Application of the Super-Hi-Vision image to technology and art

2006 亚洲艺术科学学会 学術论文集
超高精細映像の技術と芸術への応用
Application of the Super-Hi-Vision image to technology and art
金澤勝, 榎並和雅/NHK 放送技術研究所，
河口洋一郎/東京大学大学院 情報学環
Masaru Kanazawa, Kazuo Enami/NHK Broadcast technical research center, Yoichiro Kawaguchi/ The University
of Tokyo
Abstract: While digital broadcasting was started in 2000 and Hi-Vision technology spread through the world, we have recognized the
prospective importance of post Hi-Vision technology, and we did research of this.
In this research, we explain the specification of this system which we developed and verify the performance. Moreover, we also consider the
influence super Hi-Vision affects society.
On another side, we aloso examine the possibility of the application to the art of Super-Hi-Vision technology.
Keywords: Hi-Vision, Super-Hi-Vision, application to the art
1. 超高精細映像技術の研究開発の目的、経緯と現状
1.1. 研究開発の目的とその背景
距離にすると 3H）が選ばれた。視野と心理効果の関係を図-2、
各領域の説明を表-1 に示す。ハイビジョンは、図の有効視野
をほぼ包含することがわかる。
ハイビジョンは豊かな臨場感をめざした放送メディアとして
場所
A
名称
弁別視野
B
有効視野
この時期に、将来のテレビすなわちポストハイビジョンを考え
C
誘導視野
ることは、意義のあることである。当然のことながら、ハイビジョ
D
補助視野
開発され、2000 年のデジタル放送の開始に伴い番組数が増
え普及が進んでいる。また、2003 年末からハイビジョンを中心
とした地上デジタル放送も順次開始されている。
＜表-1 視野の種類＞
備考
視力など視機能の優れている範囲
眼球運動だけで注視し、瞬時に情報受容可
能な範囲
呈示能力の存在がわかる程度の識別能力し
かないが、空間座標系に影響を与える範囲
ンを越える臨場感、さらに没入感や立体感も生じさせるメディ
アが検討対象になる。これを可能にするものの 1 つが、超高精
細映像システムであり、NHK 放送技術研究所はこのシステム
の研究開発を進めた。
現在開発中の超高精細映像システムの仕様を述べる前に、
まず従来の研究成果を簡単に紹介する。ハイビジョン研究の
初期、すなわち 1960 年代に、高精細映像の効果について多
くの研究がなされてきた。映像システムの設計において、画素
数と相対的な視距離（画面高さの何倍で見るのか）の関係は、
画面上の 1 画素が視野に占める大きさは 60 分の 1 度、という
条件が満足される関係になっている[1]。これは、視力 1.0 の人
＜図-1 半球ドームでの評価実験＞
が画面を見たときに、画素構造が検知できない視距離を与え
る。ハイビジョンの場合は、この視距離が 3H（H：画面高さ）で
ある。画面の大きさの効果を調べるため、誘導効果の評価実
験が行われている[2]。半球状のドーム形スクリーンに傾けた画
像を表示し、画面サイズによる観察者の姿勢の変化（画面に
誘導されて姿勢が傾いてしまう効果）を調べた（図-1）。この実
験では、画面が視野の水平 30 度以上を占めると姿勢の変化
が顕著になり、100 度で飽和した。これは、画面による臨場感
も視野角 30 度で顕著になり、100 度で飽和することを意味す
る。このため、ハイビジョンの目標仕様として視野角 30 度（視
＜図-2 視野と心理効果の関係＞
1.2. 超高精細映像システムの仕様
研究開発の目的とする超高精細映像システムの仕様は、1.1.
