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ビデオコーデックは、デジタル ビデオを圧縮および解凍するソフトウェアまたはハードウェアです。ビデオ圧縮の文脈では、コーデックはエンコーダーとデコーダーを組み合わせた造語であり、圧縮のみを行うデバイスは通常エンコーダーと呼ばれ、解凍のみを行うデバイスはデコーダーと呼ばれます。
圧縮データ形式は、通常、標準のビデオ コーディング形式に準拠しています。圧縮は一般的に非可逆であり、圧縮されたビデオでは元のビデオに存在する一部の情報が欠落しています。その結果、元のビデオを正確に再構築するための情報が不十分であるため、解凍されたビデオは元の非圧縮ビデオよりも品質が低くなります。
ビデオ品質、ビデオを表現するために使用されるデータの量 (ビット レートによって決定)、エンコードおよびデコード アルゴリズムの複雑さ、データ損失とエラーに対する感度、編集の容易さ、ランダム アクセス、エンドツーエンドの遅延(レイテンシ) の間には複雑な関係があります。
歴史
歴史的に、ビデオは磁気テープ上にアナログ信号として保存されていました。アナログ オーディオのデジタル形式の代替としてコンパクト ディスクが市場に登場したころ、ビデオをデジタル形式で保存および伝送することも実現可能になりました。生のビデオを記録して伝送するには大量のストレージと帯域幅が必要なため、生のビデオを表すために使用されるデータ量を削減する方法が必要でした。それ以来、エンジニアと数学者は、デジタル ビデオ データを圧縮するなど、この目標を達成するためのさまざまなソリューションを開発してきました。
1974年、離散コサイン変換（DCT）圧縮がNasir Ahmed、T. Natarajan、KR Raoによって導入されました。[1] [2] [3] 1980年代後半には、多くの企業がビデオコーディングにDCT非可逆圧縮の実験を始め、 H.261標準の開発につながりました。[4] H.261は最初の実用的なビデオコーディング標準であり、[5]日立、PictureTel、NTT、BT、東芝など多くの企業によって開発されました。 [6] H.261以降、DCT圧縮はその後のすべての主要なビデオコーディング標準で採用されています。[4]
コーデックに使用される最も一般的なビデオコーディング規格は、 MPEG規格です。MPEG -1は、1991年にMotion Picture Experts Group （MPEG）によって開発され、 VHS品質のビデオを圧縮するように設計されました。1994年にMPEG-2 / H.262 [5]に引き継がれましたが、これはソニー、トムソン、三菱電機を中心に多くの企業によって開発されました。[7] MPEG-2は、 DVDおよびSDデジタルテレビの標準ビデオ形式になりました。[5] 1999年には、ビデオ圧縮技術にとって大きな飛躍であったMPEG-4 / H.263が続きました。 [5]これは、三菱電機、日立、パナソニックを中心に多くの企業によって開発されました。[8]
2016年現在、最も広く使用されているビデオコーディング形式はH.264 / MPEG-4 AVCです。これは、パナソニック、合同会社IPブリッジ、LGエレクトロニクスを中心に、いくつかの組織によって2003年に開発されました。[9] H.264はBlu-rayディスクの主要なビデオエンコーディング規格であり、 YouTube、Netflix、Vimeo、iTunes Storeなどのストリーミングインターネットサービス、 Adobe Flash PlayerやMicrosoft SilverlightなどのWebソフトウェア、地上波および衛星テレビによるさまざまなHDTV放送で広く使用されています。
AVCの後継は2013年に開発されたHEVC (H.265)です。この規格は多くの特許を取得しており、その大半はサムスン電子、GE、NTT、JVCケンウッドが所有しています。[10] [11] HEVCの採用は、その複雑なライセンス構造によって妨げられてきました。HEVCの後継は、 Versatile Video Coding (VVC) です。
YouTube で使用されているオープンで無料のVP8、VP9、AV1ビデオ コーディング形式もあり、これらはすべてGoogleの協力を得て開発されました。
アプリケーション
ビデオコーデックは、DVDプレーヤー、インターネットビデオ、ビデオオンデマンド、デジタルケーブル、地上デジタルテレビ、ビデオ電話、その他さまざまなアプリケーションで使用されています。特に、ビデオを録画または送信するアプリケーションで広く使用されていますが、非圧縮ビデオの高データ量と帯域幅では実現できない場合があります。たとえば、手術室で外科手術を記録するために、セキュリティシステムのIPカメラで、遠隔操作の水中車両や無人航空機で使用されています。さまざまなライブビデオ形式のオプションを使用して、任意のビデオストリームまたはファイルをエンコードできます。HTML5ビデオプレーヤーにストリーミングするときに設定する必要があるH.264エンコーダー設定の一部を次に示します。[12]
