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西川善司の3DGE:AMD,HDR対応の「FreeSync 2」を発表
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印刷2017/01/04 00:00

連載

西川善司の3DGE:AMD,HDR対応の「FreeSync 2」を発表

最近のAMDは初代FreeSyncを「Radeon FreeSync」と呼ぶことが多いのだが,そのためか,FreeSync 2を「Radeon FreeSync 2」と呼ぶこともある
FreeSync
 北米東部標準時間2017年1月3日9:00,AMDは,同社独自のディスプレイ同期技術「FreeSync」の第2世代となる「FreeSync 2」を発表した。
 FreeSync 2の情報自体は,2016年12月初旬に米カリフォルニア州ソノマ市で行われたAMD TECH SUMMITで説明を受けていたが,晴れて守秘義務の期限を迎えたので,その詳細をお伝えしたい。

 さて,そもそも初代FreeSync(以下,便宜的に「FreeSync 1」と呼ぶ)とは何かだが,一言でまとめるなら,「GPUが出力する映像信号をGPU主導でディスプレイへ転送,表示させることで,滑らかな表示を行うメカニズム」だ。詳細は2015年3月20日掲載のテストレポートを参照してほしい。
 ……と,過去記事に丸投げしてしまって,いささか不親切に感じるかもしれないが,なぜかというと,実のところFreeSync 2は,FreeSync 1とは方向性の異なる技術だからである。

David Glen氏(Senior Fellow Architect, AMD)
 AMD TECH SUMMITでFreeSync 2に関するプレゼンテーションを行ったAMDのDavid Glen氏も「FreeSync 2はFreeSync 1に取って代わるものではない。FreeSync 2リリース以降も,FreeSync 1は併存する」と述べていた。

 では,FreeSync 2とはどういったものなのだろうか。


FreeSync 2の効能(1)ディスプレイデバイス側にあるHDR処理の隠蔽


 結論から言うと,FreeSync 2は,HDR(High Dynamic Range,ハイダイナミックレンジ)に関連した技術である。
 ではなぜFreeSyncの名を継続して用いるのかというと,「GPU主導の表示メカニズム」「GPUとディスプレイ機器との接続に関連した技術」という意味において,コンセプトが一貫しているためだそうだ。

 今日(こんにち)において,すべてのPlayStation 4およびXbox One Sが,HDRに対応した。またRadeonとGeForceもHDR出力をサポートするに至っている。テレビ製品は,4K解像度に対応する2016年モデルのほぼすべてがHDR対応となり,価格も「手を伸ばせば買える」レベルになってきた。PC向けディスプレイ製品は出足が鈍いものの,2017年はLG ElectronicsやBenQといった主要なディスプレイ製品メーカーからHDR対応モデルの登場が見込まれており,「HDR対応」というキーワードが,今後の製品選びにおける重要な要素になっていくと予測される。

 そんな中,HDR対応において,懸念材料となりそうなことが2つある。
 1つは「遅延」だ。「液晶パネルの応答速度」のことではなく,「入力された映像信号がテレビやディスプレイ内の映像エンジンで処理されて,液晶パネルに書き出されるまでの時間」という意味のほうなので,注意してほしい。

 さて,HDRレンダリングに対応したゲームグラフィックスでは,描画の段階で,現実世界やそれに近いダイナミックレンジで計算し,これを浮動小数点バッファなどにレンダリング結果として出力している。
 極端な例だが,HDRレンダリングの段階では,たとえば太陽光で照らされたゲーム世界の反射を,最大数千万nit(※輝度の単位。1nit=1cd/m2)くらいで描画していたりするわけだ。これを本稿では「HDRレンダリング結果」と呼ぶが,それをそのままテレビやPC用ディスプレイ(以下,ディスプレイデバイス)に出力することはない。

 下に示したのは,AMDが示した「HDRレンダリングとHDR対応ディスプレイデバイスにおける表示の流れ」の模式図だが,「GAME TONE MAPPING」とあるとおり,ゲーム側(≒グラフィックスエンジン側)でトーンマッピングを行う必要がある。

HDRレンダリングとHDR対応ディスプレイデバイスにおける表示の流れ
FreeSync

 このトーンマッピングは,ゲーム内のカメラでそのシーンを捉えたとき,どのような映像になるべきなのかを処理するフェーズに該当する。たとえば,10億nitの陽光下でも,深い森の木陰にいる主人公からの目がカメラになっている場合は,やや暗め階調基準になるだろう。あるいは,何もない砂漠を歩いている主人公のカメラから見たら,眩しく照り返す砂漠の砂は明るい階調基準になるはずだ。

 ゲームグラフィックスエンジン内でのトーンマッピングを終えても,その結果を直接,HDR対応のテレビやディスプレイに出力することはできない。
 このあと,出力するテレビやディスプレイのHDRスペックに合わせつつ,HDMI 2.0aで規格化されたHDR映像フォーマット「HDR10」などの形式に変換する必要がある。それが上の図における「HDR TRANSPORT」だ。

