01 8K放送に向けたHEVC/H.265 符号化・復号装置の開発と伝送実験 杉藤泰子 井口和久 市ヶ谷敦郎 千田和博 境田慎一 Development of HEVC/H.265 Codec System and Transmission Experiments Aimed at 8K Broadcasting Yasuko SUGITO, Kazuhisa IGUCHI, Atsuro ICHIGAYA, Kazuhiro CHIDA and Shinichi SAKAIDA 要 約 ABSTRACT 本稿では，世界初となる8K放送規格準拠の符号化・復 This report introduces the world’s first video and audio 号装置と，この装置を用いて実施した放送衛星による伝 codec system that complies with 8K broadcasting 送実験について紹介する。8Kスーパーハイビジョン （8K） standards and describes transmission experiments via は，臨場感の高い8K映像と22.2マルチチャンネル音響 を提供する次世代の放送システムである。日本では，8K Vision (8K) is a broadcasting system capable of highly realistic 8K video and 22.2 multichannel audio. In Japan, 放送の国内規格が2014年に策定され，2016年には試験 domestic standards for 8K broadcasting were formulated 放送の開始が予定されている。当所では，この国内規格 in 2014 and 8K test broadcasting will begin in 2016. We に準拠したHEVC（High Efficiency Video Coding）/ have developed an 8K High Efficiency Video Coding H.265方式による8K符号化・復号装置を開発した。 本 稿では，はじめに8K放送の特徴とロードマップについて (HEVC)/H.265 codec system that complies with the domestic standards. In this report, we first explain the features and a roadmap for 8K broadcasting. We then 説明し，次に今回開発した8K HEVC/H.265符号化・ introduce the features of the 8K HEVC/H.265 codec 復号装置の技術内容を紹介する。また，この装置を用い system developed. Finally, we describe transmission て実施した放送衛星による伝送実験について述べる。こ experiments using a satellite system that is equivalent の実験の結果より，開発した装置は，試験放送で想定さ れるビットレートで，8K信号を高品質に伝送できることが 確認できた。 22 a broadcasting satellite using this system. 8K Super Hi- NHK技研 R&D/No.155/2016.1 to the one that will be used in test broadcasting. The results allowed us to confirm that the developed system provides high-quality transmission at the expected bit rate during test broadcasting. 報告 01 １表 8Kスーパーハイビジョンと現行の2K衛星デジタル放送のパラメーター 8Kスーパーハイビジョン 2K衛星デジタル放送 空間解像度（横×縦の画素数） 7,680×4,320 1,920×1,080 アスペクト比 16：9 16：9 画面走査方式 プログレッシブ インターレース フレーム周波数（Hz） 120, 120/1.001, 60, 60/1.001 60/1.001 量子化ビット数（bit） 10, 12 8 色域 Rec.2020 Rec.709 チャンネル数（ch） 22.2 最大5.1 サンプリング周波数（kHz） 48, 96（オプション） 32, 44.1, 48 量子化ビット数（bit） 16, 20, 24 16 以上 映像 音声 本稿では，まず8K放送の特徴とロードマップについ １．まえがき て説明し，開発した8K HEVC/H.265符号化・復号装置 現在，次世代の放送システムとして，臨場感の高い 8K映像と22.2マルチチャンネル（以下，22.2ch）音響を の技術内容を紹介する。さらに，この装置を用いて実施 した放送衛星による伝送実験について報告する。 提供する8Kスーパーハイビジョン（以下，8K）の開発 が進められている。