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スーパーハイビジョンHEVC符号化装置

世界初、超高解像度スーパーハイビジョン映像をリアルタイムで符号化。


技術紹介

高画質なスーパーハイビジョン(8Kテレビ)映像をリアルタイムで符号化。

地上デジタル放送から衛星放送、さらにインターネットによる動画配信に至るまで、デジタル映像の分野において、重要な役割を担う技術のひとつに符号化技術があります。
符号化技術とは映像の情報量を圧縮し、放送電波などでの伝送・蓄積を可能にする技術です。現在、多くの映像システムではMPEG-4 AVC/H.264などの映像符号化方式が採用されています。しかしスーパーハイビジョン(8Kテレビ)をはじめ、デジタル映像は今後ますます高精細化による情報量の増大が見込まれており、それに対応するために、より圧縮率の高い次世代映像符号化方式HEVCの標準化がISO/IEC※1やITU-T※2を中心に進められてきました。
2013年1月に策定されたHEVC最終国際規格には、日本放送協会(NHK)と共同提案した技術が採用されるなど、三菱電機は標準化活動に大きく貢献してきました。
さらにこのたび、NHKとの共同開発によりスーパーハイビジョン映像をリアルタイムで符号化できる「スーパーハイビジョンHEVC符号化装置」を世界で初めて開発※3。フルHDの16倍もの情報量を持つスーパーハイビジョン放送の時代が、さらに一歩近づいたと言えます。

  • ※1ISO:International Organization for Standardization、IEC:International Electrotechnical Commission
  • ※2ITU-T:International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector
  • ※32013年5月現在、当社調べ。

MPEG-4 AVC/H.264に比べ、約2倍の圧縮率を実現。

デジタル映像コンテンツは、1秒当たり数十コマ(フレーム)の画面を連続的に表示することで、動画として再生しています。しかし全てのコマの画面をそのまま伝送・蓄積したのでは、情報量が膨大になります。特に画素数7,680×4,320のスーパーハイビジョン映像を放送電波で送るには、情報量を大幅に削減する必要があります。そのためにHEVCでは、画面と画面の差分、つまり動きのあった箇所の差分信号だけを伝送・蓄積することで、画質を維持したままで映像の圧縮を行っています。
画面と画面との差分を見つけ出す方法として、MPEG-4 AVC/H.264などでは16画素×16画素を1ブロックとして画面を均等に分割し、ブロック毎に動きを検出していました。HEVCでは、そのブロックサイズを固定せずに画像信号の特性に応じてフレキシブルに変更することが可能です。
風景などの変化の少ない平坦な部分のブロックは大きく、複雑な部分のブロックは小さくし、ブロックサイズを適正化することで、差分として伝送・蓄積する情報量を、より少なくすることができ、MPEG-4 AVC/H.264に比べて約2倍の圧縮率を実現しています。

ブロックサイズ比較

開発NOTE

並列処理で起こる領域境界付近の画質劣化を抑える独自の方式を開発しました。

情報技術総合研究所 
宮澤 一之
情報技術総合研究所
宮澤 一之
情報技術総合研究所 
井對 貴之
情報技術総合研究所
井對 貴之

スーパーハイビジョンの大容量データを符号化するには、膨大な計算量が必要となります。今回開発した「スーパーハイビジョンHEVC符号化装置」では、その桁違いの計算量をリアルタイムに実行するため、1画面を横方向の短冊状に17分割し、各々の領域で、変化の少ない平坦な部分のブロックは大きく、複雑な部分のブロックは小さくといった最適化されたブロックサイズに分割し、短冊状のそれぞれの領域で並列処理することで、リアルタイムでの符号化を実現しています。
横短冊状に画像を分割する際に課題となるのが、それら境界の処理です。単に分割した画像それぞれを個別に符号化したのでは、領域の境界が見えてしまいます。それを解決する方法として、上下の領域の境界付近をオーバーラップして処理する技術を開発しました。
具体的には、各領域を処理するモジュール同士で、符号化に必要な境界付近の画像情報を共有します。上下領域の画像情報を使用しながら符号化することで、領域境界付近の画質の劣化を抑えることに成功しました。
一般的に画像を並列処理する場合、田の字型に分割することが多いのですが、符号化に際して上下左右の4つの隣接する領域と45度方向の4つの領域、計8つの画像を参考にする必要があり、並列処理をするモジュール同士の通信が複雑になり、計算量も増えてしまいます。開発した技術では、横短冊状に分割することで、上下2つの領域を処理するモジュールと情報共有するだけで済み、モジュールの負荷を減らし、高速での符号化処理を実現しました。

アルゴリズムの軽量化がハードウェア化の大きな課題でした。

HEVC符号化装置概念図

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我々が目指したリアルタイムでのスーパーハイビジョン符号化を実現するには、膨大な計算量を瞬時に遂行する専用のハードウェアの開発が必要でした。新たに国際標準規格となるHEVCの仕様をいかにハードウェアに実装するか。モジュールの処理能力は限られており、アルゴリズムをどれだけ軽量化できるかが、ハードウェア化を実現する肝でした。
例えば、画面内予測という技術があります。画面内予測とは、符号化するブロックに隣接する符号化済み画素を参照して予測画像を生成し、原画像との差分を符号化する技術です。データ量を小さくするため、可能な限り正確に予測画像を生成する必要があります。HEVCには国際標準規格として35通りの画面内予測モードがあります。このうち33通りは方向性予測モードと呼ばれ、33の方向の隣接画素から最適な参照先を選択できます。全ての方向を評価した上で最適なモードを決定するのでは、計算量が膨大になってしまいます。そこで、方向性予測では、先ず大まかな方向を見極め、次にその近傍から最適方向を選択する2段階方式とすることで、計算量を削減しています。このようにして当社では、アルゴリズムを軽量化し、圧縮性能とリアルタイム性の両立を図りました。性能を落とさず、いかにシンプルなアルゴリズムを開発できるか。今回の開発ではそこに最も多くの時間を要しました。
開発の初期段階では、回路構成などの基本設計を入念に行っても、開発の途中で予期せぬことが起こるものです。そんな時にどれだけフレキシブルに対応できるか。時にはドラスティックに変えなければならない時もあります。最初の考えにとらわれず、原点に立ち戻ってベストな方法を探す。そんな姿勢で開発を行ってきました。


画質の改善など、今後は実用化というフェーズに進んでいきます。

今回の符号化装置の開発により、実用化がさらに一歩近づいたと言えます。スーパーハイビジョンによる本放送は2020年に予定されており、今後は小型、軽量化開発などを含め実用化フェーズとなります。しかし、現状では、画質がまだ満足できない部分もあり、実用化とともにアルゴリズムの改良など、やらなければならないことが山積みです。
長年にわたり積み重ねてきたこの分野での経験・ノウハウが当社にとって大きな強みです。スーパーハイビジョンという、いままでにない映像体験を多くの方々に届けるため、今後も研究開発に全力で取り組んでいきます。

  • 本研究は日本放送協会(NHK)との共同で進めています。

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