で述べた従来の研究成果にもとづいて決められた。
あり、映画フィルムも含め現存の映像システムより遙かに優れ
た性能を有しているとともに、現時点で研究開発が発表されて
いる動画映像システムの中でも他に類を見ないものである。
最近の静止画を用いた評価実験では、高解像度な画像を
設定した仕様に基づき、まず超高精細映像システムの入出
大画面に表示すると、広い視野角が好まれることが明らかにな
力にあたるカメラとディスプレイ、映像信号の記録再生装置、
っている[3]。これと従来の臨場感の評価結果より、十分な解像
および音響装置を開発した。これらは性能を調べるためのプロ
度があれば広い視野角が好まれ、視野角 100 度以上では臨
トタイプとの位置付けであるが、以下に各装置の概要を記す。
場感が飽和するため、視野角 100 度を実現する映像システム
カメラ、ディスプレイともに、入手可能な素子が約 2000×
が、事実上最高の臨場感を与える超高精細映像システムと考
4000 画素であり、水平垂直ともに必要な画素数の半分となっ
えられる。これは、図-2 の誘導視野をほぼ包含する。
ている。これを補うために、斜め画素ずらしを用いて等価的に
ハイビジョンでは、有効視野をほぼ包含するので、観客は実
画素数を増やした。図-3 にカメラの色分解光学系、図-4 にデ
物がその場にあるような臨場感を受ける。これに対し、目標と
ィスプレイの光学ユニットを示す。ともに G 信号素子を 2 枚有
する超高精細映像システムは、誘導視野を包含するので、観
しており、等価的に 2 枚の G の画素が互いに 0.5 画素ずれる
客は映像の中に入ってしまう没入感を持つ。
ように精密に設定し、高解像度を得ている。このように、解像度
画面の縦横比をハイビジョンと同じ 16:9 とし、先述の 1 画素
を支配する G が高解像度（等価的に約 4000×8000 画素）で
60 分の 1 度を考慮すると、画素数は約 4000×8000 となる。こ
あるため、R 信号と B 信号についてはその半分の画素数でも
れは縦横共にハイビジョンの約 4 倍である。既存の映像フォー
ほぼ同様な解像度が得られている（表-3）。
マットとの整合性を持てば、超高精細映像を頂点として現在の
映像規格を含めた映像信号の階層構造とすることができる。ま
用できる。このため、超高精細映像の開発目標として、画素数
ビデオ
た、実際にハードウェアを開発するにあたって既存の装置を利
はハイビジョンの縦横ともにちょうど 4 倍としたパラメータを設
定した（垂直画素数は、現行標準テレビの 9 倍である）。表-2
他の映像フォーマットへの変換が容易に行えるよう順次走査と
は、“スーパーハイビジョン”と呼ばれている。
＜表-2 超高精細映像のフォーマット＞
画素数 画面
視野角（水平）
映像信号
フレーム周波数
（高×幅） 縦横比
（H：画面の高さ）
スーパー
100°
4320×
60.00Hz
9：16
順次走査
ハイビジョン
（視距離 0.75H）
7680
30°
1080×
60.00, 59.94Hz
ハイビジョン
9：16
2:1 インターレース （視距離 3H）
1920
現行標準
17°
480×
59.94Hz
3：4
2:1 インターレース （視距離 6H）
テレビ
720
1.3. 開発したシステムの概要とその性能
表-2 の仕様で、超高精細映像システムと映画フィルムも含
めた他の映像システムの表示能力を比較した。結果を表-3 に
示す。映画フィルムの画素数は定義しにくいが、撮影後上映フ
ィルムまでに数回デュープ（複写）されて解像度が低下するこ
とを考慮し、等価的に 70 画素／mm とした。文字の表示能力
を表すために、1 文字はスペースを含め 24×24 画素として計
算した。このように、走査線 4000 本級超高精細映像システム
（スーパーハイビジョン）は、画素数ではハイビジョンの 16 倍も
35mm スタンダード 1071×
（15.3×21.0mm）
1470
24
約 2700 字
44 行×61 文字
70mm シネスコープ 1563×
（22.1×48.6mm）
3434
24（※3）
約 9000 字
65 行×143 文字
3429×
