DSCを探る：高リフレッシュレート技術とその応用に関する包括的なガイド

ネットワークを確認し、Free/G/V-Syncを有効にし、グラフィックスドライバーを更新して設定し、さまざまな他の解決策を試しても、問題が解決しないことがあります。しかし、高リフレッシュレートモニターに切り替えると、問題が解消されます。

その理由は何でしょうか？

これは、データ伝送帯域幅の制限に起因しています。コンピュータとモニター間のデータ転送を水道管システムに例えると、データは水、帯域幅はパイプの幅です。

容器（モニター）に大量の水（画像データ）を素早く満たす必要がある場合、パイプが広い（十分な帯域幅）場合、水（データ）はスムーズに素早く容器（モニター）に流れ込み、容器は時間通りに満たされます（画面が正常に更新されます）。

しかし、パイプが狭い（帯域幅が不十分）場合、大量の水（高解像度、高リフレッシュレートのデータ要求）を素早く満たそうとすると、問題が発生します。水はパイプをゆっくりと流れ（データ転送が遅い）、容器は時間通りに満たされません（画面更新の遅延、カクつき）。さらに、容器（モニター）の容量が小さい（低解像度、低リフレッシュレート）場合、満たす過程で逆流や飛散（エラーや画面のティアリング）が発生し、容器（モニター）が不安定で不完全または不正確な状態になり、画面のティアリング中の画像のずれや色がずれたときの色の歪みなどの表示問題が発生します。これらの問題はすべて、データ伝送帯域幅が不十分であるために、データがモニターに安定して正確に転送されないことが原因です。

この問題をどのように解決できるでしょうか？

ここでDSC（Display Stream Compression）技術が登場します。DSCとは何か、どのように私たちの体験を向上させるかを簡単に説明します。

I. DSC技術の概要

(1) DSCとは何か？

DSC（Display Stream Compression）は、Video Electronics Standards Association（VESA）が開発したビデオ圧縮アルゴリズムです。ディスプレイ技術の進化に伴い、解像度やフレームレートが向上する中で、既存の物理インターフェースは高解像度・高フレームレートのビデオデータを伝送する際に帯域幅の制限に直面することがあります。DSC技術の導入により、現在の物理インターフェース（DP 1.4以上、HDMI 2.1、eDP 1.4以上など）を介して、より高いディスプレイ解像度とフレームレートを伝送することが可能になります。

(2) DSCの開発

DSCの開発は、ディスプレイ技術分野での台頭を示しています。2014年にDSCが初めて登場し、2016年にはDisplayPort 1.4標準に正式に組み込まれ、コンピュータディスプレイでの普及の基盤を築きました。2017年にはHDMI 2.1もDSCを採用し、その応用範囲をさらに拡大しました。それ以来、DSCは進化を続け、DisplayPort 2.0や2.1などの後続バージョンで重要な役割を果たし、現代のディスプレイ技術の不可欠な要素となっています。

(3) DSCの動作原理

DSCの動作原理を、荷物の配送プロセスに例えて説明します。ある場所から別の場所（ソースデバイスからモニター）に多くのアイテム（画像データ）を送る必要があると想像してください。プロセスを最適化せずにすべてを大きな箱（非圧縮データ転送）に詰め込むと、この箱は非常に大きくて重く、場合によっては大きすぎて運搬が困難で時間がかかります（過剰な帯域幅を占有し、転送速度が遅い）。

DSCは、超スマートな配送業者のパッカーとして機能します。まず、アイテム（画像データ）を注意深く調べ、いくつかのアイテムが非常に似ているか、または同一であることに気づきます（画像内の隣接するピクセルや類似した領域、例えば色や明るさなど）。次に、一連の特殊なパッキング方法を使用して、アイテムのサイズと重量を減らし（データを圧縮）、すべてが安全かつ効率的に配達されることを保証します（最小限の損失で伝送）。

1. 前処理段階

前処理段階では、データはエンコーディングタイプとピクセルフォーマットに応じてさまざまな変換を受け、後続の圧縮に適した形式に変換されます。使用されるエンコーディングがRGBの場合、まず可逆的なYCGCO形式に変換されます。これは、YCGCOエンコードされたデータが、後続の圧縮アルゴリズムの段階で操作や圧縮が容易であるためです。

