本稿は、（株）ユニワールド発行の月刊FDI 2013年10月号に連載した記事をWEB閲覧用に筆者が再編集したものである。
今月号では、DCI準拠のデジタルシネマで採用されている画像圧縮方式であるJPEG２０００（J2Kとも略称される）による圧縮率と画質の実際について、現在使用されているシネマサーバーでのセキュリティー強化SDIリンク形式でのデータ伝送レートと配布用HDD記録容量について考察を行う。
まず、現在のシネマサーバーからの映像出力はCineLink形式のSDI伝送システムを使用しており、２５０Mbpsの信号伝送帯域が上限となっており、かつ配布用HDDは２５０Gが使用されている。通常配給されている２K解像度で毎秒２４フレームの映像では、イメージコンテナーの解像度が水平2，048画素、垂直走査線1,080本であり、RGB各画素が１２ビットで構成されていることから、2,048*1,080*24*36ビットとなり非圧縮のベースバンドでは毎秒あたり1,911Mbpsの帯域が必要となる。デジタルシネマで採用されているJPEG2000では、圧縮率４未満では数値的な劣化はあるものの実用的な画質劣化を感じさせない近似的ロスレスの画質となることが想定されており、圧縮率4以上１６未満の範囲では大半の視聴者に画質劣化を感じさせない視覚的ロスレスの範囲となると言われている。この範囲を超えてくると圧縮率４０：１迄は明らかに画質劣化が認められるようになり、圧縮率４０：１以上では映像が破綻することとなる。
一般的な２K映像２４ｆｐｓでは、現行の250Mbpsの帯域でも８：１の圧縮率で良いことから画質劣化についてはほとんど問題となることは無い。ただし、３D上映時には、毎秒２４フレームで右・左の映像を送出しなければならないことから、色信号をYCｘCzの色差形式信号として一画素当たりのビット幅を２４ビットに落として圧縮率の増加を抑制している。さて、昨今話題となっているフレームレートの増加についてはどうであろうか？通常の２K映像では、毎秒４８フレームで圧縮率１５となり、これ以上のフレーム数増加では画質劣化が発生してしまうこととなる。同様に、３D映像で片眼４８フレームとした場合でも画質劣化が発生してしまう事になる。一部の関係者からは、ファームウェア更新で毎秒５００MbpsまでCineLinkの伝送レートを上げる提案もなされている。この提案が受け入れられると、２K６０ｆｐｓでの上映、４Ｋ２４ｆｐｓ、そして色差信号に画質を落とさない３Ｄ上映も可能となってくる。
また、現在配給に使用されているＨＤＤが公称定格２５０Ｇバイトであり、同時配給する予告編もあることから、本編映像は１９０Ｇバイト以内に抑えることが要求されている。この配給用ＨＤＤの記録容量からくる制約は、本編映像の尺で決まってくることとなる。一般的な１００分の作品でも、最近話題となっているハイフレームレートとなると、フレームレートに比例してマスターファイルの要領が増加することから、２Ｋ映像での６０ｆｐｓ作品では４Ｔバイト、４Ｋ映像での６０ｆｐｓでは１４Ｔバイトとなり、最近流行の２００分の作品ともなると２Ｋ６０ｆｐｓで７Ｔバイト、４Ｋ６０ｆｐｓでは２９Ｔバイトの記録容量が必要となってくる。
２Ｋ２４ｆｐｓ映像で２００分の作品でもマスターファイルは３Ｔバイトで収まることから、１９０ＧバイトのＨＤＤでも圧縮率１５：１で視覚的ロスレスの範囲内に収まってくる。３Ｄ映像でも、色差信号形式であれば１５０分の作品で３Ｔバイトであり視覚的ロスレスの範囲内となるが、２００分の作品では４Ｔバイトとなることから圧縮率が２０：１となり画質劣化が視認できることになる。この配給用ＨＤＤも、１Ｔバイトの記録容量にアップデートできれば、実効記録領域を９００Ｇバイトとして２００分の作品で２Ｋ９６ｆｐｓ、４Ｋ２４ｆｐｓも視覚的ロスレスの圧縮率で記録できることになり、３Ｄ作品も色差信号形式ではあるが片眼６０ｆｐｓの作品が視覚的ロスレスで記録可能となる。
