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vol.4 「H.265/HEVC」
次世代4K/8K映像サービスを支える符号化技術

最近、「4K/8K」という次世代映像への注目がにわかに高まっている。現在私達が日常的に接している「フルHD」の画質は「1920×1080ピクセル」。これに対し4K/8Kは、さらにその4倍/8倍の解像度を意味しており、フルHDを大きく上回る高精細な映像となる。
だがその実現にあたっては、現在よりもさらに莫大となる映像データを圧縮し、効率的に伝送する技術の確立が不可欠だ。今回はその大容量映像データの圧縮を行う「H.265/HEVC(以下、「HEVC」と表記)」と呼ばれる符号化技術に注目する。そして本記事では、同技術の開発をリードするNTTの取り組みや成果、今後の展開について紹介する。

HEVCとは

従来主流のコーデックに比べ、約2倍のデータ圧縮の効率化を実現

HEVCとは「High Efficiency Video Coding(高効率ビデオコーディング)」の略で、現在最も期待される次世代の映像符号化技術の規格名である。周知のとおり、映像は文字や写真といったメディアに比べ、扱うデータ量が飛躍的に大きい。そのため映像データをネットワーク配信する際には、効率的に圧縮をかける必要があり、それを実現するのがHEVCを始めとする符号化技術である。

これまで、動画配信サービス等では「H.264/MPEG-4 AVC」という符号化技術が主に使われてきた。今回紹介するHEVCは、この後継として2013年に規格化されたものである。従来の「H.264/MPEG-4 AVC」に比べ、約2倍の処理性能(圧縮効率)を実現するHEVCは、これから先10年の次世代映像サービスを支える技術として、いま世界的に注目を集めている。

HEVCが注目される背景

大容量となる4K/8K映像の効率的な伝送を可能に。モバイルでも注目

映像分野の進展はめざましい。この10数年を振り返るだけでも、テレビの大画面化は着実に進み、「地上波デジタル放送」への移行が起こり、「ブルーレイディスク」を始めとする大容量媒体も普及した。私達は「ハイビジョン」「フルHD」といった高画質・高解像度の映像に、いまや日常的に接するようになっている。

だが映像分野の進化はまだまだ止まらない。それが「4K/8K」と呼ばれる、現在主流のフルHD画質(1920×1080ピクセル)の4倍(3840×2160)/8倍(7680×4320)の高解像度を意味する次世代映像サービスである。すでに市場では、4K画質の大画面テレビや液晶モニタも出回り始めており、それは「遠い将来の技術」ではなく普及も「秒読み」とされる。

しかし4K/8Kを実現するためには、その大容量となる映像データを現在よりもさらに効率的に圧縮する必要がある。解像度だけでも従来の4倍/8倍、さらに4K/(Kではフレームレートも従来の2倍となる「60p(1秒間に60枚)」と定められており、4K/8K映像のデータサイズは現在よりも極めて大きなものとなる。

そこで注目されているのが、従来の2倍の処理性能を実現するHEVCなのである。たとえば従来のH.264の場合、4K配信に必要な帯域は60〜80Mbps、8Kの場合は200Mbpsにまで膨れ上がる。しかしHEVCであれば、それぞれ30Mbps/100Mbpsにまで抑えることができる。例えば現在の衛星放送の帯域は約30Mbps。HEVCの開発を担当するNTTメディアインテリジェンス研究所の清水淳は、「HEVCであれば、現状のインフラのままであっても4K/8Kの実現可能になる」という。

またHEVCの適用先は、テレビのような「大画面スクリーン」への映像配信に限らない。最近ではスマートフォンやタブレット端末での映像視聴も一般的なものとなってきた。こうしたモバイル向け映像配信サービスでHEVCを活用すれば、いまと同じ画質の映像を、よりデータサイズを削減して伝送可能となり、トラフィックの緩和につながる。こうした観点から、NTTドコモではHEVCの復号ソフトウェアの開発・公開など、積極的にHEVCの開発に取り組んでいる。

