4K UHD の基礎知識

4K UHD の解像度や視聴距離と HDR などのスペックについて

2018年12月から BS / CS で開始された 4K 放送は、地デジ放送よりも解像度や輝度・明度が高く、画質が飛躍的に向上している。

4K で放送されているのは BS やスカパーのような衛星放送と、Amazonプライムや Netflix など動画ストリーミングサービスの一部タイトルで、衛星放送の視聴には 4K 専用のチューナーのほか視聴する番組によってはアンテナ等の交換も必要になるが、視聴環境を整えれば右旋の 4K BS は無料で視聴できるほか、ケーブルTV や光テレビのようにアンテナ不要で視聴が可能になるサービスもある。

画面解像度と画素密度

テレビに表記されている ハイビジョン・フルハイビジョン・4K は 画面解像度 を表している。

ハイビジョン : 1280 x 720 以上 ( 1388 x 768 )
フルハイビジョン : 1920 x 1080
4K : 3840 x 2160

ハイビジョンは日本国内の HDTV の愛称で、国内では解像度が 720p ( 1280 x 720 ) 以上あれば ハイビジョン と表記でき、市販のテレビは 1388 x 768 の製品が多い。

液晶モニタは同じ画面解像度でも ITU ( 国際電気通信連合 ) の策定に沿って表記されている。

HD : 1280 x 720
Full HD : 1920 x 1080
4K : 3840 x 2160

DVD や地デジ放送などはメディアによって解像度が異なる。

DVD : 720 x 480
地デジ放送 : 1440 x 1080
Blu-ray : 1980 x 1080
4K放送 : 3840×2160
UHD Blu-ray : 3840×2160

4K の画面解像度は非常に高く精細な描写が可能になっているが、画質は解像度だけでなく輝度・コントラスト比・発色などの要素で左右される。

アップコンバート

4K UHD テレビで地デジ放送を視聴する場合など、解像度が 4K に満たない地デジや Blu-ray は メーカー独自の技術によって 4K 相当の画質にまで引き上げられる。

フルHD を 4K に拡大するのと異なり、SD画質の DVD は情報量が少ないため、アップコンバートしても 4K 相当の画質が得られるわけではない。

4K の規格

4K には米国の 7大映画制作スタジオ ( ウォルトディズニー / 20世紀FOX / MGM / パラマウント / ソニー・ピクチャーズ / ユニバーサルスタジオ / ワーナー ) が 2002年に設立した DCI ( Digital Cinema Initiatives ) が策定した規格と、無線や電気通信の国際的な標準化を策定している国連機関 ITU ( 国際電気通信連合 ) が 2012年に策定した規格が存在し、DCI と ITU で 4K の解像度は異なっている。
デジタルシネマの技術仕様と配給・上映方式の標準化の策定を行っている DCI では 4K の解像度が 4096 × 2160 で、ITU は超高精細テレビ放送 Ultra High Definition Television の環境として解像度 3840 x 2160 （ 4K ）と 7680 x 4320（8K）を策定しており、映像制作の 4K は一般的に DCI の 4K 、コンシューマー向け製品などの 4K は ITU の 4K UHD TV を指している。

解像度と規格

日本では総務省が解像度 1920 x 1080 の放送を 2K と定義しているが、ITU にはフルHD を 2K とするような勧告はなく、HDTV も ITU が 1920 x 1080 としているのに対し、国内の規格では垂直解像度が 720p 以上あれば HD ( ハイビジョン ) と表記できるため規格と通称がカオス化している。

名称	解像度	垂直解像度
VGA ・ SDTV	640 x 480 / 720 x 480	480i
HD ( ハイビジョン )	1280 x 720	720p
HDTV ( Full HD / 2K / フルハイビジョン )	1920 x 1080	1080p /i
2K	2048×1080	–
4K UHD TV	3840 x 2160	2160p
4K	4096×2160	–

画素数

モニタの解像度はピクセル ( 画素 ) が 1 インチ ( 25.4mm ) にいくつ並んでいるか ( いくつのピクセルに分割されているか ) を基本とした ppi ( ピクセル・パー・インチ ) を単位として使用し、一般的に 解像度 と表記されているのは 画素数 を表している。

同一サイズのモニタで画素数が増加 ( 高解像度 ) すると表示領域が広くなる。

画素密度は 横の画素数 ÷ モニタの横サイズ ( インチ ) で算出するので、アスペクト比が 16 : 9 の 23インチモニタで HD とフル HD の画素密度は HD が 64ppi, フル HD は 96ppi になり、フルHD は HD の 1.5倍の領域が表示できる。

パソコンのモニタの場合は数十cmの距離で見るため Windows の画素密度は 96ppi が標準で、96ppi よりも極端に画素密度が高いと表示領域が広くなる反面、フォントなどの視認性が著しく低下する。

テレビの視聴距離

テレビには映像の細かなディテールが認識でき、迫力と精細さを最大限に実感できる 最適視聴距離 があり、最適視聴距離より視聴位置が伸びるのに比例して高解像度の持ち味は薄れていく。

フルHD 液晶テレビの最適視聴距離は一般的に 縦サイズの 3倍 が目安で、 4K は画素密度が更に高くなるため最適視聴距離は 画面の高さの 1.5倍 になる。
https://www.sony.jp/bravia/tverabi/sp/

最適視聴距離

フルHD 32型 ( 69 ppi ) : 1.2 m
フルHD 43型 ( 51 ppi ) : 1.6 m
4K 43型 ( 102 ppi ) : 0.8 m
4K 55型 ( 80 ppi ) : 1.4 m

