総合的な考察：組み込みビジョンにおけるH.264とH.265の圧縮技術

組み込みビジョンシステムでは、帯域幅、ストレージ、電力を削減するためにビデオ圧縮が必要です。代表的な圧縮規格としてH.264とH.265があります。H.264は十分な効率と広い互換性を提供し、H.265はその後継規格として、ほぼ倍の圧縮率を実現し、同等の画質を保ちます。

適切な圧縮規格の選定は、コスト効率の良い最適化された組み込みビジョンアプリケーションを構築するために不可欠です。H.264が現在の業界標準として広く使用されており、H.265は今後の標準として注目されています。どちらがあなたのアプリケーションに最適なのかを考えることが重要です。

H.264の概要

H.264規格は、2003年にMPEG-4 Part 10（またはAVC：Advanced Video Coding）として発表されました。これは、広く使用されているビデオ圧縮技術の一つです。この規格は、ビデオコーディング専門家グループ（VCEG）と動画像専門家グループ（MPEG）が共同で開発しました。H.264コーデックは、さまざまなストリーミングソースで使用され、前世代の技術と比べてビットレートを大幅に削減します。

H.264は、従来の規格よりも高い圧縮効率を実現するために、より複雑なエンコードアルゴリズムを使用しています。主な技術には以下のものがあります：

• フレーム内予測（Intra-frame prediction）
• フレーム間予測（Inter-frame prediction）
• 動き補償のための複数のブロックサイズ
• コンテキスト適応型二進算術符号化（CABAC）などの効率的なエントロピー符号化法

H.264では、インタープレディクション（フレーム間予測）や空間内予測などの高度なアルゴリズムを使用しており、マクロブロックは16×16ピクセルのサンプルで構成され、これをサブマクロブロックに分割することができます。

エンコーダは、計算の複雑さ、圧縮率、視覚品質のトレードオフを行うことができます。その結果、H.264はMPEG-2やH.262と比べて30～50％低いビットレートで高画質なビデオを提供します。

H.264の利点

H.264には以下のような利点があります：

• 低ビットレートで優れた画質

H.264は、従来の規格と比較して、特に低ビットレートでも画質が向上しています。高度なエンコーディング技術により、帯域幅とストレージを30〜50％削減しながら、視覚的な品質を維持します。これにより、限られたスペースや伝送環境でも優れたパフォーマンスを発揮します。

• 効率的でコンパクト

H.264で導入された新しい圧縮アルゴリズムは、驚くべき効率性を示します。低ビットレートでありながら、H.264のビデオファイルは、よりスペース効率が良く、視覚的な異常も少ないため、リソースが限られた組み込みプラットフォームでも最適な利用が可能です。

• 低遅延ビデオ

H.264は、エンコードおよびデコード時の遅延が少なく、迅速な応答時間を提供します。これにより、リアルタイムビデオアプリケーションに適しており、スムーズなストリーミングやインタラクティブな操作が求められるシナリオでも優れた性能を発揮します。

• 高解像度監視

H.264は、最大4K解像度まで対応しており、高解像度の監視に対応できます。H.264アクセラレーションを内蔵した組み込みデバイスで高品質なビデオ監視が可能です。

H.264の欠点

H.264には以下のような欠点もあります：

• より多くの処理能力が必要

H.264の高い効率性は、処理能力の増加を必要とします。高度なエントロピー符号化やフレーム間予測などの技術は、エンコードおよびデコード時に追加の処理コストを伴います。そのため、高解像度のH.264ビデオを処理するには、強力なハードウェアアクセラレーションが必要であり、十分な処理能力を持たないデバイスでは、処理が不十分になる可能性があります。

• 複雑な設定

H.264には多数の調整可能なパラメータがあり、その柔軟性が利点である一方、設定が複雑になる原因ともなります。適切な設定を行うには、スピードやストレージ容量などのトレードオフをバランスよく調整するための深い分析と調整の専門知識が必要です。この調整作業は、複数のストリームを扱うビデオアプリケーションではさらに複雑になります。

H.265の概要

H.265（High-Efficiency Video Coding、HEVC）は、H.264の次世代のビデオエンコーディング規格です。H.265は、ビデオコーディングに関する共同開発チーム（JCT-VC）によって策定され、2013年に登場しました。このチームは、H.264を開発したのと同じ標準化団体の専門家で構成されています。

H.265は、ビデオ圧縮技術を進化させることを目的としており、H.264と比べてエンコーディング効率を大幅に向上させています。これを実現するために、いくつかの重要な改善が加えられています：

• 改善された予測性能を持つ、可変ブロック分割の多種類ツリーコーディング構造
• 高精度な動きベクトル予測（四分の一ピクセル単位まで）
• 符号の確率分布を解析する、コンテキスト適応型エントロピー符号化
• 最大14ビットの高ビット長および4:0:0クロマサブサンプリングのサポート