4921
24/48
約 3 万字
142 行×205 文字
）
2
した。最近ではこの走査線 4000 本級超高精細映像システム
フィルム （※
に現行標準テレビ、ハイビジョンとの比較を示す。走査方式は、
＜表-3 超高精細映像の性能＞
フレーム
文字表示能力（※1）
フォーマット
画素数
周波数（Hz）
行数×文字数
スーパー
約 6 万字
4320×
60
ハイビジョン
180 行×320 文字
7680
3600 字
1080×
ハイビジョン
30
45 行×80 文字
1920
70mm 15p
（48.5×69.6mm）
（※1）1 文字を 24×24 画素として計算
（※2）70 画素／mm として計算
（※3）Showscan(TM)は 60 枚／秒
B
撮影用
レンズ
G1
G2
R
＜図-3 カメラの色分解光学系の構成＞
像データを並べ替え（必要に応じて加工し）、音響に関しては
専用の記録再生装置で音響データを作りこむ。これらを同期し
て再生する事で、スーパーハイビジョン作品を再生する。
映像入出力
コントローラー
HD SDI
高速ネットワーク
16 ユニット
用いる
＜図-4a PBS（偏光ビームスプリッター：polarization beam splitter）＞
ハードディスク
（３台並列駆動）
＜図-5 ハードディスクバンクの構成＞
＜図-4b R/B 用光学ユニットの構造＞
この様に今回開発した装置は完全な走査線 4000 本の性能
を有する訳ではなく、伝送する映像の情報量はハイビジョンの
16 倍（約 20Gbps）で、世界最高水準の動画システムと言える。
カメラには、対角 1.25 インチの CMOS 素子を 4 枚用いた
＜図-6a スピーカーの配置（側面図）＞
[4]。番組制作でズーム機能を有するレンズが必要である。高
解像度を得るため 4.5 倍にズーム比を抑えたレンズを開発した。
ディスプレイは、対角 1.7 インチの LCOS（反射型液晶素
子）を 4 枚用いたフロントプロジェクターを開発した[5]。4 枚の
素子を一つの投射ユニットに組む事が困難で、G 信号用と RB
信号用の投射ユニット 2 台構成とした。特に G 信号の 2 枚の
素子は精密な調整が必要で、1 つの投射ユニットにまとめた。
スクリーン上でユニット 2 台の投射による画素が互いに決めら
れた位置関係になる様、コンバーゼンス補正装置も開発した。
このほか、番組を制作するためには映像を記録再生する装
置が必要である。ハードディスクを多数並列駆動することで駆
動スピードを高く、記録時間を長くでき、所要の装置を実現さ
せた（図-5）。映像信号の圧縮を行っておらず、約 3.5TB の容
量で、約 18 分記録再生が可能である。
映像システムは、それに見合った音響システムと組み合わ
＜図-6b スピーカーの配置（平面図）＞
せる事で映像メディアとして機能する。映像で視野を覆うので
あれば、音響でも同様に空間を覆うことは当然で、必然的にマ
ルチチャンネルによる 3 次元音響システムとなる。これを実現
するため、聴覚の音源の方向に対する感度などの知見を元に、
音の上下感も得られる 22.2ch の音響システムを考案した。スピ
ーカーの配置を図-6 に示す。
図-7 にこれらの装置を含む全体構成を示す。スーパーハイ
ビジョンの作品制作では、映像はディスクレコーダー内部の映
スーパー
ハイビジョン
カメラ
HD SDI
×16
ハードディスク
バンク
HD SDI
×16 コンバーゼンス
補正装置
制御信号
22.2ch
音響システム
＜図-7 全体の構成＞
HD SDI
×16
スーパーハイビジョン
ディスプレイ
1.4. 今後の研究開発の課題
2.2. 超高精細映像が社会・産業・文化に及ぼす影響
前述のように、走査線 4000 本級超高精細映像システム（ス
超高精細映像は、ハイエンドな映像システムである。このよう
ーパーハイビジョン）のプロトタイプが実現している。今後さらに
な頂点となるシステムの研究開発を行うことにより、映像システ
多くの研究開発が必要となるが、主な事項を以下に記す。
ムに関係する全体に対して多くの波及効果を与えると考えられ
＜ハードウェアの改善＞
