H.264/AVCとは？動画圧縮の基礎から最新動向まで徹底解説
動画は私たちの生活において、コミュニケーション、エンターテイメント、情報収集など、あらゆる場面で不可欠な存在となっています。しかし、動画ファイルは非常に大きな容量を持つため、効率的な圧縮技術がなければ、スムーズな配信や保存は困難です。そこで登場するのが、動画圧縮技術の代表格であるH.264/AVCです。
本記事では、H.264/AVCについて、動画圧縮の基礎から、その仕組み、利点・欠点、そして最新の動向まで、徹底的に解説します。
1. 動画圧縮の基礎：なぜ動画は圧縮する必要があるのか？
動画を圧縮する理由を理解するために、まず動画がどのように構成されているのかを見てみましょう。動画は、静止画である「フレーム」が連続して表示されることで構成されています。これらのフレームは、さらに色の情報を保持するピクセルと呼ばれる小さな点の集まりで構成されています。
例えば、フルHD（1920 x 1080）の解像度の動画であれば、1つのフレームに約200万個のピクセルが存在します。各ピクセルが赤、緑、青（RGB）の3つの色の情報を持ち、それぞれ8ビット（1バイト）で表現される場合、1つのフレームのデータ量は約6MBになります。
1秒間に30フレームを表示する動画の場合、1秒あたりのデータ量は約180MBとなり、5分間の動画であれば約54GBものデータ量になります。これでは、動画の保存や配信に膨大なコストがかかり、現実的ではありません。
そこで、動画圧縮技術が必要になります。動画圧縮技術は、動画データに含まれる冗長性を取り除くことで、ファイルサイズを小さくします。冗長性には、主に以下の2種類があります。
- 空間的冗長性（Spatial Redundancy）： フレーム内の隣接するピクセル同士が、似たような色情報を持っている場合に発生します。例えば、青空のシーンでは、多くのピクセルが似たような青色を示します。
- 時間的冗長性（Temporal Redundancy）： 時間的に連続するフレーム同士が、似たような内容を持っている場合に発生します。例えば、背景が静止している人物の会話シーンでは、背景のピクセル情報はほとんど変化しません。
動画圧縮技術は、これらの冗長性を効率的に取り除くことで、データ量を大幅に削減します。
2. H.264/AVCとは？その概要と歴史
H.264/AVC（Advanced Video Coding）は、ITU-T（国際電気通信連合電気通信標準化部門）とISO/IEC（国際標準化機構/国際電気標準会議）が共同で開発した動画圧縮規格です。ITU-TではH.264として、ISO/IECではMPEG-4 Part 10 AVCとして標準化されています。
H.264/AVCは、2003年に最初のバージョンがリリースされて以来、その高い圧縮効率と幅広い互換性から、動画配信、放送、ビデオ会議、デジタルカメラなど、様々な分野で広く利用されています。
H.264/AVC以前の動画圧縮規格としては、MPEG-2やH.263などがありましたが、H.264/AVCはこれらの規格に比べて、同じ画質を維持しながら、約2倍の圧縮率を実現することができます。これにより、より少ない帯域幅で高画質な動画配信が可能になり、ストレージ容量の節約にも貢献します。
3. H.264/AVCの仕組み：動画をどのように圧縮するのか？
H.264/AVCは、以下の主要な技術を組み合わせて動画を圧縮します。
- イントラ予測（Intra Prediction）： フレーム内の空間的冗長性を利用して圧縮する技術です。フレームを小さなブロックに分割し、周囲のブロックのピクセル情報から、現在のブロックのピクセル情報を予測します。予測が成功した場合、予測値との差分（残差）のみを符号化することで、データ量を削減します。
- インター予測（Inter Prediction）： 時間的冗長性を利用して圧縮する技術です。連続するフレーム間の動きを予測し、動きベクトルを計算します。動きベクトルは、あるフレーム内のブロックが、次のフレームのどの位置に移動したかを示す情報です。動きベクトルと残差情報を符号化することで、データ量を削減します。
- 変換（Transform）： 空間領域のピクセル情報を周波数領域の情報に変換する技術です。これにより、エネルギーを特定の周波数成分に集中させることができ、後の量子化処理で、重要度の低い周波数成分を削除しやすくなります。H.264/AVCでは、主に離散コサイン変換（DCT）が用いられます。
- 量子化（Quantization）： 周波数領域の情報を粗く表現する技術です。これにより、情報の一部が失われますが、データ量を大幅に削減することができます。量子化の度合いを調整することで、画質と圧縮率のバランスを調整することができます。
- エントロピー符号化（Entropy Coding）： 符号化された情報を、より効率的に表現する技術です。H.264/AVCでは、主に可変長符号化（VLC）と算術符号化（CABAC）が用いられます。CABACは、VLCよりもさらに高い圧縮率を実現することができますが、計算コストが高くなります。
- ループフィルタ（Loop Filter）： 量子化による画質の劣化を軽減する技術です。デブロックフィルタとサンプル適応オフセット（SAO）が用いられます。デブロックフィルタは、ブロック境界に発生するブロックノイズを軽減し、SAOは、オリジナル画像との差分を補正することで、画質を改善します。
これらの技術を組み合わせることで、H.264/AVCは、高い圧縮効率と良好な画質を実現しています。
4. H.264/AVCのプロファイルとレベル：様々な用途に対応するために
H.264/AVCには、様々な用途に対応するために、複数のプロファイルとレベルが定義されています。
- プロファイル（Profile）： 使用する符号化ツールの組み合わせを定義します。例えば、ベースラインプロファイルは、イントラ予測とインター予測のみを使用し、CABACなどの高度な符号化ツールを使用しません。ハイプロファイルは、すべての符号化ツールを使用することができます。