ビデオコーデックの設計
ビデオ コーデックは、基本的にアナログ データ セットをデジタル形式で表現しようとします。アナログ ビデオ信号は輝度(luma) と色情報(chrominance、chroma) を別々に表現するように設計されているため、コーデック設計における画像圧縮の一般的な最初の手順は、画像をYCbCr色空間で表現して保存することです。YCbCr への変換には 2 つの利点があります。1 つ目は、色信号の相関関係をなくすことで圧縮性が向上することです。2 つ目は、知覚的に非常に重要な輝度信号を、知覚的に重要度が低く、より効率的なデータ圧縮を実現するためにクロマ サブサンプリングを使用して低解像度で表現できるクロマ信号から分離することです。これらの異なるチャネルに格納される情報の比率は、Y:Cb:Cr という形式で表現するのが一般的です。コーデックによって、圧縮のニーズに応じて異なるクロマ サブサンプリング比率が使用されます。 Web や DVD のビデオ圧縮方式では 4:2:1 のカラー サンプリング パターンが使用され、DV標準では 4:1:1 のサンプリング比が使用されています。プロ仕様のビデオ コーデックは、はるかに高いビットレートで動作し、ポストプロダクション操作用に大量のカラー情報を記録できるように設計されており、4:2:2 および 4:4:4 の比率でサンプリングされます。これらのコーデックの例には、パナソニックの DVCPRO50 および DVCPROHD コーデック (4:2:2)、ソニーの HDCAM-SR (4:4:4)、パナソニックの HDD5 (4:2:2)、Appleの Prores HQ 422 (4:2:2) などがあります。[13]
ビデオ コーデックは RGB 空間でも動作できることも注目に値します。これらのコーデックは、赤、緑、青のチャンネルを異なる比率でサンプリングしない傾向があります。これは、そうする知覚的動機があまりないためです。青のチャンネルだけがアンダーサンプリングされる可能性があります。
基本的なエンコード処理の前に、ある程度の空間的および時間的なダウンサンプリングを行って、生データレートを下げることもできます。最も一般的なエンコード変換は 8x8 DCT です。ウェーブレット変換を使用するコーデックも市場に出回っており、特にモーションシーケンスでRAW画像フォーマットを扱うカメラワークフローで多く使用されています。このプロセスでは、ビデオ画像をマクロブロックのセットとして表現します。ビデオコーデック設計のこの重要な側面の詳細については、B フレームを参照してください。[14]
変換の出力は最初に量子化され、次に量子化された値にエントロピー符号化が適用されます。DCT が使用されている場合、係数は通常ジグザグ スキャン順序を使用してスキャンされ、エントロピー符号化では通常、連続するゼロ値の量子化係数の数と次の非ゼロの量子化係数の値が 1 つのシンボルに結合され、残りのすべての量子化係数値がゼロに等しいことを示す特別な方法もあります。エントロピー符号化方式では、通常、可変長符号化テーブルが使用されます。一部のエンコーダーは、 n パス符号化 (例: 2 パス)と呼ばれる複数ステップのプロセスでビデオを圧縮します。これは、低速ですが、潜在的に高品質の圧縮を実行します。
デコード処理は、エンコード処理の各段階を可能な限り反転させることから成ります。[15]正確に反転できない唯一の段階は量子化段階です。そこでは、反転のベストエフォート近似が実行されます。この部分の処理は逆量子化または逆量子化と呼ばれることが多いですが、量子化は本質的に非可逆な処理です。
ビデオ コーデックの設計は、通常、標準化されているか、最終的には標準化されます (つまり、公開されたドキュメントで正確に指定されます)。ただし、相互運用性を実現するために標準化する必要があるのは、デコード プロセスのみです。エンコード プロセスは通常、標準ではまったく指定されておらず、実装者は、指定された方法でビデオをデコードできる限り、エンコーダを自由に設計できます。このため、同じビデオ コーデック標準を使用するさまざまなエンコーダの結果をデコードして生成されるビデオの品質は、エンコーダの実装ごとに大幅に異なる場合があります。
よく使われるビデオコーデック
PC や民生用電子機器には、さまざまなビデオ圧縮形式を実装できます。そのため、同じ製品で複数のコーデックを利用できるようになり、相互運用性を実現するために単一の主要なビデオ圧縮形式を選択する必要性が減ります。
