H.264ビデオエンコーディングとはなんですか？H.264コーデックはどのように機能するのか？

ビデオテクノロジーは、この数十年で急速な進化をしました。以前は、ビデオは多数の静止画を集めて作成されており、デジタル化するために非常に大きなファイルを必要としました。しかし、現在ではビデオエンコーディングにより、これらのファイルを圧縮して占有スペースを減らす技術的な転換が実現しました。また、リアルタイムおよびオンデマンドでインターネットを通じてビデオをストリーミングすることも可能になりました。

最も人気のあるエンコード技術の 1 つは H.264 (AVC またはAVC （高度なビデオコーディング）) であり、ビデオ放送に関する多くの品質問題を解決することができました。本日のブログでは、H.264 ビデオエンコーディングとは何か、どのように機能するのか、そしてその利点について詳しく紹介します。

ビデオエンコーディングとは？

ビデオエンコーディングとは、未加工のビデオファイルをデジタルファイルに変換するプロセスであり、個々の画像として保存されるのではなく、流動的なビデオとして保存されます。言い換えれば、アナログソースをデジタルに圧縮し、変換するプロセスです。通常、ビデオファイルの圧縮にはコーダー/デコーダー（コーデック）が使用されます。

コーデックについて話す前に、まず、組み込みビジョンアプリケーションでなぜビデオエンコーディングが必要なのかを見てみましょう。

組み込みビジョンアプリケーションにおけるビデオエンコーディングの重要性

初期の頃、ビデオファイルはすべて未加工の形式で、つまり静止画の集合体でした。30 fps(フレーム毎秒）で録画されたビデオの場合、毎秒30枚の写真を使用する必要があります。したがって、1分間で1800枚の画像が使用されるため、巨大なビデオファイルサイズになります。この問題を解決する唯一の方法は、ビデオを圧縮することですが、その過程で品質が失われることになります。後に、エンジニアたちは品質を損なうことなくこれらのファイルを圧縮するためのビデオエンコーディング技術を開発しました。

ビデオエンコーディングの一般的な目的には以下のようなものがあります。

• ファイルサイズの削減
• ストリーミングビデオのバッファリングの軽減
• ビデオの解像度やアスペクト比の変更
• 音声フォーマットや品質の変更
• 古いファイルを最新の形式に変換する
• ビデオをコンピューター、タブレット、スマートフォン、スマートテレビなどの特定のデバイスと互換性のある物にする.

コーデックとは何ですか?

コーデックは、デジタル データ ストリームまたは信号をエンコードまたはデコードするソフトウェアまたはビデオ エンコーダーです。生のビデオ ファイルとオーディオ ファイルをアナログ形式とデジタル形式の間で圧縮し、サイズを小さくします。コーデックのブロック図を以下に示します。

図1: コーデックのブロック図

(（出典 – Brid.TV)

コーデックは次の2つのコンポーネントで構成されます。

• エンコーダー – 圧縮を処理
• デコーダー – ファイルを解凍し、表示できるように準備します。

次のような何百もの異なるコーデックがあります。

• 264/AVC
• 265/HEVC
• AV1
• VP9
• 266/VVC

これらのコーデックのうち、組み込みカメラでは H.264/AVC コーデックと H.265/HEVC コーデックがよく使用されます。この記事は H.264 に限定されているため、次のセクションで詳細を見ていきましょう。

H.264/AVC とは何ですか?

H.264は、Advanced Video Coding (AVC) または MPEG-4 Part 10とも呼ばれます。これは、国際電気通信連合（ITU）によってH.264として、国際標準化機構（ISO）および国際電気技術委員会（IEC）映像専門家グループによってMPEG-4 Part 10、Advanced Video Coding（AVC）として共同開発された動画圧縮技術です。

現在、H.264 コーデックはビデオ ストリーミングで最も一般的に使用されています。このコーデックは、ビデオ圧縮の業界標準であり、クリエイターがオンライン ビデオを録画、圧縮、配信するのに役立ちます。以前の標準と比較して、低いビットレートで優れたビデオ品質を実現します。そのため、ケーブル TV 放送や Blu-ray ディスクで広く使用されています。

H.264は、ビデオコーデックとして、QuickTime（.MOV）、Flash（.F4V）、携帯電話用3GP（.3GP）、およびMPEGトランスポートストリーム（.ts）と同様に、.MP4拡張子を使用するMPEG-4コンテナ形式で頻繁に生成されます。時には、H.264ビデオは、ISO/IEC標準（MPEG4 Part 3）であるAdvanced Audio Coding（AAC）コーデックで圧縮された音声と共にエンコードされることもあります。

H.264/AVC はどのように機能しますか?

H.264 ビデオ エンコーダーは、予測、変換、エンコードの各プロセスを実行して、圧縮された H.264 ビットストリームを生成します。ビデオ コンテンツのフレームを処理するために、動きの競合を伴うブロック指向の標準を使用します。出力は、最大 16×16 ピクセルのブロック サイズで構成されるマクロブロックになります。

ここで、H.264 ビデオ デコーダは、デコード、逆変換、再構築などの補完的なプロセスを実行して、デコードされたビデオ シーケンスを生成します。圧縮された H.264 ビット ストリームを受信し、各構文要素をデコードして、量子化された変換係数、予測情報などの情報を抽出します。さらに、この情報は、コーディング プロセスを逆にして、ビデオ画像のシーケンスを再作成するために使用されます。H.264 ビデオのコーディングとデコードのプロセスを以下に示します。

図2: H.264のプロセス図

((出典 – Vcodex)

H.264の利点

• 帯域幅の使用量が少なく、高解像度のモニタリングが可能 – MPEG-2 などの従来のビデオ規格よりも帯域幅要件が低く、遅延も少ない、フルモーション ビデオの高品質な伝送を実現します。H.264 は、高品質の画像を提供し、帯域幅の使用を最小限に抑える効率的なコーデックを使用します。
• 他の形式よりも低いH.264のビットレート – H.264はMotion JPEGビデオに比べて80%低いビットレートを実現しています。MPEG-2と比較すると、ビットレートの節約は50%以上と推定されています。例えば、H.264は同じ圧縮ビットレートでより良い画像品質を提供することができます。また、低いビットレートでも同じ画像品質を維持します。
• ビデオ ストレージの需要の削減 – IP経由での簡単なビデオ伝送を可能にするために不可欠な他の標準と比較して、デジタルビデオファイルコンテンツのサイズを50%削減し、ビデオの保存に使用するストレージを削減します。
• 驚異的なビデオ品質 – 他のビデオ形式の半分のサイズである 1/4 のデータ レートで、鮮明で高品質のビデオ コンテンツを配信します。
• より効率的 – MPEG-2 コーデックに比べて 2 倍の効率があり、ファイル サイズは 3 分の 1となり、この圧縮形式はより効率的です。このコーデックにより、ビデオ内容の伝送帯域幅が低くなります。
• スローモーション ビデオ内容に適しています – メガピクセル カメラを使用する低モーション ビデオ コーデックに非常に効率的です。

e-con Systemsが開発したH.264カメラ

20年以上の経験を持つ大手 OEM カメラ ソリューション プロバイダーである e-con Systems は、幅広い H.264 カメラを提供しています。

• Hyperyon – 2MP Sony STARVIS IMX290超低照度USBカメラ
• e-CAM83_USB – Sony IMX317ベースの8MP HDRカメラ

H.264カメラの製品への組み込みにご興味をお持ちの方は、camerasolutions@e-consystems.com。また、USB、MIPI、GMSLカメラの完全なポートフォリオをご覧になるには、カメラセレクターをご覧ください。