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HOMEビギナーズゲートデジタルデータの色深度 [基礎編]

 毎号、お届けしているこのビギナーズでは、映像制作に携わっていく中でこれから向かい合っていく可能性のあるさまざまな問題点や知っておきたいポイントを随時ピックアップし、その考え方や解決策などをわかりやすく解説しています。
今回は「デジタルデータの色深度(基礎編)」というテーマを取り上げてみました。


デジタルデータの色深度[基礎編]
8bitカラーと10bitカラーの間にあるもの

 デジタルビデオの世界では「8bit」や「10bit」といった表現がよく登場しますが、そんな環境の違いが色の深度にどう影響しているのかを知っておくと、デジタルワールドがもっとよく見えてきます。
STAGE-04:転送レート」で、データやディスクの容量の表現として使われている「MB:メガバイト」と、ディスクの転送スピードやネットワーク(インターネット)の転送レートとして使われている「Mbps:メガビット(パーセコンド)」の違いや関係といったあたりをご紹介しましたが、この単位はデジタルビデオワークの中では、画質や色にも大きくかかわっています。

 コンピュータで取り扱うデータは、当然そのすべてが「デジタルデータ」として取り扱われているわけですが、それがグラフィックのようなデータであれば、そのデータを構成している「画像」や「大きさ」や「色」といったような情報も決して例外ではありません。
では画像を構成する要素の中で「色」というものが、いったいどのように扱われているのでしょうか?
なんだか難しそうな話ですが、近年のデジタルビデオの世界では、ビデオカードやソフトウェアの画質が語られる多くのシーンで「8bit」や「10bit」や「16bit」といった単位や「色深度」が当たり前のように使われています。

 まずは、わかりやすいところから、一般的なパソコンにおけるモニターの画面表示色の設定を例にとって考えてみましょう...。
「Windows XP」の「画面設定」を見てみると、「中(16ビット)」、「高(24ビット)」、「最高(32ビット)」といった形でディスプレイの表示色の設定が表現されおり、「Mac」の場合は「ディスプレイ設定」で「約32,000色」、「約1,670万色」といった形で表現されているのがわかります。
 表示できる色の数で両者を分類してみると、Windowsの「中(16ビット)」とMacの「約32,000色」が同じ色の数であることを表しており、同様に「Win:高(24ビット)」と「Mac:約1,670万色」が同じ色数を表していることになります。


 それでは、この「16bit」を例にとって、その中身がどのようになっているのかを考えてみましょう。
「16bit」の場合、先にも触れたように表示できる色の数が「約32,000色」であるわけですが、ディスプレイ上では「R(Red)、G(Green)、B(Blue)」の3原色の組み合わせによって色が表現されるため、「16bit」の情報量は「R,G,B」各色ごとに情報量を均等に配分する必要があります。
そこで、整数で割り切れる数値で3等分すると、各色「5bit」ずつの「R:5bit、G:5bit、B:5bit」がそれぞれの色で使用されているという事になります。

 少し面倒な話になりますが、「5bit」というのは「2の5乗」ということになりますので、十進数で表すと「32(2×2×2×2×2=32)」という数値になります。
したがって、「R:5bit、G:5bit、B:5bit」ということは「R,G,B」の各色がそれぞれ「32段階の階調」の色合いを持っているということがわかります。
ということは、その組み合わせによって「R,G,B」全体で表示できる色の数は「32×32×32=32,768色」となり、Macのディスプレイ設定で表示されていた「約32,000色」と合致することになります。
余談ですが、ビットではなく色の数で設定メニューが表示されているのもMacらしい部分ですね。

 また、「24bit」であれば「R:8bit、G:8bit、B:8bit」となりますので、同様に考えると、1色あたり「2の8乗」で、「256階調」の色合いを持ち、表示できる色の数は「256×256×256=16,777,216色」ということになります。
これが、デジタル上で取り扱われる色再現の基本的な仕組みです。


 それでは次に、「bit」による色再現の違いを、実際に目で見てみて、どのような違いがでてくるのかを視覚的に表現してみましょう。
わかりやすくするために「R,G,B」のうち「G:Green1色」だけの場合で考えてみましょう。


16bitの場合の階調表現
 先にも触れたように「16bit」の場合は「R:5bit、G:5bit、B:5bit」の構成となり、「G:Green」1色あたりは「5bit/32階調」の色合いを持っているので、「0〜100%」のグラデーションに当てはめて考えると <図1:上> のように「32段階」で表されることになります。
「32階調」の変化では、視覚的にも1階調ごとの変化がはっきりとわかり、滑らかなグラデーションを再現することができないのが見てとれます。