最適視聴距離は視力 1.0 で最もテレビに近い画素を感じない距離で、 見やすさ の指標ではない。

3 m ルール

アナログテレビの時代には近距離で同じ箇所を見続けて発生する 偽近視 や 眼精疲労 などの健康面から、小学校などで 3 mルール が提唱されていたが、ブラウン管テレビの画面解像度は 640 x 480 で画素密度が低いため、推奨視聴距離は縦サイズのおよそ 5 ~ 7 倍になり、 25インチの場合 1.9m ~ 2.7m になる。

1997年には 光過敏性発作を起こした ポケモンショック などもあるので、子供の至近距離での視聴には注意が必要。

UHD Blu-ray

Ultra HD Blu-ray は 4K テレビの性能と精細さを最大限に発揮できる次世代メディアで、下位互換ではないため通常の Blu-rayドライブや Blu-ray プレーヤーでは再生できず、視聴には UHD Blu-ray 専用のプレーヤーが必要。

仕様

解像度 : 3840 x 2160
色深度 : 10 bit
フレームレート : 60 fps
ビデオコーデック : H.265
HDR : サポート
容量 : 50 GB / 66 GB / 100 GB
コピーガード : AACS 2.0

再生環境は自動認識されるため 4K や HDR をサポートしていない場合はダウンコンバートされて出力される。

PCでの視聴条件

UHD Blu-ray は AACS 2.0 で保護されているため、パソコンでは特定の環境下でしか再生できない仕様になっており、最新の環境では UHD Blu-ray の再生はサポートされていない。

モニタ : 著作権保護技術 HDCP をサポートした HDMI ポートがあるモニタ
ケーブル : HDMI 2.0
ドライブ : HDCP をサポートした UHD BDドライブ
CPU : Intel SGX をサポートしている Intel 第 7 ~ 10 世代の Core i5/7 以降
MB : Intel SGX をサポートした GPU を搭載

Intel SGX は 2020年にリリースされた第 11 世代 Tiger Lake からサポートされていないため、最新のインテル CPU を搭載したパソコンでは UHD BD を再生できず、AMD の CPU を搭載したモデルでは基本的に視聴できない。

AACS 2.0 の回避策として特定バージョンのファームウェアの UHD BD Friendly ドライブ と DVD Fab Passkey for Blu-ray を使用すれば、通常の Blu-ray と同じ環境で視聴できるようになる。

HDR 10・Dolby Vision

人の目は瞳孔を調整しながら太陽光で照らされた明るい日中から星明りの夜間まで幅広い ダイナミックレンジ ( 明るさの範囲 ) を見ている。

動画で明暗の差が大きいシーンで暗部が黒ベタになったり明部が白飛びするのはダイナミックレンジが狭く、ダイナミックレンジ外の部分は同じ輝度で表現されるために発生する現象だが、従来のダイナミックレンジ ( Standard Dynamic Range ）を大幅に拡張したものが ハイダイナミックレンジ ( High Dynamic Range ) で、高輝度・高コントラストにより SDR の 100倍もの明るさを表現できるようになった。

HDR10/ HDR10+

ITU で勧告された HDR の国際規格には Hybrid Log-Gamma ( HLG )と Perceptual Quantizer ( PQ )があり、HLG は放送用に使用される HDR、 PQ は Dolby Vision で採用されている規格で、色深度を Dolby Vision の 12bit から 10bit にしたものが HDR 10 , HDR 10 を拡張したものが HDR 10+ になる。

4K テレビで HDR と表記がある場合は HDR 10 / HDR 10+ をサポートしており、Dolby Vision は LG電子など一部のメーカーがサポート。
UHD Blu-ray では HDR 10 が採用されており、Dolby Vision はオプション扱いになっている。

HDR に対応した衛星放送を HDR で視聴する場合は HLG をサポートしている必要がある。

HDR で指定されている輝度はシーンによってハードウェアで再現できる限界を超えている場合があり、ハードウェア側で画質を調整するトーンマッピングが行われるため、トーンマッピングの処理技術やモニタの最大輝度・コントラスト比などでによって表示される画質は変わってくる。

色深度 10bit ( 約10億6433万色 ) は人の目で認識できる色数を遥かに超えており、スーパービジョン と呼ばれる四色型色覚者でも約 1億色、一般人は好条件下でも 1000万色未満、通常は200万色程度しか識別できていない。
カラーチャートを表示して 33 ～ 39色を見分けられたら四色型色覚者、2 0～ 32色を見分けられたら三色型色覚者、20色未満は二色型色覚者で、四色型・二色型が25%、三色型が50%を占めている。

有機EL（ OLED ）と LED液晶

4K テレビには有機EL と LED液晶があり、性能は有機EL 、コストパフォーマンスは LED液晶が優れている。

有機EL（ OLED ）

4K テレビのハイエンドモデルで使用されている 有機EL ( OLED ) は 画素ごとに発光ダイオードや発光ポリマーなどの発光素子があるため、色の再現性やコントラスト比が高く、応答反応も高いという特徴があり、 4K テレビで HDR サポートする場合に適している。

有機EL は発光現象、 OLED は有機ELを利用した有機発光ダイオードのことで、テレビやモニタに表記される 有機EL と OLED は同じ。

LED液晶

有機EL と比較してリーズナブルな LED液晶は、画面の上下または左右に LEDバックライトを配置している エッジ型 と、液晶パネルの後ろに LED を配置している 直下型 があり、直下型はエッジ型に比べ輝度が高くバックライトの部分駆動をサポートしているため高コントラストが得られる。

IPS方式・VA方式

液晶ディスプレイは駆動方式によって IPS・VA・TN などがあり、一般的に IPS 方式は広視野角、VA方式は高コントラストが特徴。