4K/8K コーデック

コーデックの基礎知識

初心者にもわかりやすく、コーデックの基礎を知るための記事を書いてみます。

動画のファイル形式（これを「コンテナ」や「多重化」など呼ばれている、映像データや音声データ、付加データ(Ancillary Data)などをまとめて格納するファイル形式）には、MPG、MP4、AVI、WMV、MOV等さまざまな種類が存在します。動画ファイルの拡張子に、「.mp4」や「.mov」と付いているそれです。しかし、このフォーマットだけで見た場合、それぞれに明らかな違いはありません。動画の画質や音質、再生時にかかる負荷、ファイルサイズの違いは「コーデック」というプログラム形式によって生じます。コーデックは電気通信のCompression（コンプレッション：圧縮）／DECompression（デコンプレッション：伸長）を意味するcoder/decoder（コーダ/デコーダ）が語源です。

映像データと音声データからなる録画の動画などは容量が大きいため、圧縮・変換（エンコード＝符号化）しなければなりません。そして再生時には、元のファイルサイズに復元（デコード＝復号）する必要があります。この、圧縮・変換・復元するためのプログラムがコーデックです。コーデックエラーが起こるのは、圧縮したときのコーデックと再生（伸張）するときのコーデックが異なっているからです。たとえば「H.264」というコーデックで圧縮された動画ファイルは、パソコンに同じ「H.264」のコーデックがインストールされていないと、再生することができません。

また、コーデックには、動画を圧縮するビデオ コーデックと、音声を圧縮するオーディオコーデックがあります。ちなみに音声の形式には、WAVE、AIFF、MPEG1 Layer2、MP3、AAC、FLACなどがあります。付加データ(Ancillary Data)は、映像データや音声データと同期した文字情報などを言います。字幕データであったり、エンコーダが搭載された端末の搭載もしくは接続されたセンサーなどで取得した位置情報情報・気候情報・時刻情報などを付加することで、独自の情報を格納できます。

地上デジタル放送・BSデジタル放送では、TSファイルと呼ぶ動画・音声のパケット送信形式を利用しています。これは、 Transport Stream（トランスポートストリーム）ファイルを略した、動画データ・音声データ・字幕データなど付帯情報を記録するためのファイル形式で、放送や通信などリアルタイム配信に向いた形式です。動画圧縮する方式には、MPEG-2やH.264、H.265など、音声圧縮する形式にはAACやMPEG1 Layer2などあり、ブルーレイディスクの記録形式にも利用されています。

デコード（decode）時に使うコーデックは、エンコード（encode）時に使ったコーデックであることが必須です（動画コーデック、音声コーデックともに）。合っていない場合はエラーが出て再生することができません。しかし、動画に入っているコーデックの情報がわからない場合もあります。その時はコーデックチェッカーというソフト（無料などのフリー版もあります）をダウンロードして調べることが可能です。再生に必要なコーデックがわかったら、該当するコーデックをネットでパソコンにダウンロードし、それをインストールすることで一般的な再生プレイヤー（player）であれば再生することができます。また、色々なコーデックがあらかじめ内蔵されている便利な再生プレイヤー（player）もあり、そちらを選択する方法もあります。初心者の場合、このどちらかの方法がおすすめです。

データ圧縮のコーデックには、可逆圧縮を用いるものと非可逆圧縮を用いるものがあります。可逆圧縮は完全に元のデータに復元できる圧縮で、ドキュメントファイルや一部の画像・音声ファイルの圧縮時に使用されます。非可逆圧縮は、完全復元はできない代わりにデータサイズが大きくなりやすい画像や音声、動画に対し、圧縮率（ビットレート）を高めてデータサイズを大幅に小さくすることも可能です。ちなみにコーデックという言葉には、エンコードとデコードを双方向に行うためのアルゴリズムだけでなく、ビデオ カメラで撮影した音声や動画を別の形式に変換する装置や、データ圧縮機能を使ってデータを圧縮・伸長するソフトウェアも含まれます。

