Dirac (ビデオ圧縮形式)

Dirac（およびDirac Pro 、 SMPTE VC-2として標準化されたサブセット）は、 BBC研究開発部が開発したオープンでロイヤリティフリーの ビデオ圧縮形式、仕様、およびソフトウェアビデオコーデックです。^{[4] [5] [6] Diracは、} Ultra HDTV向けの高品質ビデオ圧縮を提供することを目的としており、 H.264などの既存の形式と競合していました。^[3]

仕様は2008年1月に完成し、その後の開発はバグ修正と制約のみでした。^{[2]その年の9月には、} Dirac Proとして知られるIフレームのみのサブセットのバージョン1.0.0がリリースされ、 SMPTEによってVC-2として標準化されました。^{[7] [4] [8]}動き補償とフレーム間コーディングを含む完全なDirac仕様のバージョン2.2.3は、数日後に発行されました。 ^[2] Dirac Proは、2008年の北京オリンピックでHDTV画像を送信するためにBBCによって内部的に使用されました。 ^{[9] [10]}

オープンソースでロイヤリティフリーのビデオコーデックソフトウェア実装 libschrodinger と dirac-research が2 つ開発されました。このフォーマット実装は、1933 年にノーベル物理学賞を共同受賞した理論物理学者のポール・ディラックとエルヴィン・シュレーディンガーにちなんで命名されました。

DiracはHDTV（1920×1080）以上の解像度をサポートし、 MPEG-2 Part 2、MPEG-4 Part 2 、および競合のTheoraやWMVなどのビデオ圧縮形式に比べてデータレートを大幅に節約し、品質を向上させると言われています。Diracの実装者は、「高解像度ビデオの場合、MPEG-2に比べてビットレートが2倍削減される」という予備的な主張をしており、これはVC-1やH.264のより単純なプロファイルに匹敵します。^[11]

Diracは固定ビットレートと可変ビットレートの両方の動作をサポートしています。低遅延構文を使用すると、画像内の各領域（Diracスライス）のビットレートが一定になり、一定の遅延が確保されます。Diracは非可逆圧縮モードと可逆圧縮モードをサポートしています。^[2]

ディラックは、MPEG圧縮形式で使用される離散コサイン変換の代わりに、JPEG 2000やPGF画像形式、Cineformプロフェッショナルビデオコーデックのようなウェーブレット圧縮を採用しています。ディラックが使用できる特定のウェーブレットのうち2つは、JPEG 2000のものとほぼ同じです（5/3ウェーブレットと9/7ウェーブレットとして知られています）。また、それらから派生した2つのウェーブレットもあります。 ^[12]

DiracはOggやMatroska コンテナフォーマットで使用でき、 ISOベースメディア（MP4）ファイルフォーマットやMPEGトランスポートストリームでも使用できるように登録されている。^{[13] [14]}

BBC は Dirac に関する特許を一切所有していません。BBC は以前、Dirac 関連の特許について、誰に対しても取り消し不能な無償ライセンスを付与する計画で特許申請を行っていましたが、その申請は失効しました。さらに、開発者は Dirac が第三者の特許を侵害しないように努め、一般の人々が Dirac をあらゆる目的で使用できるように努めるとしています。^[5]

Dirac Proは、 Dirac仕様のIフレームのみのサブセットであり、標準化のためにSMPTEに提案されました。^{[4] [15]} Dirac Proは、高ビットレートアプリケーションでの高解像度ビデオのプロフェッショナルおよびスタジオでの使用向けに設計されています。^[6] 2010年に、SMPTEはDirac ProをVC-2として標準化しました。^{[8] [16]}

オリジナルのDiracコーデックの開発はほぼ停止しているが、VC-2コーデックはHDおよびUHDポストプロダクション環境向けに適応および更新され続けている。SMPTE規格（ST）と推奨プラクティス（RP）は以下のとおりである。^{[17] [18]}

