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ビデオ圧縮形式とは。MJPEGなど3形式を基礎から紹介

産業用カメラとして求められる要件の一つに、「得られる画像の正確性」があります。
動画の圧縮方式は撮影データの確認時にも関わります。撮影したいデータの正確性に応じて最適な圧縮形式を選択することで、コストバランスの良いカメラを選択できます。

今回は動画圧縮方式(ビデオ圧縮形式)のその特性や利点について、動画フォーマットについて知識が無い方でもわかりやすいように解説いたします。

動画と圧縮の基本

当ページでは「動画の圧縮形式」について見ていきますが、そもそも何故「圧縮」が必要なのでしょうか?
そして「動画の圧縮」と言いますが「圧縮するとはどういうことか」様々な疑問が湧いてきます。

このように「動画の圧縮」を知る上で、大事なポイントについて見ていきたいと思います。

そもそも圧縮って?

まずは「圧縮」について見ていきます。

「データの圧縮」と言うと、何となく「データ量を小さくすること」というイメージがあると思いますが、実際には「可逆圧縮」と「非可逆圧縮」があります。

可逆圧縮は、データの情報量を保持しつつ、元のデータ量より減らします。
「可逆」と言う通り「圧縮前」に戻せる方法です。つまり圧縮データの完全な復元が可能な方法が、可逆圧縮になります。

一方、非可逆圧縮ではデータを圧縮したら、圧縮前の状態に完全に戻すことはできません。

つまり圧縮前に戻せる方法が「可逆圧縮」であり、圧縮前に戻せない方法が「非可逆圧縮」です。
このように圧縮データは「圧縮前のデータへの復元が可能かどうか」で可逆圧縮と非可逆圧縮に分類されます。

そして動画データの圧縮方式は、ほとんどはこの「非可逆圧縮」に分類されます。

何故「圧縮」が必要?

それは「動画データ」が「連続した画像データの集合」だからです。

動画は「連続した静止画像」

アニメーションはパラパラ漫画のように、複数枚の画像を重ねて動いているように見せていますが、「動画」もこれと同様で画像を積み重ねることで「変化」を表現しています。

このように動画は、連続した静止画像によって構成されています。

画像は一枚だとしても相応のデータ量が必要ですが、これが複数枚になった場合は……と想像してみてください。また「監視カメラ」のように四六時中稼働し、データを保存し続けなければならないようなニーズもあります。
もしも圧縮せずに「そのまま」扱ってしまうと、データ量が大変なことになりますよね。

動画は「静止画像」の連続によって構成されているという仕組み上、データ量が膨大になります。
よって、そのままではデータ量が多く扱いづらい(扱えない)ため「圧縮」が必要になります。

動画の圧縮は「エンコード(encode)」と呼ばれます。
エンコードは「データを符号化すること」ですが、これはデータを一定のルール(圧縮アルゴリズム)に基づいて変換(この場合は圧縮)を指します。

一旦変換したデータを元の状態に戻すことを「デコード(decode)」と呼びます。

必ずしも音声は含まないことに注意

動画というと「音声がセット」と考えがちですが、実際はそうではありません。

確かに通常は、動画と同期された音声が付随していますが、あくまで「動画」は「連続した静止画」ですから、音声データが付属しない場合でも「動画」と呼ぶことができます。

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動画データと関わる用語

ここからは動画データの「圧縮」と関わる用語について解説していきます。

  • フレームレート
  • ビットレート
  • 圧縮率
  • 描画方式(プログレッシブ、インターレース)

これらのワードは「動画の仕様」であったり、圧縮と関わりの深いワードです。

フレームレート

フレームレート(frame rate)は単位時間あたりの静止画の数を表しています。
動画の場合、通常は「1秒間に何コマの静止画像で構成されているか」を指します。単位にはfps(フレーム/秒:frames per second)が用いられます。

フレームレートの解説図

例えば「1秒間に5枚の静止画像」の場合は、5fps。
「1秒間に10枚の静止画像」の場合、10fpsです。

フレームレートは「動きの滑らかさ」を表します。
例えば、フレームレートが小さい場合「カクカクした動画」になります。他方、フレームレートが大きくなればなるほど、滑らかな動きの動画になりますが、その分データ量も膨大になります。

ビットレート

ビットレート(bit rate)は、単位時間あたりのデータ量のことです。
フレームレートは「1秒間の静止画の枚数」でしたが、ビットレートの場合は「1秒間のデータ量」を指します。

フレームレートが高い場合はデータ量も大きくなるため、ビットレートも高くなります。
また「静止画」の解像度が高い場合もデータ量が大きくなります。(HDとフルHDを比較した場合、フルHDの方がデータ量は大きい。)