「シンプル4:2:2」のようなピクセルフォーマットの場合、補間を使用して欠落しているクロマサンプルを周囲のピクセルのクロマ値を推定して埋め、フォーマットを4:4:4に変換します。例えば、周囲のピクセルのクロマ情報を分析することで、アルゴリズムは現在のピクセルの欠落しているクロマ値を合理的に推測して補完し、全体のピクセルデータをより構造化し、効率的な圧縮に適した形式にします。

このプロセスは、パッキングを開始する前の分類と整理のステップに似ています。アイテムをパッキングしやすい形式に整えることです。例えば、空いているスペースにフォームを詰めるなどです。

2. エンコーディングと予測ステップ

2番目のステップはエンコーディング予測で、以下のように簡略化できます。デバイスはまず、周囲のピクセルの情報を使用してターゲットピクセル値を予測します。次に、予測されたピクセル値を元のピクセル値と比較して誤差値を計算します。この誤差値を受信側に送信し、受信側は同じ方法でターゲットピクセルを予測し、誤差値を加えて元のピクセル値に近づけます。このようにして、誤差値のみを送信するため、全体のデータ量を削減します。

DSCは、エンコーディング予測のためにいくつかの技術を使用します。これには、Median-Matching Adaptive Prediction（MMAP）、Block Prediction（BP）、Midpoint Prediction（MP）などが含まれます。

予測方法を選択する際、DSCは画像ピクセルの構成に基づいて決定します。これは、配送用の箱を詰める際に最適なパッキング戦略を決定するのと似ています。箱内のアイテムの種類、数量、分布（画像のピクセル構成）を考慮します。例えば、箱が主に同じタイプの小さなアイテム（画像内のピクセル類似性が高い領域）で構成されている場合、MMAPメソッドが選択されることがあります。これは、そのようなアイテムを処理するのに適しているためです。箱に特定のパターンで配置されたアイテム（特定の分布を持つピクセル）が含まれている場合、BPメソッドがより適切かもしれません。アイテムが2つの一般的な状態の間にある場合（2つの参照点の間にあるピクセル値）、MPメソッドが選択されることがあります。目標は常に、パッキングされた箱が占めるスペースを最小限に抑えることです（エンコーディングエラーを最小限に抑える）。

3. ビットレート制御とバッファリングメカニズム

DSCのビットレート制御アルゴリズムは、色の均一性とバッファの満杯度という2つの重要な要素を追跡することで、重要な役割を果たします。例えば、画像の広い領域が均一またはフラットな色である場合、ビット深度を下げてデータをさらに圧縮できることを示します。一方、バッファが満杯に近づいている場合、ピクセルグループの量子化ビット深度を調整して、データがタイムリーに処理され、バッファがオーバーフローしないようにする必要があります。

このビットレート制御アルゴリズムにより、DSCは設定されたビットレート範囲内でピクセルグループの量子化ビット深度を動的に調整し、圧縮中に発生する可能性のあるアーティファクトを最小限に抑えます。このプロセスは、配送時のパッキングプロセスに似ています。箱内のアイテムの分布（色の均一性）と箱内の残りのスペース（バッファの満杯度）を観察します。箱内のアイテムが整然と配置され、残りのスペースが十分にある場合（色の滑らかな遷移がある領域）、アイテムをより密に詰めることができます（量子化ビット深度を下げる）。これは、アイテムが変形しにくいためです（高精度を必要としない単純な色情報）。しかし、アイテムの形状が不規則で残りのスペースが限られている場合（色の変化が豊富な領域）、パッキング戦略に注意を払う必要があります（量子化ビット深度を適切に調整する）。これにより、すべてが収まり（帯域幅の制限内）、損傷を最小限に抑えることができます。