コーデックエラーの原因と対処法

Microsoft Windowsの標準形式には、無圧縮（非圧縮）状態のファイル・データがあります。たとえば、音声ならPCM、画像ならBMPなどです。

短い音声や動画、小さいサイズの画像を扱う場合には無圧縮のほうが適していることもありますが、サイズの大きい映像や音声となるとそうはいきません。後者の場合、無圧縮だと大容量のメモリやハードディスクが必要になることがあり、また、トラフィック量の増大にもつながります。こうしたリスクを避けるためには、ファイルを圧縮してサイズを抑えなければなりません。このとき必要になってくるのが、データを圧縮・伸張するためのコーデックです。

Media Player Codec Pack（メディアプレーヤー・コーデックパック）は、Windows Media Playerでファイルを開く際に便利なコーデックパックで、ほとんどのビデオ・オーディオファイルを再生できます。 エンコードし直す必要がある場合もあります。

その他、VLCコーデックパック、CCCPコーデックパック (Combined Community Codec Pack)などのコーデックパックもあります。

データを圧縮・伸長するためのコーデック

Microsoft Windowsの標準形式には、無圧縮（非圧縮）状態のファイル・データがあります。たとえば、音声ならPCM、画像ならBMPなどです。

短い音声や動画、小さいサイズの画像を扱う場合には無圧縮のほうが適していることもありますが、サイズの大きい映像や音声となるとそうはいきません。後者の場合、無圧縮だと大容量のメモリやハードディスクが必要になることがあり、また、トラフィック量の増大にもつながります。こうしたリスクを避けるためには、ファイルを圧縮してサイズを抑えなければなりません。このとき必要になってくるのが、データを圧縮・伸張するためのコーデックです。

動画圧縮のコーデック

可逆の動画圧縮コーデックとしては、デジタルビデオ カメラに使われている「DV CODEC」や、3DCG動画制作などに使用される「AVIzlib」、テレビ番組の高画質記録に使われるマルチスレッド非対応の「Huffyuv」などがあります。

非可逆の動画圧縮コーデックとしては、代表的なものにDVDに用いられる「MPEG-2」が挙げられるほか、アップルの開発した動画編集用の「Apple ProRes」や、カノープスが開発した「Canopus HQ Codec」、RealNetworks社が開発した低レートに強いコーデック「RealVideo」、QuickTime ムービー向けの「Sorenson Video」、Alliance for Open Media（AOMediaもしくはAOM）が開発した「AV1」、ffdshowがサポートする「Snow」、その他「xvd」などがあります。

画像圧縮のコーデック

256色までの可逆圧縮「GIF」や、非可逆圧縮、可逆圧縮が選択できる「JPEG」、最大48bit（各色16bit）フルカラー（約1677万色）までの可逆圧縮「PNG」が挙げられます。非可逆圧縮、可逆圧縮の選択が可能なコーデックとしては、Googleが開発した「WebP」があります。

音声圧縮のコーデック

非圧縮のコーデックとして、音楽CD、DVD-Video/Audio、Blu-ray Discなどで採用されている「LPCM」が、非可逆圧縮のコーデックには、ミニディスク (MD) やSDDSで採用されている「ATRAC」コーデックやドルビーデジタルの「AC-3」が、可逆圧縮のコーデックには、Oggプロジェクトの可逆圧縮で使われる「FLAC」や、iTunesやQuickTimeなどに搭載されている「Apple Lossless」、「TTA」などが挙げられます。その他、可逆圧縮と非可逆圧縮を選択できるコーデックとして、Windows Media Playerに搭載されている「Windows Media Audio（WMA）」や、DTSが開発したDTSの拡張規格で、Blu-ray Discに採用されている「DTS-HD Master Audio」、ハイブリッドモードも備えた「WavPack」などが知られています。

H.264（MPEG-4 AVC）コーデックとは

高画質で圧縮サイズの小さいMPEG-4を上回る高画質で、DivxやXvidと比べてビットレートあたりの画質が非常に優れているという特徴があります。圧縮サイズも小さい規格ですが、再生時の負荷は大きくなります。エンコード・デコードが速いこと、互換性が高いことなどが人気の理由となっていて、現在、高画質動画の主流となっている規格です。一度でも動画を作成したことのある人ならご存知だと思います。