 筆者が「FINAL FANTAYSY XV」の開発チームに聞いたところでは,「ゲームグラフィックスエンジン側のトーンマッピング」(=GAME TONE MAPPING)と「HDR10形式への変換」(=HDR TRANSPORT)の両処理は一度にまとめて行う実装になっているそうだが,いずれにせよ,HDRレンダリングしたフレームは,そうした変換を経て,HDR対応のテレビやディスプレイに出力されているのだ。

 AMDが指摘するのはその先で,現状のHDR対応ディスプレイデバイスは多くが,HDR10形式の映像表示を行うにあたって,ディスプレイデバイス側の映像エンジンで,パネルの特性や,液晶ならバックライトの駆動輝度を踏まえた表示処理系に余計な時間がかかり,SDR(Standard Dynamic Range,非HDR映像)を表示するときよりも遅延が大きくなるのだという。それが上の図における「DISPLAY TONE MAPPING」の部分である。

FreeSync
 この説明を受けたときに違和感を覚えた筆者は,東芝のREGZA開発チームに確認したが,「REGZAでは,現行モデルを含めそういった遅延は起こりえません。HDR映像とSDR映像の間にある遅延差はゼロです」とのことだった。まぁ,AMDがそう言う以上,一部のメーカー製品ではそういうこともあると捉えるのが正しい。
 とにかく,FreeSync 2では,テレビやディスプレイ側におけるHDR処理をGPU側で肩代わりすることで,AMDがDISPLAY TONE MAPPINGと呼ぶ部分の処理時間を隠蔽(ないしは短縮)しようというのである。


FreeSync 2の効能(2)ディスプレイデバイス側のHDRスペック取得


 HDR対応において,ゲーム開発者が実際に現在進行形で困惑していることがある。
 筆者は先ほど,前段で紹介したスライドのHDR TRANSPORTで,「出力先となるディスプレイデバイスのHDR対応スペックに合わせつつ,HDMI 2.0aで規格化されたHDR映像フォーマットのHDR10形式に変換する」と述べたが,これだけだとうまく表示されないケースも出てくる。
 というのも,現在のHDR対応ディスプレイデバイス規格において,「出力するディスプレイデバイスのHDR対応スペック」をアプリケーション(≒ゲームプログラム)側から取得する術はないからである。

 なので,現在のHDR対応ゲームは「HDR10対応のUHD Blu-rayって大体1000nitくらいが多いよね。だったら1000nitのHDR対応ディスプレイデバイスが多いと仮定できるから,そのくらいのHDR対応性能があるということにして処理しよう」みたいな,やや適当なことになっているのだ。
 実際に販売されているHDR対応の4Kテレビ製品では,直下型バックライトを使用する上位機だと1000〜1400nitくらいはある一方,エッジ型バックライトの液晶モデルや有機ELモデルでは600〜800nitくらいしかない。こうしたテレビで,前述したような「1000nit想定」のHDR映像を映すとどうなるかと言えば,明るい部分が白潰れしてしまう。

 前段で筆者は,2017年にPC向けディスプレイ製品でもHDR対応モデルが出てきそうと書いたが,PC向け製品ではコスト削減の意味合いからエッジ型バックライトモデルが主流となるはずだ。しかも,視距離が短いディスプレイ製品では,輝度性能はテレビよりも相当低くなることだろう。
 ちなみに,テレビ製品が400〜500nit程度の輝度スペックなのに対し,PC向けディスプレイ製品は250〜350nit程度でリリースされてきた経緯がある。

FreeSync
 なので,HDR時代を迎えるにあたって,ゲームプログラム側から「プログラムが動いているシステムの先に,どんなスペックのHDR対応ディスプレイデバイスがつながっているか」を取得する術がとても重要になってくる――。そう考えたAMDは,FreeSync 2に,そうしたディスプレイ機器側のスペックをゲームプログラム側に提供する仕組みを含むのである。


HDRだけでなく広色域にも対応


 「FreeSync 2対応システムで,レンダリングや映像出力の流れがどういう風になるか」を表したのが下のスライドだ。上下の2つは,上が従来型,下がFreeSync 2のHDRレンダリングを示したものだ。
 FreeSync 2は現在のところ,16bit浮動小数点(FP16)バッファをはじめとした主要フォーマットのほか,AMD製GPU特有の10bit浮動小数点(7e3)バッファにも対応しているという。

FreeSync

 ゲームコンテンツ側に深く依存することになるGAME TONE MAPPINGは必要だ。ここは変わらない。
 大きく変わるのはこれ以降で,一目瞭然,HDR映像フォーマットに変換する「HDR TRANSPORT」とテレビ側のHDR対応処理「DISPLAY TONE MAPPING」の2つが「FREESYNC 2 TRANSPORT」に集約されている。

