急速に進化するOTT（Over-the-Top）およびリアルタイムコミュニケーション（RTC）技術の中で、エンコーディングとデコーディングプロセスを徹底的に理解することが重要です。これらのプロセスは、音声および映像アプリケーションにおける効率的なデータ伝送と保存の基盤を形成しています。このブログ投稿では、エンコーディングとデコーディングの概念を探求し、特に音声にはAAC、映像にはH.264という二つの広く使用されているフォーマットに焦点を当てます。
エンコーディングとデコーディングの本質
エンコーディングは、情報を特定のルールに従って異なるデータ形式に変換するプロセスであり、デコーディングはその逆のプロセスです。音声映像技術におけるエンコーディングの主な目的はデータ圧縮であり、これは効率的な伝送と保存に不可欠です。
エンコーディングの重要性を示すために、次の例を考えてみましょう：
RGBAカラーフォーマットを使用した25fpsの720×1280の未圧縮ビデオを想像してみてください。このビデオの各秒は、処理なしで次のようになります：
720 × 1280 × 25 × 2 バイト ≈ 44 Mbytes
これは352 Mbpsのビットレートに相当します。このような高データ量は、未圧縮の場合、ネットワーク伝送に大きな負担をかけるでしょう。
コーデック：音声映像処理の労働者
音声映像技術において、エンコーディングとデコーディングに使用されるツールはコーデック（コーダー・デコーダー）と呼ばれています。これらは主にビデオコーデックとオーディオコーデックに分かれています。
コーデックは、WinRARや7-Zipのような圧縮ツールに例えることができますが、音声映像データに特化しています。主な違いは以下の通りです：
- 専門性：音声映像コーデックはマルチメディアデータのために特別に設計されています。
- 効率性：通常、100:1以上の圧縮比を達成します。
- 品質保持：高圧縮にもかかわらず、人間の知覚には元のものとほとんど見分けがつかない視覚および聴覚の品質を維持します。
AAC：高度な音声コーディング
AACは1997年に設立された高圧縮音声エンコーディングアルゴリズムです。これはMPEG-2音声コーディング技術に基づいており、2000年にMPEG-4標準に統合されました。
AACの主な特徴：
- 高圧縮比：AACはAC3やMP3などのフォーマットに比べて優れた圧縮を提供します。
- 品質：高圧縮にもかかわらずCD品質の音を維持できます。
- バリエーション：AACには、AAC LC、AAC HE、およびAAC HEv2など、さまざまなニーズに応じたいくつかのバリエーションがあります。
AACの種類：
AACはさらに2つのタイプに分類できます：
ADIF（Audio Data Interchange Format）：
- 主にローカルファイルストレージに使用されます。
- デコーディングは指定されたヘッダーから開始する必要があります。
ADTS（Audio Data Transport Stream）：
- インターネットアプリケーションで一般的に使用されます。
- オーディオストリームの任意のポイントからデコーディングを開始できます。
- ADTSヘッダーのビットストリーム内での容易な識別のための同期ワードを含みます。
ADTSオーディオストリームの構造は次のようになります：
... ADTSヘッダー | AAC ES | ADTSヘッダー | AAC ES ...
ここで：
- ADTSヘッダーは、ストリーム識別子、ビットレート、サンプルレート、チャンネル数、バッファサイズなど、デコーディングに必要な情報を含みます。
- AAC ES（Elementary Stream）は、実際のエンコードされた音声データを含みます。
AACの構造や実装の詳細については、この包括的な文書を参照してください。
H.264：高度なビデオコーディング
H.264、またはAVC（Advanced Video Coding）は、その優れた圧縮能力により業界標準となった高性能のビデオコーデックです。
H.264の主な特徴：
- 高圧縮比：H.264は、従来のMPEG-2やMPEG-4に比べてはるかに高い圧縮比を提供します。
- 効率性：同じ画質で、H.264の圧縮比はMPEG-2の2倍以上、MPEG-4の1.5〜2倍です。
- サイズ削減：平均して、H.264ファイルは同等のMPEG-4ファイルの約61％、MPEG-2ファイルの約36％のサイズです。
H.264のフレームタイプ：
H.264は、3種類のフレームを定義しています：
Iフレーム（Intra-coded frames）：
- 完全にエンコードされた画像。
- 他のフレームに依存せずデコード可能です。
Pフレーム（Predictive frames）：
- 前のIフレームまたはPフレームとの差分に基づいてエンコードされます。
- Iフレームよりも小さいです。
Bフレーム（Bi-predictive frames）：
- 前後のフレームの両方との差分に基づいてエンコードされます。
- 通常、最も小さいサイズです。
グループオブピクチャー（GoP）：
グループオブピクチャー（GoP）は、1つのIフレームから次のIフレームまでのシーケンスです。GoP内のすべてのフレームは、デコードのためにIフレームに依存します。Iフレームが失われると、全体のGoPがデコード不可能になります。
H.264の構造：
H.264は2つのレイヤーで構成されています：
ビデオコーディングレイヤー（VCL）：
- 圧縮されたビデオデータを含みます。
ネットワーク抽象化レイヤー（NAL）：
- 伝送または保存のためにビデオデータをパッケージ化します。
- VCLデータは、伝送または保存の前にNALユニット（NALU）にカプセル化されます。
NALユニット（NALU）の基本構造は次の通りです：
... NALUヘッダー | RBSP | NALUヘッダー | RBSP ...
ここで：
- NALUヘッダーは、RBSP内のデータのタイプに関する情報を含みます。
- RBSP（Raw Byte Sequence Payload）は、実際のビデオデータを含みます。
H.264/AVCのエンコーディングプロセス、フレームタイプ、構造についての詳細な説明については、この詳細な文書を参照してください。
結論
エンコーディングとデコーディングプロセスを理解することは、OTTおよびRTC技術に関わるすべての人にとって重要です。AACとH.264は、それぞれ音声および映像のための現在最も広くサポートされているフォーマットであり、優れた圧縮比を提供しながら高品質を維持しています。
音声映像技術の分野が進化し続ける中、新しいコーデックや標準が常に開発されています。例えば、H.265（HEVC）はH.264よりもさらに優れた圧縮を提供し、AV1は特許料のかからない代替として台頭しています。音声側では、Opusのようなフォーマットがその柔軟性と効率性により人気を集めています。
最新のコーデック技術を把握することは、OTTおよびRTCアプリケーションに取り組む開発者やエンジニアにとって不可欠です。これらの高度なエンコーディングおよびデコーディング技術を活用することで、デジタルメディアの伝送と保存の限界を押し広げ、世界中のユーザーにより没入感のある高品質な音声映像体験を提供することができます。