日本では，2014年に8K放送のため の国内規格が策定され，2016年には放送衛星による8K 試験放送が開始される予定である。8K放送を実現する ２．8K放送の概要 ２．１ 8Kのパラメーター ためには，映像の品質を保ちながら，映像データを衛星 8Kは，高臨場感の8K映像と22.2ch音声を提供する次 放送で伝送可能な容量にまで圧縮することが必要であ 世代の放送システムである。１表に8Kと現行の2K衛星 る。上記の国内規格においては，8K放送を実現するた デジタル放送（以下，現行の衛星放送）とのパラメーター めの映像符号化，音声符号化，多重化，伝送方式などが の比較を示す。8Kの映像・音声パラメーターは，現行 規定されている。 の衛星放送に比べて，忠実度が非常に高いものとなって 一方，ISO/IEC（国際標準化機構／国際電気標準会 いる。 議）およびITU-T（国際電気通信連合 電気通信標準 8Kの映像フォーマットはITU-R勧告BT.2020 ２）として 化 部 門 ） に お い て，2013年 に 新 た な 映 像 符 号 化 方 式 国際標準化されている。このフォーマットは，水平方向 MPEG-H HEVC/H.265 （ 以 下，HEVC） が 標 準 化 さ の画素数が 7,680（約8,000）であることから「8K」と呼ば れ た。HEVCは8Kの 映 像 フ ォ ー マ ッ ト に 対 応 し て お れている（Kはキロ，1,000倍を表す） 。非圧縮の8K映像 り， 従 来 方 式 で あ るMPEG-4 AVC（Advanced Video 信号（色差フォーマット 4：4：4 ，量子化ビット数12bit， Coding）/H.264（以下，AVC）の約２倍の圧縮性能を フレーム周波数60Hz）のビットレートは約72Gbpsである。 持つ。HEVCは，特に8Kのような高解像度の映像で， 22.2ch音声はSMPTE（Society of Motion Picture and １） 従来方式と比較して符号化性能を大幅に改善することが Television Engineers）2036-2-2008 ３）として国際標準化 できる。その一方で，HEVCの符号化・復号処理の演算 されている。非圧縮の22.2ch音声信号（サンプリング周 量は大きく，AVCの２倍を上回るとされている。この 波数48kHz，量子化ビット数24bit）のビットレートは約 ため，HEVCの符号化・復号処理をリアルタイムに行う 25Mbpsである。 ことは，従来は困難とされていた。 当所では，8K放送規格に準拠したHEVC/H.265リア 非圧縮の8K映像はビットレートが非常に高いため， 8K放送においては，映像を高品質なまま800分の1程度 ルタイム符号化・復号装置を世界で初めて開発した。こ のデータ量に圧縮することが重要となる。 の装置は，22.2ch音声符号化・復号装置と映像・音声多 ２．２ 8K放送のロードマップ 重化機能を包含しており，これらの機能は映像符号化・ 総務省が主導する官民の協議会は，2014年に8K放送 復号装置に一体化されている。本装置を用いて，2015年 のロードマップに関する中間報告を公表した ４）。この に放送衛星による伝送実験を行った。 ロードマップによると，2016年に8K試験放送が開始さ NHK技研 R&D/No.155/2016.1 23 8K映像/22.2ch音声符号化システム 8K映像/22.2ch音声復号システム 符号化装置 復号装置 １図 8K HEVC/H.265 符号化・復号システム ２表 8K HEVC/H.265符号化・復号装置の仕様 映像 音声 多重化 符号化方式 MPEG-H HEVC ／ H.265 空間解像度／フレーム周波数 7,680×4,320 ／ 59.94P 色差フォーマット／量子化ビット数 4:2:0 ／ 10bit 入出力インターフェース 3G-SDI※１× 17 符号化方式 MPEG-4 AAC※２ LC（Low Complexity） 入出力チャンネル数 22.2ch サンプリング周波数／量子化ビット数 48kHz ／ 24bit 入出力インターフェース MADI※３（AES10※４） 多重化方式 MPEG-H MMT※５ 入出力インターフェース RJ-45※６× 1 ※１ Serial Digital Interface ※３ Multichannel Audio Digital Interface ※５ MPEG Media Transport ※２ Advanced Audio Coding ※４ Audio Engineering Society 10 ※６ Registered Jack 45 れ，2018年には8K実用放送が開始される予定である。 装置，符号化装置の入力信号および復号装置の出力信 これらの放送では，放送衛星の使用が前提となってい 号を変換する装置から構成されている。符号化装置は る。さらに，東京オリンピック・パラリンピックが開催 2013年に ５），復号装置は2015年に開発した。２表に8K される2020年には，8K放送の本格的な普及が期待され HEVC/H.265符号化・復号装置の仕様を示す。本章では， ており，目指す姿として，多くの視聴者が市販のテレビ この符号化・復号装置の特徴を紹介する。 で8K番組を楽しんでいることが挙げられている。 ３．１ 8K映像のリアルタイムHEVC符号化・ ３．8K HEVC/H.265符号化・復号装置 当所では，世界初となる8K放送規格準拠のHEVC/ H.265符号化・復号装置を開発した。 復号処理 8K HEVC/H.265符号化・復号装置は，演算量が膨大 な8K映像のHEVC符号化・復号処理をリアルタイムに 行うことができる。２図に符号化装置の構成を示す。 符号化装置においては，リアルタイム処理を実現する １図に8K HEVC/H.265符号化・復号システムの外観 ために，映像の各フレームは空間的に17分割され，各分 を示す。本システムは，映像・音声データを圧縮する符 割領域は並列に符号化される。符号化装置は17枚の符号 号化装置，圧縮された映像・音声データを復号する復号 化基板から構成される。各符号化基板は１つの分割領域 24 NHK技研 R&D/No.155/2016.1 報告 7,680 画素 分割領域 1 256 画素 分割領域 2 256 画素 分割領域 3 符号化基板 2 4,320 画素 256 画素 符号化基板 1 01 各符号化基板は 1 つの分割領域を処理 符号化に必要な 画像の情報を共有 符号化基板 3 256 画素 分割領域 16 224 画素 分割領域 17 符号化データ 8K映像 制御基板 符号化基板 16 符号化基板 17枚 映像・音声 符号化データを多重化 符号化基板 17 22.2ch 音声 音声符号化基板 制御基板 音声符号化基板 ２図 8K HEVC/H.265符号化装置の構成 を処理し，隣り合う基板と符号化に必要な動きの情報を Audio Coding）方式 ６） による22.2ch音声符号化・復号 共有する。この分割方法は，符号化基板間での情報の伝 装置と，圧縮した映像・音声データを束ねて伝送するた 送量，3G-SDIインターフェースの有効画素数，水平方 めのMPEG-H MMT ７）（MPEG Media Transport）方式 向の動き探索範囲を広くとれる方が符号化効率が良いこ による多重化・多重分離機能を包含している。 とを考慮して決定した。 ２図に示すように，音声符号化装置は１枚の基板に実 本符号化・復号装置は，映像符号化方式としてHEVC 装されており，8K HEVC/H.265符号化装置に組み込ま を採用している。前述のように，HEVCは2013年に国際 れている。音声復号装置も同様に１枚の基板で構成され 標準化された最新の映像符号化方式である。その符号化 ている。多重化機能は，8K HEVC/H.265符号化装置の 性能は従来方式に比べて向上しており，特に8Kのよう 制御基板の一機能として実装されている。この制御基板 な高解像度映像で顕著である。これは，HEVCが従来方 は，映像・音声符号化基板から出力される符号化データ 式に比べてより多くの符号化モードを備えるためであ を束ねてMMT形式で出力する。受信側では，MMT形 る。その反面，多くの符号化モードから最適なものを選 式のデータを解釈して映像・音声復号基板に分配するた 択することが，HEVCのリアルタイム処理を行う上での めの多重分離機能が，8K HEVC/H.265復号装置の制御 課題となっている。この課題を解決するために，符号化 基板に組み込まれている。 装置では，原画像の複雑度，符号化結果，ビットレート ３．３ 国内の8K放送規格への準拠 設定に応じて，符号化パラメーターを決定している。 開発した符号化・復号装置は，国内の8K放送規格に 2015年に開発した復号装置も，符号化装置と同様の構 準拠している。8K放送のための規格は，2014年にARIB 成となっている。 復号装置は17枚の復号基板で構成され， （Association of Radio Industries and Businesses：電波 各復号基板は映像フレームの１つの分割領域を並列に処 産業会）で策定された。この規格では，映像符号化，音 理している。 声符号化，多重化，伝送方式などが規定されている。開 ３． ２ 音声符号化・復号装置と多重化機能 発した符号化・復号装置の映像符号化，音声符号化，多 本 符 号 化・ 復 号 装 置 は，MPEG-4 AAC（Advanced 重化の方式は，2014年12月に改定されたARIB STD-B32 NHK技研 R&D/No.155/2016.1 25 7,680 画素 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 4,320 画素 1,088 画素 1,088 画素 1,088 画素 1,056 画素 既存の 17分割領域 ARIB規格で必須の ４分割領域 ３図 ARIB規格に準拠した符号化装置の画面分割方法 受信側 送信側 ４図 8K衛星放送実験の展示会場 3.1版（以下，ARIB規格）に準拠している。 ARIB規格で規定された8K映像符号化の処理方法に準 ３表 8K衛星放送実験における 映像・音声のビットレート設定と圧縮率 拠させるために，8K HEVC/H.265符号化装置を改修し 圧縮ビットレート 非圧縮ビットレート 圧縮率（倍） た。３図に，ARIB規格に準拠した符号化装置の画面分 映像 85 Mbps 72 Gbps 840 割方法を示す。