HDMI 1.4で4K/60Hz出力対応!? 「GeForce 340.43 Driver Beta」でサポートされた新機能を試す

　北米時間2014年6月17日，NVIDIAは，公式最新β版ドライバ「GeForce 340.43 Driver Beta」を公開した。
　リリース時の紹介記事にもあるとおり，340.43βドライバにおけるトピックは，新作ゲームタイトルへの最適化なのだが，それとは別にひっそりと追加された機能が，一部で話題となっている。何かというと，KeplerおよびMaxwell世代のGPUで（当面はシングルカード構成時に）サポートされる「HDMIで4K/60Hz伝送を行える特殊な動作モード」だ。

　現行世代のGeForceが搭載されたグラフィックスカードのHDMI出力は，基本的にすべてHDMI 1.4対応である。世界中をくまなく探せば例外があるのかもしれないが，少なくとも筆者の知る限り，国内に流通するGeForce搭載製品はすべてがHDMI 1.4止まり。HDMIで4K/60Hzに対応するにはHDMI 2.0規格への対応が必要なので，GeForceではHDMI経由での4K/60Hz出力は行えないはずである。
　ではなぜ，340.43βを導入すると，GeForce搭載グラフィックスカードで4K/60Hz出力を行えるようになるのか。今回はその説明と，実際にテストを行った結果をまとめてお届けしたい。

HDMI 2.0と4K製品の最新動向

PC向け4Kディスプレイの例。写真はASUSTeK Computerの「PB287Q」

　PC向け4Kディスプレイの新製品リリースが2013年後半から続いているのを，知っている読者は多いだろう。
　PCディスプレイの世界には，いま“4K化の波”が押し寄せていると言ってよく，そのスピード感たるや，かつてのフルHD（解像度1920×1080ドット）ブームに近いものを感じる。少なくとも，2560×1600ドットや2560×1440ドットのようなXHD（eXtreme High Definition）ディスプレイが登場したときと比べると，波の勢いは今回のほうがある。

　ただ困ったことに，PC側，具体的にいうとGPU側の対応度はというと，少なくとも完璧ではない。

　3840×2160ドットの4K解像度を毎秒60コマ（＝60fps＝60Hz）でHDMI伝送するには，映像出力側も映像受け手側も，2013年9月に立ち上がったHDMI 2.0規格に対応していなければならない。そのため，PCディスプレイやテレビ側では，2013年後半からHDMI 2.0対応の製品が出始めている状況にある。
　それに対してGPUはというと，2009年に登場したDisplayPort 1.2規格で4K/60Hz（＝60fps）出力を余裕でカバーできるようになってしまったためなのか，HDMIでの4K/60Hz伝送対応にはどちらかと言えば消極的である。
　現状，コンシューマ向けグラフィックスカードでは，GeForceもRadeonもHDMI 2.0に対応していない。NVIDIAもAMDも基本的には「4K/60Hz出力したいならDisplayPortを使えばいいじゃない」というスタンスなのだ。

　たしかに，PC用の4Kディスプレイは多くの場合，DisplayPort入力が搭載されているので，その理屈も分からないではない。ただ，4Kテレビだと，DisplayPort入力を持つのはパナソニックの4Kビエラくらいで，ほかのメーカーはHDMI 2.0をサポートする一方，DisplayPort端子は非搭載だ。4Kテレビは，「HDMI 2.0のみ対応」が明らかな主流となっている。

　NVIDIAが340.43βドライバでひっそりと導入してきたHDMI関連のアップデートは，この“ギャップ”に対するものだ。根本的な解決を示すのではなく，やや場つなぎ的ではあるものの，いまあるGPUが持つ仕様の枠内で，HDMI経由での4K/60Hz出力を行えるようにして，HDMI 2.0対応の4Kテレビとも接続可能にしようというわけなのである。

HDMI 1.4で4K/60Hz出力を実現するカラクリ

　とはいえ，言うまでもないが，ハードウェアの壁を越えることはできない。　HDMI 2.0規格が18Gbps，DisplayPort 1.2規格が21.6Gbpsのデータ転送レートに対応するのに対し，HDMI 1.4規格は10.2Gbpsだ。

　ここで注意したいのは，3840×2160ドットを24bitカラーで60fpsで伝送するときに必要な帯域幅が，


で求められるわけではないということである。実際には，表示画素以外の制御区間が垂直・水平それぞれにあるからだ（図）。さらに，HDMIで採用されているTMDS（Transition Minimized Differential Signaling）はデータに同期信号を挟み込み，8bitを10bitに変換して（＝符号化して）伝送する仕様を採用しているため，伝送データ量は25％増し（※10÷8＝1.25）になる。