24bitの場合の階調表現
 これに対して、「24bit(R:8bit、G:8bit、B:8bit)」の場合は、1色あたりは「8bit/256階調」の再現性があることから <図1:下> のように、人間の目では段階的な変化は識別しにくいぐらいに滑らかな再現が可能になります。

 グラフィックや映像制作の現場を考えてみると、最終的にビデオ出力するような場合には5bitの制作環境で作業を行うことはまずなく、通常「8bit」以上の色深度が使用されるはずなので、段階というものをそれほど意識する必要はありません。
 しかし、滑らかな変化に見える「8bit」環境であっても、実は人間が一般的に識別できる限度よりも多い色数を持っているだけで、厳密に言えば256段階(RGB各色ごとに)という段階的な階調になっていることは理解しておいたほうがいいでしょう。


 ここで、先に進む前に、みなさんとのコンセンサスをとっておきましょう。
表示色の設定を表す「bit」の表記は、同じ色数を表現する場合であっても「24bit(R,G,Bの合計)」であったり、「8bit(1色あたり)」であったりと、さまざまですが、映像関連の機器(ビデオカードなど)やワークフローの中では一般的に後者の「1色あたりのbit数」で表現することが多いので、この後の表記はこちらに統一することにします(フルカラー環境を8bitと表記)。


 さて、先にも紹介したように「8bit」あれば、人間が識別できる色数以上を表示できるわけですが、近年のデジタル映像機器(VTRやビデオカードなど)では、「8bit」では飽き足らず、「10bit」や「12bit」さらには「16bit」といった仕様が謳われているものが数多く存在します。
また、映像制作に使用されるVTRにおけるデジタル映像信号の「量子化bit数(アナログ信号をデジタル信号へ変換する際に、何段階の数値で記録するかを示す値)」を見てみると、<表1> の通り「8bit」のものと「10bit」まで対応しているものがあることがわかります。

VTRまたは映像信号 量子化bit数
SD
Digital Betacam 10
DVCAM 8
DVCPRO 8
DVCPRO 50 8
D-1 8
D-5 10
HD
HDCAM-SR 10
HDCAM 8/10
HD D5 8/10
DVCPRO HD 8

 こうしてみると、ノンリニア編集システムの導入を検討する場合などは、いったい「何bit」のシステムを選択すればよいのか迷ってしまいますが、通常、先にも触れたように、人間の目では「8bit」以上は識別できない(個人差があり識別できる人もいる)ことから、「DVCAM」や「DVCPRO」などの「8bit」で記録するVTRの使用がメインであれば、「8bit」以上の制作環境は基本的に必要ないというように考えられます。
実際、「DVCAM」で撮影した素材をノンリニア上で編集していく場合、カットでつなげていくだけでエフェクト(レンダリング)等を使用しないのであれば、まず「10bit」は必要ないと考えていいでしょう。
先に解説した数式に当てはめてみると、「10bit」の場合は、「2の10乗=1024階調」の色深度を持っていることになり、実に表示色の数は「1024×1024×1024=1,073,741,824(約10億色)」ということになります。

 しかし、忘れてはならないのは、「8bitであれば人間の目では識別できなくてもデジタルデータ的には段階的な階調になっている」ということです。
合成作業を行う場合、2つ以上の画像を重ね合わせることになりますが、風景などの自然画像には、実に多くの階調(グラデーション)が存在していて、それらを掛け合わせていくと作業過程においては「8bit(256階調)」以上の情報量が生まれてしまうケースがあります。
また、カラーコレクションやエフェクトなどの作業では、色相や彩度や明度といった「階調」を左右する部分において、煩雑な足し引きが繰り返され、情報量が増えてしまうこともあります。
 ですが、「8bit」環境で作業していれば、合成後の結果は、結局「8bit」のレンジの中に圧縮されてしまうことになり、思いがけない変化や劣化を招いてしまう可能性もあるということになります。

 結果的に「8bit」のVTRにマスタリングするのであれば、何の意味もないように思われますが、作業工程で繰り返される過密な作業において、可能な限り情報を失わないようにすることは、最終的なクオリティに大きく影響してくると考えてください。

 なお、「10bit」のデータは、当然「8bit」のデータよりも情報量が多くなるってしまうために、データ容量も、ディスクに求められる転送レートもあがってしまうことになります。これからのデジタルワークにおいては、プロジェクトをスタートする前に、作業内容に応じた環境を決めることも大きなポイントになります。

容量や転送レート等に関しては、本紙記事「vol.1/ビットレートによるデータ容量とレンダリング時間の違い」に
詳しく紹介していますので参考にしてください。

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