ただし、現在のデジタルシネマ上映システムはＶＰＦ資金により貸し出されている運営形態であることから、ファームウェア更新によるシネマサーバーからの伝送レートアップが一筋縄で行くわけでは無い。外置きのシネマサーバーを設置する場合と、プロジェクター内部にメディアブロック基板を組み込んでいる場合とでフアームウェア更新対応可否が分かれてくる事に加えて、費用負担の問題が関わってくることが最も問題である。
さて、実際の映像でＪＰＥＧ２０００の圧縮率と画質劣化の関係を見てみよう。
図１にはＤＣＩが作成した評価映像ＳｔＥＭの０２８５５０フレームから、介添人の男性を抜き出して圧縮率を１０６：１からロスレス圧縮まで変化させた映像である。最下段には原画を示している。フィルム撮影による映像であり、レーザースキャンにより２Ｋ解像度のＴＩＦＦファイル（ＲＧＢ各１６ビットで、上位１２ビットが有効データ）で配布された映像である。男性の顔の表情と、帽子の“ひさし”部分に注目していただきたい。なお、表示している圧縮率は、ＪＰＥＧ２０００のロスレス圧縮映像の記録容量を１００として、各圧縮映像の記録容量を比率として表している。ロスレス映像と圧縮率５：１の映像を比較すると、顔面の細部情報は残されているが帽子の“ひさし”エッジにノイズが見受けられ出している。圧縮率１４：１では顔面の細部情報が欠落し出しており、目尻から頬骨にかけて平坦な映像に変化してきている。圧縮率１８：１では、この傾向がより顕著となり、圧縮率２７：１では顔面の微細情報は大半が失われた映像となってしまっている。圧縮率５４：１では、目元の判別が難しくなりもみあげ部分もぼけた構造となっており、圧縮率１０６：１では顔面の判別が困難となり映像として成立しなくなっている。
図２は、デジタルで撮影された映像の微細なテクスチャーに的を絞ってＪＰＥＧ２０００での圧縮率と画質劣化の事例を示している。使用した映像は、筆者も関わったＣｏＳＭＥの０５５５６フレーム映像であり、横浜の三渓園で撮影された。最上段に、このフレーム全体の構図を示しており、数寄屋造りの建物の入り口部分の藁葺き屋根と、和装の女性の後ろ姿と板葺きの壁を示している。圧縮率５：１では、藁葺き屋根と背景の木々も目立った画質劣化は認められないが、圧縮率２７：１になると藁葺き屋根の背景の木々は微細な構造が無くなり平坦な緑となってしまい、藁葺き屋根自体もぼけた印象となっている。圧縮率５３：１では、藁葺き屋根の微細構造は完全にぼけてしまい、板葺きの壁もコントラストの弱い部分が消えてきている。
放送で使用されているＭＰＥＧでのＤＣＴ変換と異なり、ＪＰＥＧ２０００ではウェーブレットと呼ばれる映像の周波数成分を圧縮する方式を採用していることから、表１に示しているように視覚的ロスレスとなる圧縮率の範囲が広いことが特徴である。ただし、ＭＰＥＧと異なり、ライセンスフリーの圧縮方式であることから、活発な研究開発が行われていない問題も指摘されている。また、ソフト的な工数が多いことから、画質的にはデジカメで使用されているＪＰＥＧよりも格段に優れているが実用的にはきわめて限られた用途でしか採用されていない現状である。
デジタルシネマの今後の拡張性について、ファームウェアを含めた機能向上や映画以外のコンテンツの対応への柔軟性からも内部の映像伝送レート改善・改良は必須であり、配給用ＨＤＤも時代にあった記録容量にアップデートしていくことが必要であるが、現在のＶＰＦ主体でのデジタルシネマ機器供給形態が、この市場からの要求に柔軟に対応できるのかが大きな課題となってくる。また、ＤＣＩを構成するハリウッドメジャースタジオが経費負担も含めて、今回取り上げた課題についてどのように方針を打ち出すのかが注目されるところである。