NTTはなぜHEVCに注力しているのか

NTTにおける映像符号化技術の研究開発、その背景と経緯

NTTでは、映像を通じた新しい双方向コミュニケーションの可能性を追求すべく、90年代後半頃から「MPEG-2」「H.264/MPEG-4 AVC」といった映像符号化技術の研究開発に取り組んできた。

大きく分けてその取り組みは、VODサービスや映像コミュニケーションサービス向けの「ソフトウェア」(エンコーダやコーデックエンジン)と、プロフェッショナル放送(TV放送)用の「ハードウェア」(LSIと放送用装置)の2つに分類される。NTTでは、安心・安全なネットワークを通して、より高画質で、あたかもそこに”いる”かのようなリアリティを持った、高い臨場感表現を実現すべく、ソフトウェア・ハードウェア双方の開発に積極的に関わってきたのである。

NTTの成果

ソフトウェア/ハードウェア双方で進む開発。放送業界から高い評価を得る高画質・低遅延化技術

もちろんHEVCについても、ソフトウェア・ハードウェア双方にわたり研究開発が進められている。コーデックの場合、まずはVODサービス等で用いるソフトウェア版から開発が行われ、その後、プロフェッショナル放送等で求められるハードウェア(エンコーダLSIと装置)を開発し、より効率的で安定的な処理を実現するという流れが一般的だ。HEVCも例外ではない。

ひとくちにHEVCが「2倍の圧縮効率を実現する」といっても、その分だけ、計算処理量は3倍以上に膨らんでいる。清水によれば、その開発はそう簡単なものではないが、NTTでは長年の研究蓄積があるからこそエンジンの開発には長けている。2014年8月には、最高性能の8K映像にも対応したソフトウェアエンコードエンジンをリリース。大きな注目を集めた。

リアルタイム放送用に求められるハードウェアについても開発が進んでおり、こちらは2015年3月に完成予定だ。ハードウェアによる安定的な処理が可能になれば、テレビのような放送サービスだけではなく、ますます4K/8K映像の幅は広がっていく。例えばテレビ電話・テレビ会議のような双方向映像コミュニケーションや、高画質監視サービス・遠隔医療等にも適用できるだろう。

また、NTTの成果は圧縮技術だけに限らない。映像データの品質確保という点でもNTTは長年のノウハウを持っており、例えばその1つに、安定した映像配信を行うための「レート制御技術」がある。これは、映像の再生が止まってしまわないよう、映像データの「バッファ」を貯めておき、映像データの圧縮難易度を吸収するための技術である。

清水によれば、「バッファというのはイメージ的にはバケツに貯められた水のようなもので、溢れさせてもいけないし、空っぽになってもいけない。バケツが大きくなれば、大きな変動を吸収できるものの、バケツに貯まるまでの時間が長くなり、待ち時間が長くなる。」という。NTTの「レート制御技術」はこれを“小さいバケツ”で”ちょうどいい量”に適切に配分するためのものだ。特に放送業界では、低遅延性が求められているが、映像再生が途中で止まってしまうというのは「あってはならないこと」であり、NTTのこの技術は業界からの評価も高いと清水は自信を覗かせる。

また映像符号化技術では、圧縮をかけることで映像品質が劣化してしまう現象も起こる。例えば「映像の不自然な動き」や「ちらつき」等がそれである。そこでNTTでは、圧縮率は維持したまま、こうした主観的な映像品質を下げてしまう箇所を自動的に検出し、最適な処理を行う技術も開発している。


4K/8Kの将来性と課題

インフラとしての4K/8K普及は進むが、ビジネス面での課題/ニーズ発掘はこれから

このように4K/8Kをめぐる「莫大なデータをどう通信するか」という技術的な課題は、HEVCの実現によって早晩解決されていくだろう。しかし、今よりはるかに高精細な映像を実現するといっても、「果たしてそれほど高画質な映像は必要なのか」「いまの画質で十分ではないか」と訝しむ読者もいるかもしれない。確かに、地上波デジタルTV(地デジ)が登場する前にもよく聞かれた声である。これに対し清水は、「4K/8Kの臨場感の高さは、一目見れば分かるほど桁違いであり、その価値はすぐに納得してもらえるはずだ」とその口調は力強い。