ARIB規格では，8K映像符号化処理にお 音声 1.4 Mbps 25 Mbps 20 いて，各フレームの４分割（水平方向は7,680画素）を 必須としている。画面の上から３つの分割領域では垂直 技研公開で展示された８）。４図に8K衛星放送実験の展 方向が1,088画素であり，４つ目の分割領域では1,056画 示会場の写真を示す。本展示では，送信側と受信側の装 素である（３図） 。ARIB規格では，この４分割領域の 置を同じ場所に設置した。 内部を再分割することを許容しているため，３図に示す ４．１ 8K衛星放送実験システム ように，４分割領域の内部を既存の17分割に沿って再分 割するように改修した。また，符号化装置の動き探索範 囲やパラメーターなどをARIB規格に準拠するように変 更した。 ５図に8K衛星放送実験システムの系統図を示す。 （１）送信側 本実験システムでは，非圧縮の映像・音声信号が信号 源（記録装置や，カメラとマイクロホン）から出力され る。符号化装置は，映像・音声信号を伝送可能なビット ４．8K衛星放送実験 レートに圧縮し，圧縮データをMMT形式で出力する。 ３表に映像・音声のビットレート設定と圧縮率を示す。 開発した8K HEVC/H.265符号化・復号装置を使用し 8K放送における映像・音声のビットレートは検討中で て，世界初となる放送衛星による伝送実験（以下，8K衛 あるが，本実験においては，放送衛星の伝送容量とデー 星放送実験）を行った。この実験は，2015年５月のNHK タ放送や伝送ヘッダーの容量を勘案して設定した。本シ 26 NHK技研 R&D/No.155/2016.1 報告 01 放送衛星 映像・音声 信号源 17GHz 帯 送信側 原画像 映像・音声 符号化装置 MMT 多重化装置 スクランブル装置 変調装置 送信アンテナ 字幕 生成装置 12GHz 帯 受信側 字幕 合成装置 映像・音声 復号装置 MMT 多重分離装置 デスクランブル 装置 復調装置 受信アンテナ 凡例 字幕文字 非圧縮信号 圧縮信号 8Kモニター・枠型スピーカー 補助データ ５図 8K衛星放送実験システムの系統図 ステムにおける非圧縮の映像・音声フォーマットはそれ れたARIB STD-B44 2.0版で規格化されている。本実験 ぞれ8K/ 4：4：4（色差フォーマット）/59.94Hz（フレー で使用した放送衛星は，2016年の8K試験放送において ム周波数）/12bit（量子化ビット数） ，22.2ch/48kHz（サ も使用される予定である。 ンプリング周波数）/24bit（量子化ビット数）である。 HEVC方式を採用しているため，映像の圧縮率は約840 倍と非常に高くなっている。 （２）受信側 ５図に示すように，放送衛星から伝送されたデータは， アンテナを介して復調装置で受信され，デスクランブル 映像・音声の圧縮データと字幕データはMMT多重化 装置で復号される。MMT多重分離装置は，復号された 装置によって束ねられ，スクランブル装置で暗号化され データを字幕データと映像・音声の圧縮データに区切っ る。暗号化データは，伝送路に適合させるため100Mbps て分配する。映像・音声の圧縮データは，復号装置によっ を超えないように制限され，変調装置とアンテナを介し て非圧縮形式のデータに復号され，字幕が映像に合成さ て放送衛星に伝送される。以上で説明した送信側の装置 れる。 は，通常は放送局内に設置される。 テレビ放送の伝送においては，映像データの容量が ６図に，展示に使用した8Kモニターを示す。６図の 受信映像においては，復号された映像の下部と右上に， 支配的である。非圧縮8K映像のビットレートは72Gbps 字幕が合成されている。モニターの周囲には12個の小型 と非常に大きな値となっている。本実験システムでは， スピーカーから構成される枠型スピーカーが取り付けら HEVC方式の採用と伝送方式の改善によって8K伝送を れており，22.2ch音声を再現する10）。 実現している。HEVCの圧縮性能は，現行の衛星放送で 受信側は以上の装置から構成されており，2020年まで 使用されているMPEG-2の約４倍である。また，本実験 には，同等の機能を備える受信機が家庭へ導入可能とな で使用した放送衛星は，現行の衛星放送で使用されてい る予定である。 る衛星と同じであるが，伝送方式の改善によって，現行 ４．２ 8K衛星放送実験の結果 の衛星放送の約２倍（約100Mbps）のデータを伝送する 前節で述べた，ARIB規格に準拠した映像符号化，音 ことができる 。この衛星伝送方式は，2014年に改定さ 声符号化，多重化，伝送方式による実験システムを用 ９） NHK技研 R&D/No.155/2016.1 27 ６図 8Kモニター・枠型スピーカー いて，8Kの伝送実験を行った。その結果，8K映像と 22.2ch音声が正しく符号化，伝送，復号されていること， 開発した装置が8K試験放送で想定されるビットレート 適用できることが確認できた。 なお，8K HEVC/H.265符号化・復号装置の開発は， 三菱電機（株）と共同で行った。 で高品質な映像と音声を伝送可能であることが確認でき た。非圧縮映像入力と復号映像出力との遅延時間を計測 した結果，約3.5秒であった。 