TMDS信号の概念図。ラインを左上から右下まで順々に伝送していくのだが，TMDSでは，図でオレンジ色にしたビデオデータ区間（Video Data Period）以外にも，水色で示した制御区間（Control Period）内にある青のデータアイランド区間（Data Island Period）を使って音声や補助情報信号を伝送することになっており，伝送されるデータ量はビデオデータ区間の解像度分よりも大きくなる

　結果として，3840×2160ドット（もしくは4096×2160ドット）をHDMIのTDMSで伝送するときには，それ以上の帯域幅が必要になる。どれくらいかは製品によって異なるのだが，たとえば東芝やソニー製の4Kテレビだと4400×2250ピクセル分だ。そして，仮にそれを24bitカラーの60fpsで伝送しようとすると，実際に必要な帯域幅は，


となり，10.2GbpsのHDMI 1.4規格では収まりきらなくなってしまう。

　そこでNVIDIAは，Kepler世代以降のGPUで4K/60Hz出力を選択した場合は，RGB各8bitではなく，色差信号の「YCbCr＝4：2：0」で出力することにした。これが，HDMI 1.4で4K/60Hz出力を行うためのキモだ。

　色差信号（※慣例的にYCbCr，YPbPr，YUVのどれかで呼ばれる。本稿ではYCbCrを使う）とは何だろうか。
　PCにおいて，1ピクセルは赤緑青（RGB）3原色の値を組み合わせたもので表現される。ゲームグラフィックスなどで利用されるハイダイナミックレンジ（High Dynamic Range，HDR）レンダリングなど，一部の例外を除けば，一般にRGB各8bitの24bitカラーが利用されることになる。

　対する映像（＝ビデオ）機器などでは，RGBではなく，YCbCrで表される色差信号を用いるのが一般的で，これは白黒映像に相当する輝度（Y）と青色差（Cb），赤色差（Cr）で表される。
　ここでいう「色差」とは，色信号から輝度（Y）を差し引いたパラメータのこと。青色差は青（B）からYを引いて特定の定数をかけた「（B-Y）×定数」，赤色差は同様に「（R-Y）×定数」で求められる。数学上は，RGBとYCbCrの相互可逆変換が可能だ。

　ではなぜYCbCr方式のようなまどろっこしいものがあるかというと，YCbCrのYが白黒映像に等しいから。大昔，テレビの映像が白黒からカラーへ移行するとき，白黒映像との互換性を維持したままカラー映像に移行するときに都合がよかったのである。

　さて，YCbCr方式でも，Yを8bit，CbとCrをそれぞれ8bitで表現すれば1ピクセルあたり24bit表現で，色表現精度としてはRGBと同じになる。つまり，映像を構成するすべてのピクセルが24bitで表現されている限り，RGB映像とYCbCr映像の表現品質に違いはないことになる。
　しかし実際には，テレビ放送やDVD-Video，BD-Videoだと，そうなっていない。

　これはアナログカラーテレビ時代に，映像データの伝送するにあたって，輝度と色差をフル解像度で送っているとデータ量が多くなりすぎるため，ある手段で映像を圧縮していたためだ。
　現在ほどコンピュータの性能が優秀でなかったその時代にあっては，MPEGのようなフレーム相関圧縮技術もなかったため，大胆な手法で映像を不可逆圧縮した。

　具体的には，データ（＝信号）の間引きである。
　人間の視覚は輝度解像度に敏感だが，色解像度にはそれほど敏感でないため，「輝度（＝実質的には白黒映像）をフル解像度で転送しつつ，色情報（＝色差信号）は間引いてしまう」ことにしたのだ。

　色情報の間引き方には何種類かのパターンがあるのだが，まったく間引かないものは「YCbCr＝4：4：4」，走査時に偶数列のピクセルでCbCrを間引いたモノが「YCbCr＝4：2：2」，4：2：2の奇数列においてさらに，奇数行ではCr，偶数行ではCbといった具合で順番に間引くこととしたものが「YCbCr＝4：2：0」となる。4：4：4では輝度も色もフル解像度だが，4：2：2では色の解像度が半分になり，4：2：0では色の解像度が輝度比で4分の1となる。
　ちなみに，現在の地上デジタルテレビ放送やDVD-Video，BD-Videoでは，大半がYCbCr＝4：2：0を採用している。

YCbCrの4：4：4（左）と4：2：2（中央），4：2：0（右）の違い。図中の四角は1ピクセル，行は走査線で，4×4ピクセルだけ抜き出した例になる。ちなみに4：2：0においては，「CrとCbのどちらが間引かれるか」がフレームごとに切り替わるので，その点は要注意。図では奇数行でCr，偶数行でCbを間引いているが，逆の順番にもなるわけである

　ここまで説明すると，NVIDIAが340.43βドライバでYCbCr＝4：2：0の色差フォーマットを採用した理由がよく分かるだろう。Kepler世代以降のGPUで4K/60Hz出力を選択した場合，YCbCr＝4：2：0出力されるため，その帯域幅は，