 FREESYNC 2 TRANSPORTは,ゲームプログラム側がFreeSync 2ドライバのAPIを呼び出すなどして相互連携して,ディスプレイ機器に最適化したHDR映像を“精製”していく部分になる。
 たとえば,最高輝度1000nitのHDR対応テレビとの接続時は,その情報をFreeSync 2経由でゲームプログラム側が取得し,最高輝度1000nitを想定したトーンマッピングを行う。250〜350nit程度のPC向けHDR対応ディスプレイ接続時であればこの情報を取得して,最大250〜350nitの範囲内で適切なHDRトーンマッピングを行うことになるわけだ。

 ここで重要なのは,FreeSync 2で取得できる情報が,輝度性能だけではなく,そのディスプレイ機器が対応する「色域」「色空間」などを含む点である。
 なので,たとえばディスプレイデバイスがsRGBと比べて広色域なDCI-P3の色空間に対応していれば,その情報をゲームプログラム側から把握し,ライティングや色計算をDCI-P3想定で行うことができるわけだ。
 また,これは極端な事例だが,「色空間としてはsRGB対応どまりのディスプレイ製品ながら,表示能力的だけ見れば,赤だけは広色域に対応する」といった製品の場合,その情報をゲームプログラム側に返すことで「緑青方向はsRGB相当止まりだが,赤だけは鮮烈な描画を行う」といったことも技術的には可能だそうだ。

Syed Hussain氏(Display Domain Fellow,AMD)
 FreeSync 2に関する質疑応答時に登壇したSyed Hussain氏いわく「sRGB,DCI-P3,BT.2020といった色空間規格に踏みとどまらず,そのディスプレイの輝度性能,色再現性の最大能力を扱って映像出力を行えるのもFreeSync 2の訴求ポイントである」とのこと。
 こうして見てくると,FreeSync 2は,FreeSync 1以上に,映像業界に大きな変革をもたらしそうな技術だということが分かってくるのではないだろうか。

FreeSync 2では,sRGBとかDCI-P3とかAdobeRGBとか,既存の色空間に縛られない,そのディスプレイ機器の最大色域を使っての表示が可能になる
FreeSync


FreeSync 1に対応するRadeonはFreeSync 2にも対応


FreeSync 2はLow Framerate Compensationにも対応する
FreeSync
 気になるのはFreeSync 2の互換性だが,基本的には,FreeSync 1に対応するRadeonなら,FreeSync 2にも対応するという。

 最初に述べたとおり,FreeSync 1とFreeSync 2は技術の方向性が異なるため,併存する。また言うまでもなく,FreeSync 2は「FreeSync 2対応ディスプレイデバイス」でしか利用ができない。さらに言えば,ディスプレイデバイスメーカーが特別なファームウェアアップデート対応を行うとか,そういったことがない限り,既存のFreeSync 1対応ディスプレイデバイスでFreeSync 2対応になることもない。

 FreeSync 2の恩恵は,FreeSync 2を活用した対応アプリケーションでのみ得られ,既存のソフトへ自動的に恩恵を与えるものではないことにも注意したい。ただし,ゲームのようなFreeSync 2対応アプリケーションと,Windowsデスクトップなど既存の非FreeSync 2環境との間で表示を切り替えたときには,自動的に適切な表示モード変更を行うとのことである。

非FreeSync 2とFreeSync 2対応間の表示モード切換は自動で行われる
FreeSync

 最後に,質疑応答の時間帯に語られた「FreeSync 2の今後」についてもまとめておこう。
 現在,FreeSync 2が対応するHDR形式は,HDR10とDolby Visionの2つだけで,HLG(Hybrid Log Gamma)は「いまのところ未対応」(Hussain氏)。これは「HLG対応を謳った製品が少ないため」だとしており,直近で対応の動きはないとのことだ。

2016年12月の時点では,「Radeon RX 480」の発表時に公開されたのと同じHDRデモしか公開されなかった
FreeSync
 もう1つ,AMDのFreeSync 1は,のちにディスプレイ技術の標準化団体であるVESA(Video Electronics Standards Association)によって,DisplayPort 1.2aの拡張仕様「Adaptive-Sync」として採用された経緯があるわけだが,同じようにこのFreeSync 2を標準化していく動きはあるのか,という質問に対してHussain氏は「今後,業界関係者と議論を進めていく」といった程度の説明に留めていた。
 なお,2016年12月のAMD TECH SUMMITで,デモルームにFreeSync 2の実機デモはなかった。1月初旬にラスベガスで開幕となるCES 2016で,実機デモが登場することに期待したい。

AMD公式Webサイト

  • 関連タイトル:

    FreeSync

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