- レベル（Level）： デコーダが処理できる最大解像度、フレームレート、ビットレートなどを定義します。レベルが高いほど、より高画質な動画を処理することができます。
代表的なプロファイルとレベルは以下の通りです。
- ベースラインプロファイル（Baseline Profile）： 最も基本的なプロファイルで、低スペックなデバイスでも再生可能です。主に、ビデオ会議やモバイルデバイスなどで利用されます。
- メインプロファイル（Main Profile）： ベースラインプロファイルよりも高い圧縮効率を実現できます。主に、標準画質（SD）の動画配信やデジタル放送などで利用されます。
- ハイプロファイル（High Profile）： 最も高度なプロファイルで、最高の画質を実現できます。主に、高画質（HD）の動画配信やBlu-ray Discなどで利用されます。
H.264/AVCを使用する際には、用途に合わせて適切なプロファイルとレベルを選択することが重要です。
5. H.264/AVCのメリットとデメリット：他の規格との比較
H.264/AVCは、他の動画圧縮規格と比較して、以下のメリットとデメリットがあります。
メリット：
- 高い圧縮効率： 他の規格に比べて、同じ画質を維持しながら、より少ないデータ量で動画を圧縮できます。
- 幅広い互換性： 多くのデバイスやソフトウェアでサポートされており、再生環境を選びません。
- 豊富なツールとライブラリ： 開発者向けのツールやライブラリが充実しており、動画処理アプリケーションの開発が容易です。
- 安定した品質： 長年の実績があり、品質が安定しています。
デメリット：
- 計算コスト： 他の規格に比べて、エンコード・デコード処理に必要な計算コストが高くなります。特に、CABACを使用する場合は、さらに計算コストが増加します。
- 特許ライセンス： H.264/AVCを使用するには、特許ライセンスが必要です。
- 後継規格の登場： より高い圧縮効率を実現するH.265/HEVCやAV1などの後継規格が登場しており、今後の主流はこれらの規格に移行していく可能性があります。
他の規格との比較：
| 規格 | 圧縮効率 | 計算コスト | ライセンス | 特徴 |
|---|---|---|---|---|
| MPEG-2 | 低い | 低い | 必要 | DVDなどに使用されている古い規格。 |
| H.263 | 低い | 低い | 必要 | 携帯電話などで使用されていた規格。 |
| H.264/AVC | 高い | 高い | 必要 | 現在最も広く利用されている規格。 |
| H.265/HEVC | 非常に高い | 非常に高い | 必要 | H.264/AVCの後継規格で、さらに高い圧縮効率を実現。 |
| AV1 | 非常に高い | 非常に高い | 不要 | オープンソースの規格で、ロイヤリティフリー。 |
| VP9 | 高い | 高い | 不要 | Googleが開発した規格で、YouTubeなどで利用されている。 |
6. H.264/AVCの最新動向：今後の展望
H.264/AVCは、現在でも広く利用されている動画圧縮規格ですが、H.265/HEVCやAV1などの後継規格の登場により、その地位は徐々に低下していくと考えられます。
H.265/HEVCは、H.264/AVCに比べて約2倍の圧縮効率を実現しており、4Kや8Kなどの高解像度動画の配信に適しています。しかし、特許ライセンスの問題があり、普及が遅れています。
AV1は、ロイヤリティフリーのオープンソース規格であり、高い圧縮効率を実現しています。YouTubeやNetflixなどの大手動画配信サービスが採用しており、今後の普及が期待されています。
H.264/AVCは、当面の間は互換性の高さから利用され続けると考えられますが、徐々にH.265/HEVCやAV1などの規格に移行していくことが予想されます。
7. H.264/AVCに関するよくある質問（FAQ）
Q1. H.264/AVCとH.265/HEVCの違いは何ですか？
A1. H.265/HEVCは、H.264/AVCの後継規格であり、約2倍の圧縮効率を実現しています。これにより、同じ画質を維持しながら、より少ないデータ量で動画を配信できます。
Q2. H.264/AVCは無料で使用できますか？
A2. H.264/AVCを使用するには、特許ライセンスが必要です。ただし、個人的な利用や非営利目的での利用の場合は、ライセンス料が免除される場合があります。
Q3. H.264/AVCのエンコード・デコードには、どのようなソフトウェアが必要ですか？
A3. H.264/AVCのエンコードには、HandBrake、FFmpegなどのソフトウェアが利用できます。デコードには、VLC Media Player、Windows Media Playerなどのソフトウェアが利用できます。
Q4. H.264/AVCのプロファイルは、どのように選択すれば良いですか？
A4. 用途に合わせて適切なプロファイルを選択する必要があります。低スペックなデバイスで再生する場合は、ベースラインプロファイルを選択し、高画質を求める場合は、ハイプロファイルを選択します。
Q5. H.264/AVCのレベルは、どのように選択すれば良いですか？
A5. デコーダが処理できる最大解像度、フレームレート、ビットレートなどを考慮して、適切なレベルを選択する必要があります。レベルが高いほど、より高画質な動画を処理できます。
8. まとめ：H.264/AVCは動画圧縮技術の基礎であり、現在も重要な役割を果たしている
H.264/AVCは、動画圧縮技術の基礎を築き、現在でも広く利用されている重要な規格です。その高い圧縮効率と幅広い互換性から、動画配信、放送、ビデオ会議など、様々な分野で利用されています。
H.265/HEVCやAV1などの後継規格が登場しており、今後の主流はこれらの規格に移行していくと考えられますが、H.264/AVCは、当面の間は互換性の高さから利用され続けるでしょう。
本記事が、H.264/AVCについて理解を深め、今後の動画圧縮技術の動向を把握する上で役立つことを願っています。