4. インデックスカラーヒストリー（ICH）とエントロピーエンコーディングの応用

インデックスカラーヒストリー（ICH）は、DSCの圧縮効率を向上させる巧妙な設計です。ICHのアイデアは、画像内で頻繁に発生するピクセル情報をインデックスとして保存することです。例えば、ゲームのUI要素や均一な色の広い領域を持つ背景などの特定のグラフィカルシーンでは、これらの繰り返しピクセルを32エントリのインデックスカラーヒストリー（ICH）バッファに保存できます。伝送中、これらのピクセルの詳細情報を繰り返し送信する必要はなく、インデックスデータのみを送信することで、伝送されるデータ量を大幅に削減し、全体の圧縮効率を向上させます。

これは、配送時のパッキングプロセスに似ています。頻繁に一緒に現れる小さなアイテムのグループ（頻繁に発生するピクセル情報）、例えば文房具のセット（鉛筆、消しゴム、定規など）がある場合、このセットを小さな箱に入れてラベルを貼ることができます（インデックス）。大きな箱を詰める際、小さな箱のラベルを見つけるだけで中のアイテムを識別でき、各アイテムを個別に開梱してラベルを貼る必要はありません（大量のピクセルデータを送信する必要がありません）。このアプローチにより、多くのスペースとラベリング作業が節約されます（データ量を削減）。

5. 画像スライシングとタイル構成

データをより効果的に圧縮し、後続の伝送を容易にするために、DSCは画像全体を異なる高さと幅のスライスに分割します。一般的なスライシングの組み合わせには、画像の幅に基づいて分割する場合（画像幅の100％または25％）、高さに基づいて分割する場合（8行、32行、108行など）があります。

画像を小さなセクションにスライスすることで、各スライスを同時にエンコードできます。このスライシングメカニズムにより、エンコーディングリソースを画像コンテンツの特性に基づいて柔軟に割り当て、圧縮効率を最適化できます。

画像をスライスに分割することは、大量のアイテム（画像データ）を配送用にパッキングすることに似ています。すべてを一緒に詰め込むと（スライシングなし）、整理されず、管理が難しく、保護が不十分なパッケージになります（圧縮と伝送に非効率的）。しかし、画像をスライスに分割することは、アイテムをカテゴリ分けして小さなパッケージ（スライス）に詰めることに似ています。各小さなパッケージは扱いやすくなります。例えば、多くの小さなアイテムを大きな箱に詰める際、いくつかの小さなパッケージに分けると、パッキングプロセスが容易になり、輸送中にアイテムが潰れたり損傷したりするリスクが低くなります（データの損失やエラーの可能性を低くする）。画像伝送では、スライシングによりデータの各部分が管理および最適化しやすくなり、全体の圧縮と伝送効率が向上します。

II. DSCの応用

(1) DSCに関する質問

1. DSCはレイテンシを導入しますか？

2. 「視覚的にロスレス」とは何ですか？

3. DSCでどのようなディスプレイ性能を実現できますか？

HDMI 2.1: ネイティブの非DSCモードでは、HDMI 2.1は4K解像度で144Hzのリフレッシュレート、8K解像度で30Hzのリフレッシュレートをサポートします。DSC技術を使用すると、10K解像度で120Hzのリフレッシュレートをサポートできます。ただし、HDMI 2.1のDSC機能はFRL（Fixed Rate Link）伝送モードでのみ使用でき、デフォルトの機能ではなく、デバイスメーカーによって決定されることに注意してください。

• 4K解像度で120Hz（ロスレス）
• 4K解像度で144Hz（DSC/4:2:2）
• 4K解像度で240Hz（DSC/4:2:0）
• 8K解像度で30Hz（ロスレス）
• 8K解像度で60Hz（DSC/4:2:2）

マルチストリームサポートにより、DisplayPort 1.4は4つの独立したディスプレイを4K 120Hzで駆動するか、DSCを使用して2つの独立したディスプレイを4K 240Hzまたは8K 60Hzで駆動できます。

DisplayPort 2.0/2.1: DSCなしでは、DisplayPort 2.0/2.1は4K解像度で240Hz、8K解像度で60Hz、2K解像度で500Hz（UHBR20）、10ビットカラーデプスをサポートします。DSCを使用すると、16K解像度で60Hzをサポートできます。