H.265は、画像処理において「コーディングツリー単位（CTU）」を使用し、64×64から4×4までのブロックサイズをフルレンジで活用することで、効率的な圧縮を実現しています。これにより、H.264と比べて同等のビデオ品質で、ストレージや帯域幅の要件を約50%削減します。

H.265の利点

H.265規格の利点は以下の通りです：

• より効率的な圧縮

H.264のアルゴリズムをベースに、H.265は圧縮効率を大幅に向上させています。同等のビデオ品質を維持しながら、ビットレートを50％低減することで、ファイルサイズとストレージ要件が約半分に削減されます。これは、容量が限られた環境や最小解像度での使用において非常に重要です。

• 高解像度および高フレームレートのサポート

H.265は、H.264が最大4K解像度と60FPSに制限されているのに対し、次世代のビデオ仕様に対応でき、8Kビデオで300FPSの処理が可能です。高度な圧縮技術により、ピクセル数やフレーム数が増加しても、品質が損なわれることはありません。

• モーショントラッキングの改善とエラーの低減

H.265では、より複雑なセグメントや変換、および改善された動き予測により、低ビットレートでもビデオ品質が向上します。これにより、動きのあるオブジェクト周りで発生する圧縮アーティファクトが減少し、H.264と比べて画像のぼやけが少なくなります。

H.265の欠点

H.265には以下のような欠点があります：

• より複雑なコーデック

H.265は、圧縮効率を向上させるために複雑なアルゴリズムを使用しており、そのためデコード処理はH.264に比べて計算量が大幅に増加します。高解像度のH.265ビデオ再生は、専用のハードウェアアクセラレーションなしでは、マルチコアCPUでも処理に影響を与える可能性があります。そのため、電力制限のある組み込みデバイスでの導入は難しくなります。

• 互換性の問題

多くの最新のプラットフォームやブラウザーはH.265をサポートしていますが、古いソフトウェアやハードウェアが新しい規格に対応していない場合、後方互換性の問題が依然として存在します。シームレスなエンドツーエンドのワークフローを実現するには、クライアントデバイスの対応状況を慎重に監視する必要があります。

Comparison of H.264 vs. H.265

マトリックス	H.264	H.265
圧縮効率	標準的（旧規格より30～50％改善）	H.264より約50％効率が良い
帯域幅利用	より高いビットレートが必要	より低いビットレートで、約50％の帯域幅で済む
ストレージ必要量	大きなビデオファイルサイズ	約50％小さなビデオファイル
最大対応解像度	最大4K、60fps	最大8K、300fps
色深度サポート	最大8ビット	最大14ビット
ハードウェアのコスト	アクセラレーションチップが広く利用可能	現在はサポートが少ないが、今後増加予定
ハードウェア要件	適度な処理能力	より高い処理能力が必要
消費電力	低い消費電力でエンコード/デコード	高いCPU利用が電力予算に影響を与える
組み込み型ビジョンの適性	低～中解像度のアプリケーションに適している	高解像度の組み込み型ビジョン用途により適している
互換性	多くのプラットフォームで広くサポート	レガシーシステムとの後方互換性に問題がある場合がある

H.264と H.265の比較

H.265は、H.264と比較して圧縮効率の面で優れたパフォーマンスを発揮し、同等の画質を維持しながらビットレートを50％低減することができます。一方で、H.264は、従来のデバイスとの互換性において優れたサポートを提供するという利点があります。組み込みビジョンアプリケーションで電力消費やハードウェアコストが制限されている場合でも、高解像度や高フレームレートが必要な場合は、H.265が推奨されます。しかし、デバイスの互換性が最優先される場合は、H.264の方が適しているかもしれません。

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組み込みビジョンプラットフォームでのビデオ圧縮規格を選定する際は、帯域幅、解像度、互換性、電力、ハードウェアの能力など、アプリケーションの具体的な要件を考慮する必要があります。

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H.264規格対応のカメラソリューション

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• Hyperyon® – 2MP Sony STARVIS IMX290 超低光量 USBカメラ（カラー）
• STURDeCAM81_CUOAGX – NVIDIA® Jetson AGX Orin™/ AGX Xavier™用IP67 4K GMSL2カメラ
• See3CAM_CU84 – 4K AR0830 USB 3.2 Gen 1カメラ（カラー）

H.265規格対応のカメラソリューション

• RouteCAM_CU20 – Sony® Starvis™ IMX462 フルHD GigEカメラ
• RouteCAM_CU22_IP67 – フルHD Sony Starvis 2 IMX662 低光量 GigE HDRカメラ

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