標準のビデオ圧縮形式は、複数のソースからの複数のエンコーダーおよびデコーダー実装によってサポートできます。たとえば、Xvidなどの標準MPEG-4 Part 2コーデックでエンコードされたビデオは、FFmpeg MPEG-4 や DivX Pro Codec などの他の標準MPEG-4 Part 2コーデックを使用してデコードできます。これらはすべて同じビデオ形式を使用しているためです。
コーデックにはそれぞれ長所と短所があり、比較が頻繁に公開されています。圧縮力、速度、忠実度 (アーティファクトを含む) の間のトレードオフは、通常、最も重要な技術的メリットの指標と見なされます。
コーデックパック
オンライン ビデオ マテリアルはさまざまなコーデックでエンコードされているため、コーデック パック ( K-Lite Codec Pack、Perian、Combined Community Codec Packなど、 PC 用のソフトウェア パッケージとして利用できるインストーラーと組み合わされた、一般的に使用されるコーデックの事前組み立てセット) が利用可能になりました。
参照
- ビットレート
- ビデオコーデックの比較
- データ圧縮 § ビデオ
- ディスプレイ解像度
- フレームレート
- オープンソースコーデックのリスト
- 多重化
- サンプリングレート
- 主観的なビデオ品質
- トランスコーディング
- ビデオ品質
参考文献
- ^ Ahmed, Nasir ; Natarajan, T.; Rao, KR (1974 年 1 月)、「離散コサイン変換」、IEEE Transactions on Computers、C-23 (1): 90–93、doi :10.1109/TC.1974.223784、S2CID 149806273
- ^ Rao, KR ; Yip, P. (1990)、離散コサイン変換：アルゴリズム、利点、アプリケーション、ボストン：アカデミックプレス、ISBN 978-0-12-580203-1
- ^ 「T.81 – 連続階調静止画像のデジタル圧縮および符号化 – 要件とガイドライン」(PDF)。CCITT。1992年9月。 2019年7月12日閲覧。
- ^ ab Ghanbari, Mohammed (2003). 標準コーデック: 画像圧縮から高度なビデオコーディングまで。Institution of Engineering and Technology。pp . 1–2。ISBN 9780852967102。
- ^ abcd 「ビデオファイル形式の歴史インフォグラフィック — RealPlayer」。2012年4月22日。
- ^ 「ITU-T勧告宣言特許」ITU . 2019年7月12日閲覧。
- ^ 「MPEG-2 特許リスト」(PDF) . MPEG LA . 2019 年7 月 7 日閲覧。
- ^ 「MPEG-4 Visual - 特許リスト」(PDF) . MPEG LA . 2019年7月6日閲覧。
- ^ 「AVC/H.264 – 特許リスト」(PDF) . MPEG LA . 2019年7月6日閲覧。
- ^ 「HEVC 特許リスト」(PDF) . MPEG LA . 2019 年7 月 6 日閲覧。
- ^ 「HEVC Advance Patent List」。HEVC Advance。2020年8月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年7月6日閲覧。
- ^ 「ウェブストリーミングに最適なビデオコーデックとは？（2021年更新）」Dacast . 2021-06-18 . 2022-02-11閲覧。
- ^ Hoffman, P. (2011年6月). DatatrackerにおけるIETFコミュニティによるインターネットドラフトトラッキングの要件。doi : 10.17487/rfc6293。
- ^ 「ビデオコーデック設計：画像およびビデオ圧縮システムの開発 | Wiley」。Wiley.com 。 2022年2月11日閲覧。
- ^ 「エンコーディング段階 - 概要 | ScienceDirect Topics」www.sciencedirect.com 。 2022年2月11日閲覧。
外部リンク
- Wayback Machineに 2011-09-30 にアーカイブされた Wyner-Ziv Coding of Video では、Slepian–Wolf 境界に近いパフォーマンスを発揮するビデオ圧縮の別のアルゴリズムについて説明しています(ソース コードへのリンク付き)。
- AMD メディア コーデック - オプションのダウンロード (旧称ATI Avivo )