本稿は，IBC2015 Conferenceに投稿した以下の論文を元に加筆・ 修正したものである。 Y. Sugito, K. Iguchi, A. Ichigaya, K. Chida, S. Sakaida, H. Sakate, ５．むすび 国内の8K放送規格に準拠したHEVC/H.265符号化・ 復号装置を開発し，放送衛星による伝送実験を行った。 実験結果より，開発した符号化・復号装置は8K放送に 28 NHK技研 R&D/No.155/2016.1 Y. Matsuda, Y. Kawahata and N. Motoyama：“HEVC/H.265 Codec System and Transmission Experiments Aimed at 8K Broadcasting， ”The Best of IET and IBC 2015-2016，Vol.7，pp.2429（2015） 報告 参考文献 01 １） ISO/IEC 23008-2， “High Efficiency Coding and Media Delivery in Heterogeneous Environments - Part 2： High Efficiency Video Coding”— Rec. ITU-T H.265， “High Efficiency Video Coding” （2013） ２） Rec. ITU-R BT.2020-1， “Parameter Values for Ultra-high Definition Television Systems for Production and International Programme Exchange” （2014） ３） SMPTE 2036-2-2008， “Ultra High Definition Television — Audio Characteristics and Audio Channel Mapping for Program Production” （2008） ４） 総務省： “4K・8Kロードマップに関するフォローアップ会合 中間報告， ”http://www.soumu.go.jp/main_ content/000312825.pdf ５） Y. Sugito, K. Iguchi, A. Ichigaya, K. Chida, S. Sakaida, Y.Shishikui, H. Sakate, T. Itsui, N. Motoyama and S. Sekiguchi： “Development of the Super Hi-Vision HEVC/H.265 Realtime Encoder， ”SMPTE Conf. Proc., Vol.2013, No.10, pp.1-16（2013） ６） ISO/IEC 14496-3：2009/Amd 4， “Coding of Audio-visual Objects - Part3：Audio” （2013） ７） ISO/IEC 23008-1， “High Efficiency Coding and Media Delivery in Heterogeneous Environments - Part 1： MPEG Media Transport (MMT)” （2014） ８） “8K衛星放送実験， ”http://www.nhk.or.jp/strl/open2015/tenji_1.html ９） Y. Suzuki, K. Tsuchida, Y. Matsusaki, A. Hashimoto, S. Tanaka, T. Ikeda and N. Okumura： “Transmission System for 8K Super Hi-Vision Satellite Broadcasting， ”IBC2014 Conference, p.8.4（2014） 10） 松井： “家庭用22.2マルチチャンネル音響再生システム， ”NHK技研R&D，No.148，pp.45-54（2014） すぎとう やす こ い ぐち かず ひさ 杉藤 泰子 井口 和久 2010年入局。同年から放送技術研究所におい て，映像符号化の研究に従事。現在，放送技術 研究所テレビ方式研究部に所属。 1993年入局。同年から放送技術研究所におい て，ハイビジョン方式変換，シーン記述，映像 符号化の研究に従事。現在，放送技術研究所テ レビ方式研究部主任研究員。 いち が や あつ ろう ち だ かず ひろ 市ヶ谷 敦郎 千田 和博 1998年入局。名古屋放送局を経て，2000年か ら放送技術研究所において，映像符号化の研究 に従事。現在，放送技術研究所テレビ方式研究 部上級研究員。 2009年入局。帯広放送局を経て，2012年から 放送技術研究所において，映像符号化の研究に 従事。現在，放送技術研究所テレビ方式研究部 に所属。 さかい だ しん いち 境田 慎一 1991年入局。同年から放送技術研究所におい て，映像符号化，画像処理の研究に従事。現在， 放送技術研究所テレビ方式研究部上級研究員。 博士（工学） 。 NHK技研 R&D/No.155/2016.1 29
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