となる。色信号の解像度を4分の1に間引いた結果，色情報は1920×1080ドット解像度止まりということになるものの，HDMI 1.4の10.2Gbpsという帯域幅に収まるのである。

　読者の中には「NVIDIAはなぜYCbCr＝4：2：2をなぜサポートしなかったのか」と思う人がいるかもしれない。YCbCr＝4：2：2は，輝度を4Kフル解像度，色情報も1920×2160ドット解像度でそれぞれ保持でき，また，転送レートもHDMI 1.4の帯域幅に収まりそうな気配があるからだ。

　だが実際には，YCbCr＝4：2：2ではYが12bit，CbCrが12bitとってしまい，8bit深度しか使っていなくても，下位4bitをゼロで埋めた12bitデータとして取り扱われてしまうという仕様がある。そのため，データは間引かれても，帯域幅はYCbCr＝4：4：4と同じ17.82Gbpsとなり，HDMI 1.4の上限である10.2Gbpsをやすやすと超えてしまうのだった（表1）。

YCbCr＝4：2：0による4K/60Hz出力の実力を検証する

　概要を掴んだところで，今回は340.43βドライバを使って，YCbCr＝4：2：0による4K/60Hz出力を試してみよう。
　テストに用いたシステムは表2のとおりで，グラフィックスカード以外は筆者の私物である。


　このPCを4KテレビとHDMI接続して起動したところ，標準では4K/30Hzディスプレイと認識された。4K/60Hz化したい場合は，NVIDIAコントロールパネルの「解像度の変更」に用意された「リフレッシュレート」を「60Hz」に変更するか，Windowsの「画面の解像度」から「詳細設定」を開いて，「モードの一覧」から「3840 x 2160，True Color（32 ビット），60 ヘルツ」を選択する必要がある。
　ユーザー側で明示的にYCbCr＝4：2：0を選択したりする必要はなく，4KテレビとHDMI 1.4接続された状態から4K/60Hz動作を選択すると，自動的にYCbCr＝4：2：0モードへ切り替わるようだ。

NVIDIAコントロールパネルもしくはWindows側の画面解像度設定から4K/60Hz設定が行える

　4K/60Hz化によってすぐ気づくのは，マウスカーソル動作のスムーズさだ。というか，4K/30Hz時のマウスカーソルはなんとなくスカスカした，粗い動きに見えるのに対し，4K/60Hz時には普段見慣れたとおりの動きを見せてくれる。
　デスクトップ画面も，ぱっと見た限り，それほどの違和感はない。ただ，Webブラウザから4Gamerのトップページを開いてみると，何となく違和感があるのに気づいた。「よく見れば分かる」程度の，わずかな違いではあるのだが，偽色（※「本来，そこはその色ではないはずだ」と確実に分かる画素表現のこと）が散見されるのだ。
　そこで，この特性をより明確にするために，いくつかのテストを行ってみることにした。

東芝レグザの40インチ4Kモデル，40J9X。実勢価格は18万〜27万円程度（※2014年7月15日現在）と，なかなか買い得感が高い。4K入力はHDMI 2.0のみの対応となる

　テストの方法は単純で，4K/30HzのRGB表示による4Kフル解像度表示と，NVIDIAが340.43βドライバでサポートした4K/60HzのYCbCr＝4：2：0表示とで，見栄えを比較するだけだ。
　画面撮影にはサンワダイレクトのデジタル顕微鏡「400-CAM025」を用い，4Kテレビは東芝レグザ「40J9X」を用意した。リンク先は筆者がAV Watchへ寄稿した記事となっているので，興味のある人はそちらも参照してもらえればと思う。

　というわけで，最初は，4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）のデメリットが分かりにくい例から。
　輝度情報はフル解像度なのだから，明暗差が激しい映像なら，YCbCr＝4：2：0によるデメリットが出てこないはずと，黒地に白い文字を表示させたのが下の画像だ。左が4K/60HzのYCbCr＝4：2：0，右が4K/30HzのRGBだが，見栄えに違いはほとんどない。

4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）

4K/30Hz（RGB）

　続いては人物写真だが，色はディテール表現のみで，陰影情報が主体的なものとなる写真でも，違いはほとんど感じられないのが分かるだろう。

4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）

4K/30Hz（RGB）

　続いては，「色の違いは明白である一方，輝度差自体は近い表現」を見ていくことにする。
　下に示したのは，白背景に緑や赤で文字が書かれた表現のところだ。見て分かるように，YCbCr＝4：2：0でも文字の判読自体は可能だが，オリジナルのRGBからは色味が変わってしまっており，とくに緑の文字は曲線部や「プ」の横線部に黄色い偽色（≒緑＋赤）が出てしまっている。これは，色が大ざっぱになって，輝度情報メインで文字が描かれていることによる弊害だ。

