包括的な研究：組み込みビジョンにおけるMJPEGとH.264圧縮の比較

MJPEGとH.264はどちらもビデオ圧縮フォーマットですが、圧縮を達成するために異なる方法を利用しています。MJPEGはJPEG圧縮を使用して各ビデオフレームを独立して、圧縮しますが、H.264はフレーム間圧縮のような、より高度な技術を使用し、より優れた圧縮効率とビデオ品質をもたらします。

高品質なビジュアルデータ処理の需要が増す中、どの圧縮技術を選定するかは非常に重要です。帯域幅の効率と画像品質のバランスを取ることが、さまざまな業界で最適なパフォーマンスを確保するために欠かせません。MJPEGとH.264の圧縮方法を詳しく解説し、アプリケーションに最適な圧縮方法を見つける手助けをします。

MJPEG圧縮の理解

Motion JPEG（MJPEG）は、ビデオシーケンス内の各フレームを個別に圧縮するビデオ圧縮フォーマットです。各フレームが独立して処理されるため、圧縮された画像の連続となります。このインターフレーム圧縮方式は優れた画質を提供し、鮮明さが重要なアプリケーションに適しています。

MJPEGは、その簡単な圧縮形式のおかげで、処理や編集が迅速に行えるため、今でも広く使われています。また、簡素な圧縮フォーマットのため、一部のアプリケーションでは低遅延で動作するという利点もあります。

MJPEG圧縮の適用例

旧式のシステムの中には、新しい圧縮規格をサポートするためにソフトウェアやハードウェアをアップグレードするのは費用対効果が悪いため、MJPEG圧縮を使用しているものもあります。MJPEGは、リアルタイムのビデオ処理と最小限の遅延を優先するシステムで利用できます。以下はMJPEGの応用例です：

• 医療画像処理: MJPEGは、顕微鏡検査、体外診断（IVD）装置、眼底画像、遠隔患者監視のための医療画像、外科手術用カメラなど、医療分野で重要な役割を果たします。顕微鏡の画像ではフレームごとにエンコードを行い、データ圧縮による画像の忠実度低下を最小限に抑えながら、微細な構造を維持します。

• 監視システム: MJPEGは高品質な画像を保つため、監視カメラに最適です。セキュリティが重要な場面で、各フレームが重要な役割を果たします。

• 放送ソリューション: MJPEGは放送業界で、高精細な映像を伝送するために利用されます。細部まで鮮明に映し出し、要求の厳しい品質基準に応えることができます。

MJPEG圧縮の考慮すべき点

MJPEG圧縮はその汎用性が高い一方で、いくつかの重要な考慮事項があります。MJPEG圧縮方法を選択する前に考慮すべき点は以下の通りです。

• ストレージ容量

MJPEGは、フレームごとに圧縮を行うため、他の圧縮方法と比べてストレージ容量を多く消費する傾向があります。そのため、十分なストレージ容量を確保できるアプリケーションに適しており、画像の詳細を保ちながら、ストレージの効率とのバランスを取ることが重要です。

• 低遅延の要件

MJPEGは、ライブストリーミングやリアルタイム監視など、低遅延が重要な状況に最適です。そのフレームごとのアプローチは、迅速なデータ伝送を保証し、視覚データ処理に最小限の遅延を要求するアプリケーションに好ましい選択となります。

• 帯域幅の活用

MJPEGはフレームごとにデータを圧縮するため、必要な帯域幅が高くなる可能性があります。帯域幅に厳しい制約がある場合、データ伝送速度やネットワーク利用に影響を与えることが考えられます。帯域幅に敏感なシナリオでは、ネットワークリソースを最適化し、スムーズなパフォーマンスを確保することが重要です。

H.264圧縮の理解 – ゴールデンスタンダード

H.264（別名、Advanced Video Coding、AVC）は、広く利用されている動画圧縮の標準規格です。この圧縮方式は、インターフレーム圧縮方法を採用しており、フレーム間の違いを強調することで繰り返しを削減します。このアプローチにより、動画品質とファイルサイズのバランスが取れ、さまざまな用途においてH.264は非常に効率的です。

H.264/H.265コーデックは、組み込み型カメラで使用される動画エンコーディング・デコーディング用のソフトウェアです。H.264ビデオエンコーダーは、圧縮されたH.264ビットストリームを生成するためにいくつかの処理手順を踏みます。

H.264は「ゴールデンフレーム」を使用しており、これは100%忠実な画像です。そして、フレームAからフレームBへの違いを定義するためにブロック指向の圧縮方式を使用します。ブロック指向の圧縮は、ストレージコストの削減に役立ち、データ量を抑えながらも高品質で詳細な動画のストリーミングを可能にします。これは、MJPEGでは実現できない高速な読み込みを提供します。