圧縮率

圧縮後のデータの情報量が、元のデータに比べてどの程度減ったかを示す割合です。

描画方式

描画方式とは、映像信号の走査方式のことです。
「プログレッシブ」と「インターレース」があります。

プログレッシブは一度に走査描画を実行します。他方、インターレースは徐々に鮮明になるように描画する方法です。

主要なビデオ圧縮方式と特徴

ここからは、主要なビデオ圧縮方式である次の3つについて、解説いたします。

  • MPEG
  • H.264
  • Motion JPEG(MJPEG)

MPEG

MPEGは「エムペグ」と読みます。動画や音声を圧縮する規格の一つです。

MPEGの特徴

  • エンコーダーの制御において自由度が高い。
  • 1フレームを鮮明に取り出すことには不向き。

元々は動画符号化の国際標準化機関「Moving Picture Experts Group」の頭文字をとった略称でしたが、その機関にて標準化された符号化方式(圧縮方式)の名前として使われるようになりました。

MPEGでは、フレームごとの差異をブロック単位で処理します。

ここで言う「ブロック」とは、隣接するピクセル群を指します。

動画圧縮では一般に四角い範囲の隣接するピクセル群をグループとして扱い、これをマクロブロックと呼ぶ。このブロックを次のフレームの同じ位置のブロックと比較し、差分のみをデータとして送る。

Wikipedia「データ圧縮」より引用(最終閲覧日:2020/05/21)

フレームとは「1枚1枚の静止画」を指します。

複数枚静止画(フレーム)が続くと「変化する部分」と「変化がない部分」が出てきます。
変化しない部分は「重複している情報」ですので、圧縮することができます。

このようにMPEGでは、フレームごとの変化する部分・しない部分をブロック単位で処理します。

H.264

H.264は「エイチドットにろくよん」と読みます。こちらも動画圧縮の標準方式です。

H.264の特徴

  • 圧縮率が高い。(MPEG-2の2倍以上)
  • ビットレートが低い。

「MPEG-4 AVC」と表記されることもありますが、これはMPEG-4の規格において「MPEG-4 Part 10 Advanced Video Coding」とし標準化されているためです。(MPEG-4 AVCは「エムペグフォーエーブイシー」と読みます。AVCは「Advanced Video Coding」の頭文字をとった略称です。)

Motion JPEG(MJPEG)

Motion JPEGは「モーションジェーペグ」と読みます。「MJPEG」とも表記されます。
名前の通り、動画を構成する静止画(フレーム)は「JPEG画像」です。(正確に言うとフレームをJPEG形式で圧縮しています。)

この1枚1枚のJPEG画像を、パラパラ漫画のように連続させています。
いわば「連続したJPEG画像の集合」が動画データとなっています。

Motion JPEG(MJPEG)の特徴

  • ワンフレームで見ても綺麗。
  • 動画の容量は大きい。

MPEGほど圧縮率は高くありません。
ただし、MPEGは「ブロック単位」で処理すると言う特性上、ビットレートが低い場合に「ブロックノイズ」が発生するという欠点があります。
また動きが激しい(フレームごとの変化が大きい)ケースでは、映像が荒れやすいという特徴があるのですが、Motion JPEGの場合は、動きが激しいケースでも対応できます。

またMotion JPEGには「1フレームを鮮明に取り出すことができる」という、MPEG、H.264にない強力な利点があります。

これについては、次で詳細に解説いたします。

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Motion JPEGと産業用カメラ

これまで3つの圧縮方式をご紹介してきましたが、その中でも、Motion JPEG(MJPEG)が産業用カメラに最適です。

それはMotion JPEGが「1フレームごとに画像を切り出せる」という大きなメリットがあるからです。

Motion JPEGのメリット

  • 1フレームを鮮明に取り出すことができる。
  • エンコード速度が速い。

これまで3つの圧縮方式をご紹介してきましたが、その中でも、Motion JPEG(MJPEG)が産業用カメラに最適です。

それはMotion JPEGが「1フレームごとに画像を切り出せる」という大きなメリットがあるからです。

Optikronなら「超小型」

Optikron(オプティクロン)社のカメラは、動画の圧縮形式としてMotion JPEG(MJPEG)を採用しています。
そのため「コマ送り」で確認したいという「精密さ」を求められる現場でもご活用いただいております。

Optikronのカメラはその大きさに特長があります。

「超小型」。

海外のコインとのサイズ比較画像がこちらです。

超小型カメラサイズ比較画像

小型でありながら、精密さを求められる用途に適合する「Motion JPEGの圧縮方式」を採用しています。

Optikronの超小型カメラ

超小型カメラシリーズ

超小型カメラモジュールは、サイズ別にXS、S、M、Lの4つのシリーズ製品があります。

  • mm単位〜の超小型
  • HD、フルHD「高画質」
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