ハイダイナミックレンジイメージ

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ハイダイナミックレンジイメージ
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ハイダイナミックレンジイメージ英語: High Dynamic Range Imageハイダイナミックレンジ画像)は、高い輝度幅 (ハイダイナミックレンジ、HDR) を持つ画像のことである。デジタル画像用語。頭文字からHDRIとも言う。

解説[編集]

ハイダイナミックレンジ (HDR) 画像は輝度幅が広く、実際の明るさを表現することが可能であるため、照明シミュレーションや3次元コンピュータグラフィックス (3DCG) 、コンピュータゲームなどに使われている。

HDR画像で使われるHalf Float (FP16) や各色12ビットのPQカーブ (SMPTE ST 2084) は、ディザリング処理が無くてもカラーバンディング英語版が見えないようになっている[1]

歴史[編集]

非ハイダイナミックレンジ (スタンダードダイナミックレンジ、SDR) の画像形式は、ブラウン管 (CRT) のディスプレイで表示する際に十分な明暗や色のデータを持つよう設計されてきた。そのため、画像の色空間はsRGB色空間 (ガンマ約2.2、黒色点輝度1cd/m2[2]、白色点輝度80cd/m2[2]) やRec. 709英語版色空間 (ガンマ2.4[3]、白色点輝度100cd/m2[3]) となっていた。1998年、Adobeはよりダイナミックレンジの広いAdobe RGB色空間英語版 (ガンマ約2.2[4]、黒色点輝度0.5557cd/m2[4]、白色点輝度160cd/m2[4]) をPhotoshopに搭載し、その色空間は印刷業界で標準的に使われるようになった。なお、トーンマッピング英語版露光融合英語版などによりハイダイナミックレンジデータをSDR画像形式へと詰め込むことも行われている。

一方、建築可視化や3DCGにおいては、現実の照明をコンピューター上で再現するために、現実世界の明暗 (闇夜から太陽光まで) の記録が必要となった。そのため、照明シミュレーションソフトウェア「Radiance英語版」において、独自ハイダイナミックレンジ画像であるRadiance HDR形式英語版 (*.hdr) が作られた。Radiance HDR形式は浮動小数点数を元にしているものの、その指数を赤 (R)/緑 (G)/青 (B)の三色で共有している (RGBE方式) ため、精度の問題が存在した[5]。一方、TIFF形式は32bit浮動小数点数画像に対応していたものの、サイズが大きいという欠点があった。インダストリアル・ライト&マジック (ILM) 社は新たに16bit浮動小数点数画像 (Half Float) へと対応するOpenEXR形式を開発し、1999年にそれをオープンソースとして公開した。その後、Adobeは同社のTIFF実装を拡張して、OpenEXRと同等のHalf Float画像へと対応させた[6]。浮動小数点数を元にしたHDR画像形式はリニアガンマ (ガンマ1.0) が基本となっている。

ゲームにおいてもHDRのレンダーパイプライン英語版が使われるようになり、テクスチャマッピングに向けてHDRテクスチャ圧縮方式のBC6H (Direct3D 11以降)[7] / BPTC_FLOAT (OpenGL 4.2以降[注釈 1][8])[9]が登場した。ファイル形式は一般的なテクスチャと同じDDS形式やKTX形式となる。

また、フィルムのデジタル加工 (デジタル・インターミディエイト) のために、フィルムの特性に合うLogガンマを用いた画像形式が登場した。CineonシステムのためにCineon形式 (.cin)が作られ、それが標準化されてDigital Picture Exchange (DPX) 形式となった。これらは一般的なSDR画像より輝度幅が広いものの、一般的なHDR画像より輝度幅が狭いため、ミディアムダイナミックレンジ (MDR) 形式と呼ばれている[10][11]。また、Logガンマをハイダイナミックレンジに適用させた形式として、Logluv TIFF英語版が登場した。Logガンマの掛かった画像は基本的に、加工の前にルックアップテーブル (LUT)などでリニアガンマ (ガンマ1.0)へと戻す必要がある。

2010年代になると民生用のHDRディスプレイが登場し、スマートフォンにもHDRディスプレイが搭載されるようになり、HEIF形式[12]AVIF形式[13]などのHDRへと対応する一般的な画像形式が登場した。これらは知覚に基づくPQカーブ (SMPTE ST 2084) などを用いており、加工向けではなく表示向けとなっている。

主なHDR画像形式[編集]

Radiance HDR形式英語版 (*.hdr)
1985年にグレゴリー・ワード(Gregory Ward)により作成された、照明のシミュレーションソフトであるRadianceのレンダリングエンジンで使用された画像形式。ファイル形式としてはRGB毎に各8ビットの仮数部とし、これに8ビットの指数部 (E) を加えた32ビットの浮動小数点数表現 (RGBE) を画素として保持しており、これを連長圧縮で圧縮している。OpenEXRが登場するまでの間によく使用されており、現在でも多くのソフトウェアパッケージでサポートされているものの、精度が低下するためOpenEXR形式の方が望ましい[5]
OpenEXR (*.exr)
インダストリアル・ライト&マジック社が開発したHDR画像形式。1999年に開発され2003年にオープン標準として公開された。TIFFが標準でRGB各色32ビットの浮動小数点数表現のみだったのに対し、OpenEXRはRGB各色16ビットの浮動小数点数表現(Half Float)の形式もサポートしており、圧縮方式も連長圧縮、gzipの他、pizの3種類をサポートしている。また、2.2で非可逆圧縮形式のDWAにも対応した。

また、TIFF形式にも浮動小数点数のHDR画像データを入れることが可能となっている (通称「Floating Point TIFF」)。対応するかはソフトウェアにより異なる。

脚注[編集]

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注釈[編集]

  1. ^ OpenGL 4.2より前においても実装が対応していればARB_texture_compression_bptc拡張経由で使うことができる。

出典[編集]

  1. ^ HDR Rendering on NVIDIA GPUs P.14-19 NVIDIA 2017年
  2. ^ a b sRGB インターナショナル・カラー・コンソーシアム
  3. ^ a b BT.709 インターナショナル・カラー・コンソーシアム
  4. ^ a b c Adobe RGB (1998) インターナショナル・カラー・コンソーシアム
  5. ^ a b 『The HDRI Handbook 2.0: High Dynamic Range Imaging for Photographers and CG Artists』 P.73 Christian Bloch 2013年1月14日 ISBN 978-1937538163
  6. ^ Adobe Photoshop TIFF Technical Note 3 P.2 2005年4月8日
  7. ^ Texture Block Compression in Direct3D 11 Microsoft
  8. ^ BPTC Texture Compression Comes To Nouveau After Intel's Work Phoronix 2014年7月23日
  9. ^ ARB_texture_compression_bptc クロノス・グループ
  10. ^ 『The HDRI Handbook 2.0: High Dynamic Range Imaging for Photographers and CG Artists』 Christian Bloch 2013年 ISBN 978-1937538163
  11. ^ 『High Dynamic Range Imaging, Second Edition: Acquisition, Display, and Image-Based Lighting』 P.104-105 Erik Reinhard、Wolfgang Heidrich、Paul Debevec、 Sumanta Pattanaik、Greg Ward、Karol Myszkowski 2010年 ISBN 978-0123749147
  12. ^ Apple and iOS 11 could revolutionize smartphone photography with a next-generation image file format PhoneArena 2017年9月19日
  13. ^ AV1 Image File Format (AVIF) v1.0.0 Alliance for Open Media 2019年

関連項目[編集]