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

２．１　8Kのパラメーター

8Kは，高臨場感の8K映像と22.2ch音声を提供する次世代の放送システムである。1表に8Kと現行の2K衛星デジタル放送（以下，現行の衛星放送）とのパラメーターの比較を示す。8Kの映像・音声パラメーターは，現行の衛星放送に比べて，忠実度が非常に高いものとなっている。

8Kの映像フォーマットはITU-R勧告BT.2020²⁾ として国際標準化されている。このフォーマットは，水平方向の画素数が7,680（約8,000）であることから「8K」と呼ばれている（Kはキロ，1,000倍を表す）。非圧縮の8K映像信号（色差フォーマット4：4：4，量子化ビット数12bit，フレーム周波数60Hz）のビットレートは約72Gbpsである。

22.2ch音声はSMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers）2036-2-2008³⁾ として国際標準化されている。非圧縮の22.2ch音声信号（サンプリング周波数48kHz，量子化ビット数24bit）のビットレートは約25Mbpsである。

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程度のデータ量に圧縮することが重要となる。

２．２　8K放送のロードマップ

総務省が主導する官民の協議会は，2014年に8K放送のロードマップに関する中間報告を公表した⁴⁾。このロードマップによると，2016年に8K試験放送が開始され，2018年には8K実用放送が開始される予定である。これらの放送では，放送衛星の使用が前提となっている。さらに，東京オリンピック・パラリンピックが開催される2020年には，8K放送の本格的な普及が期待されており，目指す姿として，多くの視聴者が市販のテレビで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・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ために，映像の各フレームは空間的に17分割され，各分割領域は並列に符号化される。符号化装置は17枚の符号化基板から構成される。各符号化基板は１つの分割領域を処理し，隣り合う基板と符号化に必要な動きの情報を共有する。この分割方法は，符号化基板間での情報の伝送量，3G-SDIインターフェースの有効画素数，水平方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とを考慮して決定した。

本符号化・復号装置は，映像符号化方式としてHEVCを採用している。前述のように，HEVCは2013年に国際標準化された最新の映像符号化方式である。その符号化性能は従来方式に比べて向上しており，特に8Kのような高解像度映像で顕著である。これは，HEVCが従来方式に比べてより多くの符号化モードを備えるためである。その反面，多くの符号化モードから最適なものを選択することが，HEVCのリアルタイム処理を行う上での課題となっている。この課題を解決するために，符号化装置では，原画像の複雑度，符号化結果，ビットレート設定に応じて，符号化パラメーターを決定している。

2015年に開発した復号装置も，符号化装置と同様の構成となっている。復号装置は17枚の復号基板で構成され，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理している。

３．２　音声符号化・復号装置と多重化機能

本符号化・復号装置は，MPEG-4 AAC（Advanced Audio Coding）方式⁶⁾ による22.2ch音声符号化・復号装置と，圧縮した映像・音声データを束ねて伝送するためのMPEG-H MMT⁷⁾（MPEG Media Transport）方式による多重化・多重分離機能を包含している。

2図に示すように，音声符号化装置は１枚の基板に実装されており，8K HEVC/H.265符号化装置に組み込まれている。音声復号装置も同様に１枚の基板で構成されている。多重化機能は，8K HEVC/H.265符号化装置の制御基板の一機能として実装されている。この制御基板は，映像・音声符号化基板から出力される符号化データを束ねてMMT形式で出力する。受信側では，MMT形式のデータを解釈して映像・音声復号基板に分配するための多重分離機能が，8K HEVC/H.265復号装置の制御基板に組み込まれている。

３．３　国内の8K放送規格への準拠

開発した符号化・復号装置は，国内の8K放送規格に準拠している。8K放送のための規格は，2014年にARIB（Association of Radio Industries and Businesses：電波産業会）で策定された。この規格では，映像符号化，音声符号化，多重化，伝送方式などが規定されている。開発した符号化・復号装置の映像符号化，音声符号化，多重化の方式は，2014年12月に改定されたARIB STD-B32 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拠させるために，8K HEVC/H.265符号化装置を改修した。3図に，ARIB規格に準拠した符号化装置の画面分割方法を示す。ARIB規格では，8K映像符号化処理において，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方向が1,088画素であり，４つ目の分割領域では1,056画素である（3図）。ARIB規格では，この４分割領域の内部を再分割することを許容しているため，3図に示すように，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。

４．１　8K衛星放送実験システム

5図に8K衛星放送実験システムの系統図を示す。

（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，デスクランブル装置で復号される。MMT多重分離装置は，復号されたデータを字幕データと映像・音声の圧縮データに区切って分配する。映像・音声の圧縮データは，復号装置によって非圧縮形式のデータに復号され，字幕が映像に合成される。

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，字幕が合成されている。モニターの周囲には12個の小型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れており，22.2ch音声を再現する¹⁰⁾。

受信側は以上の装置から構成されており，2020年までには，同等の機能を備える受信機が家庭へ導入可能となる予定である。

４．２　8K衛星放送実験の結果

前節で述べた，ARIB規格に準拠した映像符号化，音声符号化，多重化，伝送方式による実験システムを用いて，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。