4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）

4K/30Hz（RGB）

　橙色の，比較的輝度の高い背景に白文字を描画したところが下の画像だ。一応の明暗差があるため，かろうじて文字は判読可能だが，YCbCr＝4：2：0のほうは，1ドット単位で見ると，高輝度な橙色の背景にかなり溶けてしまっている。とくに顕著なのは「動」の字の「力」部分であり，青（Cb）が間引かれた影響を見て取れよう。

4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）

4K/30Hz（RGB）

　背景も文字も暗くしてみたらどうだろうか。黒地に青い文字と白い文字を書いてみた例が下の画像で，白い文字のほうだと違いはない一方，青い文字で書かれた「駆動」は，YCbCr＝4：2：0だとほぼ判別不能になってしまった。「駆動」の青い文字は，輝度差ではなく色だけで表現されていたため，色解像度情報が落ちてしまうと，情報はここまで抜けてしまうというわけだ。

4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）

4K/30Hz（RGB）

　以上のテストから言えることは下記の2点である。

1. 陰影主体の表現は4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）でも比較的正確に再現される
2. 輝度差の少ない，色の違いだけで表されたところは，4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）だとかなり曖昧な表現になってしまう

PCゲームを4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）でプレイしてみる

Dead Space 3を4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）でプレイ

　実際に，4K/60Hz（YUV=4:2:0）でゲームをプレイしてみることにした。
　テストに用いたのはElectronic Artsの「Dead Space 3」。グラフィックス設定は最も高いプリセット「Very High」を選択した。Vsyncは無効としている。
　Dead Space 3は比較的グラフィックス負荷が低いため，GeForce GTX 780 Tiを利用している今回のテストでは，フレームレートは60fps近くをキープできていたのだが，前段で指摘したような4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）特有のデメリットは知覚されず，むしろ，4K特有の高解像感を堪能できた。

実際のプレイ風景。40J9Xのステータスも表示させて撮影してみた。ややピンぼけ気味ながら，画面左上にはFrapsのフレームレート表示「72」も見えている

　「アサシン クリード4　ブラック フラッグ」もプレイしてみたが，目立った解像感不足は感じられず。
　実写に近いゲームグラフィックスで，しかも動いている画面ということになると，4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）のデメリットよりは，高解像感とハイフレームレートによる恩恵のほうが，プレイ感に対してはプラスに働いてくれるということなのだろう。

つなぎとしては間違っていない

NVIDIAのアプローチ

　GPU負荷の見地からすると，GPUがせっかく輝度も色も4K解像度でレンダリングしているのに，4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）出力の選択によって色情報の4分の3が捨てられてしまうのは純粋にもったいない。なので，GPU，そしてグラフィックスカード側がHDMI 2.0を正式にサポートし，フル解像度の4K出力をHDMI端子で実現してくれることが最良の解決策となる。ここに疑いの余地はないと述べていいだろう。

　ただ，実際問題として，それこそアサシン クリード4　ブラック フラッグのような最新世代のゲームタイトルだと，4K解像度でゲームを快適にプレイするのはなかなか難かしったりする。シングルGPU構成のゲームPCだと，アンチエイリアシングやポストエフェクトの設定を落として，なんとか30fpsを超えるかどうかといったところなわけで，そういうときに，HDMI 2.0への対応を果たすであろう次世代グラフィックスカードを待ちつつ，とりあえずHDMI 1.4でも4K/60Hz出力が可能かどうか試せるようになるというのは，「つなぎ」としては十分にありがたい。

　というわけで，HDMI 2.0対応のテレビとGeForce搭載のPCをつないでみる場合は，ひとまず4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）設定のうえ動かしてみて，30fpsを超えてくるようならそのまま，そうでないならHDMI 1.4の規格内に収まるよう解像度を下げてプレイするか，HDMI 1.4でも伝送可能な4K/30Hzを選択をするかすればいいのではなかろうか。デスクトップ表示を4K/60Hz（YCbCr＝4：2：0）で行って常用するのはなかなか厳しいが，ゲーム用途であれば試す価値がある。

●GeForce 340.43 Driver Beta入手先
→32bit版Windows 8.1・8・7・Vista用GeForce 340.43 Driver Beta（227MB）
→64bit版Windows 8.1・8・7・Vista用GeForce 340.43 Driver Beta（285MB）
→Windows XP用GeForce 340.43 Driver Beta（194MB）

→ノートPC向けの32bit版Windows 8.1・8・7・Vista用GeForce 340.43 Driver Beta（227MB）
→ノートPC向けの64bit版Windows 8.1・8・7・Vista用GeForce 340.43 Driver Beta（285MB）