特許を取得したH.264（MPEG-4 AVC）技術を商業的に使用するためには、MPEG LAや他の特許所有者へロイヤリティを支払う必要がある。ただ、MPEG LAは、エンドユーザーが無料で利用できるインターネットビデオのストリーミングにH.264（MPEG-4 AVC）技術を無料で利用することは認めている。

H.264（MPEG-4 AVC）コーデックの詳しい解説はこちら

H.265（HEVC）コーデックとは

H.264 AVC後続の動画圧縮規格の一つで、High Efficiency Video Coding (HEVC) とも呼ばれています。ISO/IECのMPEGとITU-TのVCEGによる共同研究によってJCT-VC (Joint Collaborative Team on Video Coding)として提案されました。ITU-Tは2013年1月25日に承認されています。

H.264と比べて、ブロックサイズの適正化などの圧縮効率が優れており、MPEG 2 比で約4倍、H.264/AVCとの比較でも約2倍の圧縮性能を有しています。

Windows 10 /11標準の「映画＆テレビ」「Windows Media Player」などで H.265（HEVC）動画を再生するには、アプリ「HEVCビデオ拡張機能（HEVC Video Extension）」が必要となります。

H.265（HEVC）コーデックの詳しい解説はこちら

コーデックエラー

コーデックエラーで「動画が表示されない」「音声が聞こえない」といったことはよく聞きます。コーデックエラーの原因は、圧縮したときのコーデックと再生（伸張）するときのコーデックが異なっているためです。動画自体が再生されないのであれば、動画・音声両方のデータ圧縮に使用したコーデックがインストールされていないということになります。残念ながらパソコン（PC）から動画プロパティを開いてもコーデック情報は分からない可能性が高いので、コーデックチェッカーを使用するのがおすすめです。

コーデックの種類は多い

上記で紹介したのは、ごく一部分のコーデックにすぎません。その他にも、1995年に登場し、現在でもデジタルテレビ放送を中心に利用されているMPEG-2、ネット動画をモバイル機器で視聴するために開発されたMPEG-4、MPEG-4をベースにDivX,Inc.が独自開発したDivx、Microsoftが開発したWMV9等、圧縮サイズから画質の良し悪し、再生時の負荷がそれぞれに違うコーデックがたくさんあります。

最近では、今後もっともスタンダードになっていくと予想されている「AOMedia Video 1（通称AV1）」が注目を集めています。AV1は、AppleやIntel、Amazon、Google、Microsoft（マイクロソフト）など最先端の企業が主導でつくったコーデックで、「H.265」や「VP9」を上回る高い圧縮率が特徴です。
コーデックの世界は競争が激しく、日々アップデートしています。現在普及していると思われているコーデックも、すぐに過去のものになっていくでしょう。今は最強と思われているコーデックを簡単に上回る、さらに優れたコーデックがいつ誕生してもおかしくないのです。

コーデック技術の発展は、技術自体の研究によるものでもありますが、一番大きいファクターは、CPU/GPU/DSP/FPGAなどの半導体の発展と、データを処理するために必要なメモリの容量増大と内部処理スピード、データ転送にデータバスのバス幅やクロック数の進化と切っても切れない関係があります。
例えば、H.265やVP9など最新のコーデックは、H.264やVP8と比べて50%以上のプログラムサイズが大きく、処理能力もCPU/GPUの性能や、メモリ容量によって期待している処理ができない場合があります。

コーデック発展のキーとなるファクター

コーデック技術の発展は、技術自体の研究によるものでもありますが、一番大きいファクターは、CPU/GPU/DSP/FPGAなどの半導体の発展と、データを処理するために必要なメモリの容量増大と内部処理スピードのアップ、データ転送にデータバスのバス幅拡大やクロック数アップの進化と言えます。

例えば、H.265やVP9など最新のコーデックは、H.264やVP8と比べて50%以上のプログラムサイズが大きくなり、処理能力もCPU/GPUの性能や、メモリ容量によっては期待している処理ができない場合があります。つまり、処理能力が早くなり、プログラムサイズを大きくすることができることで、新しいコーデック技術を実装し、処理することでより進化したコーデックが実現できるのです。

動画形式（コンテナ）種類と対応コーデック

4K/8K FPGA ボードに関連する技術のご紹介はこちら