H.264圧縮の適用例

H.264圧縮は、品質を損なうことなく効率的な動画圧縮を実現するため、さまざまなアプリケーションで重要な役割を果たしています。NetflixやYouTubeの視聴、HD画質の監視ビデオなどで活躍しており、以下のような分野で広く利用されています。

• ビデオストリーミング: H.264は効率的な圧縮により、シームレスなビデオストリーミングを実現します。異なる帯域幅の環境でも高品質なコンテンツ配信を支えています。

• ビデオ会議: H.264は、動画の品質とファイルサイズのバランスを維持する能力に優れており、ビデオ会議プラットフォームに最適です。これにより、スムーズなリアルタイム通信が可能になります。

• 遠隔医療: 遠隔医療においては、視覚的な明瞭さが非常に重要です。H.264は、医療画像やライブビデオのスムーズな伝送を実現し、遠隔での医療サービスの質を向上させます。

• 遠隔監視: H.264は、リアルタイムの視覚データと帯域幅の節約を両立させ、IoT（モノのインターネット）環境などでの効果的な遠隔監視を支援します。さらに、業界標準としてONVIF（Open Network Video Interface Forum）準拠が求められるため、監視カメラの90%はH.264を採用しています。

H.264圧縮の考慮すべき点

H.264圧縮を活用する際には、いくつかの重要な要素を慎重に考慮する必要があります。H.264を選択する際に留意すべき点は以下の通りです。

• 帯域幅の効率活用

H.264は帯域幅の効率が重要な状況で優れた選択肢となります。そのため、ストリーミングサービスやリアルタイムアプリケーションで広く採用されています。インターフレーム圧縮により冗長性を削減し、動画品質を損なうことなく最適なデータ伝送を実現します。

• 処理能力

H.264は効率的な圧縮を提供しますが、インターフレーム圧縮により処理能力が高くなることがあります。組み込みシステム用のハードウェアを選定する際には、H.264エンコードされたコンテンツの処理要件に適合することが重要です。

• 遅延の管理

アプリケーションの遅延要件を評価することが重要です。H.264のインターフレーム圧縮はわずかな遅延を引き起こす可能性があります。リアルタイムで視覚データの処理が重要なライブストリーミングやビデオ会議などのアプリケーションでは、この点を考慮する必要があります。

H.264とMJPEGの比較

MJPEGは、画像を1枚ずつ圧縮する方法です。MJPEGファイルは処理時間が長く、大量のストレージ容量を必要とするため、主にカメラで使用されます。H.264と比べて、MJPEGはストレージを5～20倍多く消費し、長期的なデータ保存にはコストがかかります。また、処理時間もH.264の5～20倍かかるため、低解像度のカメラに限定されることが多いです。

H.264およびH.265に対するMJPEGの注目すべき利点の1つは、低帯域幅の状況でフレームが欠落しても画像の破損やグリッチ効果（不具合）が発生しないため、あらゆるレガシーシステムで動作できることです。

しかし、技術の進歩に伴い、H.264はブロック指向圧縮技術により、貴重なデータを失うことなく多くのスペースを節約できるため、業界標準となっています。カメラの処理能力を画像の動きのある領域に大きく活用することで、MJPEGと比較して高品質で高解像度の映像を記録できます。

ハードウェアアクセラレーテッドデコーダーは、GPUに組み込まれた専用のハードウェアコンポーネントで、圧縮されたビデオデータのデコードを効率的に処理します。MJPEGやH.264など、どちらの圧縮方式であっても、ハードウェアアクセラレーテッドデコーダーはビデオストリームを効率的にデコードし、組み込みシステムのパフォーマンスと応答性を向上させ、リアルタイム処理をシームレスに行えるようにします。

e-con Systemsによる組み込み型ビジョンの革新

e-con Systemsは、 医療やライフサイエンスをはじめとするさまざまな業界向けにOEMカメラの設計、開発、製造を行っており、20年以上の経験を誇る業界の先駆者です。

当社が提供するMJPEGソリューションは以下の通りです。

• RouteCAM_CU20 – Sony Starvis IMX462 フルHD GigEカメラ
• RouteCAM_CU22_IP67 – フルHD Sony Starvis 2 IMX662 低照度GigE HDRカメラ

当社のH.264ソリューションは以下の通りです。

• Hyperyon® – 2MP Sony STARVIS IMX290 超低照度USBカメラ（カラー）
• e-CAM83_USB – 4K Microsoft Teams対応 HDR USB H.264カメラ
• STURDeCAM81_CUOAGX – IP67 4K GMSL2カメラ（NVIDIA Jetson AGX Orin/AGX Xavier向け）
• See3CAM_CU84 – 4K AR0830 USB 3.2 Gen 1カメラ（カラー）

H.264またはMJPEGを製品に組み込みたいとご検討の際は、camerasolutions@e-consystems.comまでご連絡ください。また、当社の組み込みビジョンカメラのページやcamera selectorを利用して、お客様のニーズに合った幅広いビジョンソリューションを検索することもできます。