ただ、「ビジネス面での課題は確かにある」と、同じくHEVCの開発に取り組むNTTメディアインテリジェンス研究所の松田宏朗はいう。インフラとしての4K/8Kは確かに普及が進んでいくが、ビジネスとして4K/8Kからどうやって利益を生み出すのかは別の問題である。例えば放送ビジネスの場合、ただ画質が上がるというだけで、スポンサーから現状より多くの広告費を頂けるようになるわけではない。4K/8Kにすることで、どれだけ広告としての価値が向上し、どのような効果が見込めるのか。その検証やニーズの掘り下げは、まだこれからの課題として残されている。

清水と松田の二人は、「それでもこの1年で4K/8Kを取り巻く状況は大きく変わった」と口を揃える。特に2020年東京オリンピックの開催が決定し、日本は4K/8Kを取り巻く環境が急速に整備されてきている。総務省も2020年に向けた4K/8K放送実現のロードマップを敷いた。
スポーツ中継は、4K/8Kのような高精細・高画質な映像に適しているのは周知のとおりだ。現在、その実現に向けてオールジャパン体制での取り組みが急ピッチで進んでいる。

NTTの貢献と取り組み

NexTV-F(次世代放送推進フォーラム)で2014年6月に世界初の4K衛星放送実現

まさにそのオールジャパン体制を支える1つが、「NexTV-F(次世代放送推進フォーラム)」である。4K/8K放送の早期実現を目指すべく、放送局や家電メーカー・通信計企業等の団体が参加しているこのフォーラムは、2013年5月に設立され、NTTも設立当初から積極的に運営に関わっている。

NexTV-Fでは、2014年6月、世界に先駆けて「4K衛星試験放送」を開始した。この衛星試験放送でまさに使われているのが、NTTの開発したHEVCエンコーダだ。この試験放送では、HEVCエンコーダを4K60pの映像を約35Mbpsでリアルタイム動作させることに成功させ、実用に耐えるものであることを証明した。

そしてNTTぷららからは、10月27日からの商用4K VoDサービスの開始が発表された。本サービスにおいても、NTTの開発したHEVCエンコーダが採用されているのだ。

今後もNTTは、NEC、富士通、三菱電機といった、日本の映像コーデックメーカと協業しオールジャパンの技術を集積しながら、、4K/8K放送に必要なHEVCエンコーダ装置の開発に向けて取り組んでいく。東京オリンピック開催が決まったことで、こうしたロードマップは次々と前倒しになっており、その「開発スピードに追いつくのは大変」「他国のキャッチアップも早く、競争は激しい」と清水は言うが、そう語る清水の目は”やりがい”で満ちていた。


清水は最後にこう語ってくれた。

「皆様には、何より4K映像の良さを体感して欲しいと思います。ぜひ一度その目で体感頂ければ、必ず4Kの”説明不要”な魅力をご理解頂けるはずです。そして私達の技術は、その4K、そしてさらにその先の8Kを身近なものにするための技術です。ぜひ今後の展開にもご期待ください」

一人目.NTTメディアインテリジェンス研究所第一推進プロジェクト主幹研究員メディアコンポーネント・システムプロデュースプロデューサー松田 宏朗(まつだ ひろあき)、二人目.画像メディアプロジェクト映像メディア符号化技術グループ主幹研究員グループリーダ清水 淳(しみず あつし)

取材協力

NTTメディアインテリジェンス研究所
第一推進プロジェクト 主幹研究員
メディアコンポーネント・システムプロデュース
プロデューサー
(左)松田 宏朗(まつだ ひろあき)

画像メディアプロジェクト 映像メディア符号化技術グループ
主幹研究員 グループリーダ
(右)清水 淳(しみず あつし)

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