る。すなわち、映像の撮影に関する技術、映像の表示に関す
現在のハードウェアは、まだ想定した性能を十分に達成した
わけではない。さらなる改善を行う。
＜画質評価＞
本システムは、人間の視野をほぼ覆う映像システムであり、
これが観察者にどのような影響を与えるのかを主観評価と物理
評価（生体計測）によって十分に調査する。
＜規格＞
る技術、映像の記録・再生・編集に関する技術、番組の制作手
法に関する技術、コンピュータグラフィックスに関する技術など
が超高精細映像の技術開発の効果を受け、技術力が向上し
世界的な競争力が増すことが予想される。
また、超高精細映像を用いた新たなサービスが創出され、
生活の向上に役立つものと考えられる。例えば、医療に応用さ
れ、電子画像での診断や医療のデータベース化を促進する。
芸術に応用されるならば、飛躍した表現力により作家のイメー
デジタルシネマなど超高精細映像の規格化が国際的に議
ジを忠実に再現できることから、没入感を有するアートなど従
論され始めている。本システムが、ハイエンドな規格になるよう
来存在しなかったジャンルの芸術が創出されよう。さらに、忠実
各機関で規格化の提案を行っていく。
に現在や過去の一面を未来に残すことができるので、文化の
＜応用＞
継続や日本文化の世界への発信を促進すると考えられる。
超高精細映像の応用としては、アーカイブ、エンタテインメ
ントなど多くが想定されるが、各事由に関して必要な性能を洗
い出し、検討を進める。
2.3. 超高精細映像と日本
日本はハイビジョンを生み育てた国であり、映像技術のレベ
ルが高く、それに関わる産業が盛んである。映像機器に関して
は、高い世界的競争力を有しており国内だけでなく世界各国
2. 超高精細映像技術のインパクト
で広く使用されている。一方、映像ソフトに関しては、制作され
2.1. 超高精細映像の用途
る番組のほとんどが国内向けである。
超高精細映像システムの用途としては、下記が想定される。
＜エンタテインメント＞
既存のテレビ、映画の臨場感をはるかに越える没入感が得
られ、観客に大きな娯楽・感動を与えることができる。
超高精細映像は、ハイエンドシステムで日本が世界をリード
できる。この為、現在の超高精細映像に関する研究・開発を続
ける事で、この分野の産業における世界的競争力を長期渡っ
て維持していくと期待される。これらにより今後も、映像技術を
電子応用での国家産業の中心的な技術と位置付けできる。
＜アーカイブ＞
グラビア写真並みの高解像度を有していることから、現在大
型写真で行っている美術品のアーカイブを、ビデオで行い、世
3. 超高精細映像技術を用いるメディアに向けて
映像産業の発展には、映像技術の進歩と映像番組（コンテ
界的遺産を後世へ動画で保存できる。
ンツ）の制作が車の両輪となる。前述のように超高精細映像は、
＜医療＞
映像システムのハイエンドであるため、超高精細映像システム
医療診断などで、映像の重要性が増している。超高精細映
の開発が映像技術全体のレベルアップにつながる。超高精細
像を用いて、多数の医療画像を一度に比較しながらの診断が
映像を用いた映像芸術が進歩し、コンテンツのレベルアップに
可能になる。これらの膨大なデータの保存検索も容易になる。
つながり、これらの産業の発展に結びつくと考えられる。
＜シミュレーション＞
視野を覆う映像を用いると、実際にその場の中に入り込んだ
かのような感覚が得られ、自動車、航空機、建物などでの疑似
体験により、設計や操作訓練に大きな効果が得られる。
＜芸術＞
視野を覆い、空間に音が満ちる新たなる環境は、芸術家に
刺激を与え、新たなる芸術を生み出すことが予想される。
超高精細映像の開発と映像芸術の組み合わせにより、コン
テンツ関連産業が大きく発展することが期待できる。
＜図-1 スーパーハイビジョンの高画質画面領域比較例 1＞
7680×432
1920×1080
640×480
＜図-2 スーパーハイビジョンの高画質画面領域比較例 2＞
7680×4320
1920×1080
＜図-3 スーパーハイビジョンの高画質 CG 解像度比較模型＞
640×480
ンよりもう一段上の解像度で登場した。NTT 光ネットワークシス
