルビー・ビジョンのロイヤルティ費用はテレビ一台当たり3ドル以下だと述べている。ドルビー・ビジョンにはPQ電気光伝達関数、最大8Kの解像度および広色域色空間が含まれている。一部のドルビー・ビジョンのプロファイルでは、12ビットのカラー深度と10,000cd/m2の最大輝度が含まれている。マスタリング用ディスプレイのカラリメトリー情報を静的メタデータを用いてエンコードすることもできるが、iPhone 12のようにシーンごとないしフレームごとの動的メタデータを提供することもできる。

ドルビー・ビジョンをサポートするUltra HDテレビの例としてはLG、VU、ソニー、Vizioなどがある。MulticoreWare社のx265エンコーダーはバージョン3.0でドルビー・ビジョンをサポートした。ドルビー・ビジョンIQは、周辺光に応じてドルビー・ビジョンのコンテンツを最適化するように設計されたアップデートである。これは将来対応と考えられている。

この動的メタデータないし動的HDRを使用すると、シーンごとないしフレームごとに必要に応じて、ビデオ/映画の中で何度でも明るさとコントラストを調整できるようになる。

2.4. HLG10 / HLG　
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ハイブリッド・ログ＝ガンマ}}一般にHLGとして知られるHLG10は、HLG伝達関数と、10ビットのビット深度および広色域Rec. 2020色空間を使用するビデオ形式である。HLG伝達関数はSDRビデオと下位互換性があるが、Rec. 2020の色空間はSDRビデオの色空間とは互換性がない。

2.5. テクニカラー・アドバンストHDR
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SDRとの下方互換性を狙ったHDRフォーマット。2020、この形式のコンテンツはまだない。

SL-HDR1はSTマイクロエレクトロニクス、フィリップス、テクニカラーが共同開発したHDR規格である。2016年8月にETSI TS 103 433として標準化された。SL-DDR1は、静的および動的メタデータを用いて、既存のSDR配信ネットワークおよびサービスを使用して届けることができるSDRビデオストリームからHDR信号を再構築することによって直接的な下位互換性を提供する。SL-HDR1は、シングルレイヤーのビデオストリームを用いてHDRデバイスではHDRのレンダリングを、SDRデバイスではSDRのレンダリングを可能にする。HDR再構築メタデータはHEVCないしAVCに補助的拡張情報メッセージを使用して付加可能である。

2.6. ビデオ形式比較
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