• SMPTE ST 2042-1:2022 – VC-2 ビデオ圧縮
• SMPTE ST 2042-2:2017 – VC-2 レベル定義
• SMPTE RP 2042-3:2022 – VC-2 適合仕様
• SMPTE ST 2042-4:2018 — VC-2 ストリームを MXF 汎用コンテナにマッピングする
• SMPTE RP 2047-1:2023 – 1080P 高解像度ビデオソースの VC-2 メザニンレベル圧縮
• SMPTE ST 2047-2:2010 — HD-SDI 経由の VC-2 圧縮ビデオの伝送
• SMPTE RP 2047-3:2023 — 標準解像度インフラストラクチャで使用するための高解像度ビデオソースの VC-2 レベル 65 圧縮
• SMPTE ST 2047-4:2011 — SDTV SDI 経由のレベル 65 VC-2 圧縮ビデオの伝送
• SMPTE RP 2047-5:2022 — 高解像度インフラストラクチャで使用するための超高解像度ビデオソースの VC-2 レベル 66 圧縮
• IETF RFC  8450 — VC-2 高品質 (HQ) プロファイルの RTP ペイロード フォーマット

当初は2つのソフトウェア実装が開発されました。BBCのリファレンス実装は当初Diracと呼ばれていましたが、混乱を避けるためにdirac-researchに改名されました。C++で書かれ、Mozilla Public License、GNU GPL 2、GNU LGPL フリーソフトウェアライセンスの下でリリースされました。この実装のバージョン1.0.0は2008年9月17日にリリースされ、Diracビットストリーム形式を定義しています。^[7]

2番目の実装であるSchrödingerはBBCの資金援助を受け、100%ビットストリーム互換を保ちながら、コーデックの高性能でポータブルなバージョンを提供することを目指した。SchrödingerはANSI Cで書かれ、dirac-researchと同じライセンスと、非常に寛容なMIT Licenseの下でリリースされた。ライブラリをそのフレームワークで使用できるようにするために、 GStreamerプラグインが含まれていた。2008年2月22日、Schrödinger 1.0.0がリリースされ、 Core DuoラップトップでHD720/25pをリアルタイムでデコードすることができた。^[19]

2010年3月にリリースされたSchrödingerバージョン1.0.9では、エンコード速度と画質の両面で、ほとんどのエンコード状況においてdirac-researchを上回っていました。^[20]このリリースでは、dirac-researchのエンコードツールのほとんどがSchrödingerに移植され、Schrödingerの圧縮効率はdirac-researchと同等かそれ以上になりました。Schrödingerの開発は2012年の1.0.11リリース以降中止されました。

Dirac ProがSMPTE VC-2として標準化された後、オープンソースのリファレンスVC-2エンコーダの開発が開始されました。コードはBBCのgitリポジトリで提供されており、GitHubで入手できます。^[21]

BBCでは、新しいエンコードツールがどれだけうまく機能するかをチェックし、品質に影響を与えるバグが迅速に修正されるようにするために、エンコーダ品質テストシステムが導入されています。^[22]

Diracビデオの再生は、バージョン0.9.2（2008年）以降のVLCメディアプレーヤーと、GStreamerフレームワークを使用するアプリケーションでサポートされています。FFmpegにもサポートが追加されました。Diracにエンコードできるアプリケーションには、 FFmpeg、MediaCoder、LiVES、OggConvertなどがあります。^[23]

オリジナルの Dirac 仕様のアルゴリズムは、当時の主流のビデオ圧縮規格に匹敵する圧縮性能を提供することを目的としていました。2008 年第 2 四半期の実装を使用した Dirac コーデックと H.264 コーデックの 2009 年の比較では、x264 のスコアが Dirac よりわずかに高くなりました。^[24] 2009 年の別の比較では、標準解像度のコンテンツで同様の結果が得られましたが、高解像度 (HD) のビデオ コンテンツは比較されていませんでした。^{[25]これらの研究は、Dirac の圧縮性能が}MPEG-4 Part 2 Advanced Simple Profile (ASP、通称DivX ) の性能に近いことを示しています。複雑度の低い H.264 エンコードにも近づいていますが、ハイ プロファイル H.264 でエンコードされたビデオは、同じ知覚品質でより優れた圧縮を実現します。

2010年以降、 VP8、VP9、AV1などのロイヤリティフリーのオープンソースビデオコーデックが開発され、圧縮性能が向上し、YouTubeやNetflixなどの主要なストリーミングサービスを含む幅広い採用が進むようになりました。^{[26] [27]}

• デイヴィッド・シュリーフがディラックについて語る映像クリップはインターネットアーカイブで閲覧できる。
• VC-2 に関する BBC 研究開発ページ