テム研究所の協力により SIGGRAPPH ’97 大会オープニングシ
ョーに特別展示し、更にこの SHD 装置は、フランスのエッフェ
ル塔近くに開館したパリ日本文化会館のオープニング展覧会
に招待展示された。ファッションデザイナーのピエールカルダン
氏をして、精細なるキメの表現に対して絶賛の声をいただくこと
になり歴史的な大成功をおさめることになった。
4.2. スーパーハイビジョン（2004 年）：7680×4320
スーパーハイビジョン未来型の本格的なデジタル映像技術とし
て完成したのが、スーパーハイビジョンである。NHK 放送技術
研究所が開発した超高精細画質のデジタル技術である。2003
年から 2004 年の前半にかけて超高精細の CG 映像制作につ
いてスーパーハイビジョンの映像の魅力をどのように引き出せる
かを造形的に試みた。スーパーハイビジョン CG は、従来のテ
レビの 80～100 倍もの密度の大画面で、横縦が 8K×4K（7680
×4320）ピクセルで構成されている。超高濃密 CG 映像の質感
は、広大な砂丘のなかの砂粒のような細やかさまでをも動画とし
て表現できることであり、以下のような造形上の効用が得られた。
(1) 砂粒のような微細粒子
(2) 繊毛のようなデリケートな動き
(3) 線群で構成される縞々模様
(4) 細胞表面のミクロな質感
(5) 繊細な微生物群の運動
<図-4 超高精細 CG 画像作品「Mirron ミローン (2004)」
における微細な縞模様と凹凸の実験（於: NHK 技研）>
＜表-4 高画質 CG のレゾリューション＞
名称
画素数：横×縦
ハイビジョン「デジタルシネマ」 1920×1080（2K×1K）
「デジタルシネマ」
3840×2160（4K×2K）
スーパーハイビジョン
7680×4320（8K×4K）
宇宙や自然は素材として芸術の宝庫である。
生命、細胞にいたる繊細さをいかに、巨視的に、あるいは微視
的に、形象化できるのだろうか。超高画質の映像に芸術的な価
値を与えるためには、それを具体的に制作することによって実
証することである。
スーパーハイビジョン CG でしか表現できない高度な密度感が
見えてくればその役割は見えてくる。見えないものが見えてきた
4.芸術への応用
スーパーハイビジョン CG について 2003 年～2004 年に NHK
ときにはじめてスーパーハイビジョンの超高濃密な世界の奥深
い感動の重要性が見えてくることになる。
放送技術研究所において具体的な造形表現についての実験
を行う事ができた。以下はそのことを中心とした報告である。
4.1. SHD（スーパーHD）（1997 年）：2048×2048
まず、スーパーハイビジョンに先駆けて、1997 年に NTT 光ネッ
ト ワ ー ク シ ス テ ム 研 究 所 に お い て SHD （ ス ー パ ー HD ）
SIGGRAPH'97 に着手した。ハイビジョンのさらに 2 倍の SHD
（Super High Definition）の高画質作品を制作し、展示する機会
を得た。SHD の解像度は、1997 年当時では画期的なサイズで、
縦横が 2048×2048 ピクセルであった。高画質なデジタル画像
の表現で、世界で初めて登場した SHD システムは、ハイビジョ
[参考文献]
[1] 日本放送出版協会「ハイビジョン技術」pp.19
[2] 畑田他、「画面サイズによる方向感覚誘導効果 -大画面に
よる臨場感の基礎実験-」TV 誌、Vol.33、No.5、 pp.407～413、
1979
[3] 成田他、「超高精細・大画面映像の鑑賞に適した画面サイ
ズと観視距離に関する考察」映メ誌、 Vol.55、 No.5、 pp.773
～780、 2001
[4] 山下他、「走査線 4000 本級 4 板式超高精細動画カメラ」映
メ誌 Vol.58、 No.3、 pp.383～391、 (2004)
[5] M.Kanazawa 、 et al. 、 “ An ultrahigh-definition display
using the pixel-offset method”、 Journal of SID、 Vol.12、
No.1、 pp.93～104 (2004)