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Q＆Aで学ぶH.264/AVC（7）：圧縮情報をどう復号するか？

水, 2008-03-19 10:13

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大久保榮　早稲田大学国際情報通信研究センター　客員教授

このコーナーでは、最新のICT（情報通信技術）のキーワードをQ&A形式でわかりやすく解説していきます。
ブロードバンド時代の急速な進展を背景に、通信と放送の融合が注目され、本格的な画像コミュニケーション時代が到来しています。このような時代の要請に対応して、新しい「H.264/AVC」という画像圧縮技術が標準化され、国際的な注目を集めています。今回は、圧縮された情報の復号化について解説します。

Q7：圧縮情報をどう復号するか？

アナログの入力画像はどのように圧縮され、相手に伝えられて復元（復号）されるのでしょうか。その仕組みをわかりやすく説明してください。

≪1≫デジタル化した画像を圧縮する

図1-8は、実際に富士山の麓（ふもと）を走る新幹線の風景を、標準テレビ用のビデオ・カメラで撮影し、撮影したアナログ画像を124Mbpsの非圧縮PCM（先のQ.4のA.4で解説している）に変換し、MPEG-2の符号器（エンコーダ）に入力しています。次に、MPEG-2の符号器によって124Mbps（入力テレビ画像）は30分の1の4Mbpsに圧縮され、ブロードバンド回線で送信し、受信側でMPEG-2の復号器で元の画像に復号し、標準テレビで楽しむプロセスを概略的に説明しています。

図1-8　標準テレビ画像をMPEG-2で圧縮し送信する仕組み（クリックで拡大）

このプロセスを図1-9で、もう少し詳しくみて見ましょう。図1-9に示すように、被写体が発する光を捉えたテレビ・カメラからのアナログ情報は、A/D変換器（Analog to Digital Converter、アナログ/デジタル変換器）でデジタル化されます（非圧縮のPCM方式でデジタル化）。このA/D変換器は、以前は独立した装置だったこともありますが、現在ではLSI化され、多くは符号化装置（エンコーダ）の一部として実装されています。

図1-9　被写体を撮影し符号化/複合して相手に送信する仕組み（クリックで拡大）

アナログ信号を標本化によってデジタル信号に変換（非圧縮PCM）した後は、個々の標本が「画素」（英語で「ピクセル：Pixel」という）となり、それは数値（例：4ビットの場合は「0010」）で表されますので、いろいろなデジタル処理が可能になります。

また、画素のままで画像を表現するよりも、後述するDCTによって等価な周波数成分に変換（これをDCT係数と言う）して表現することによって、画像の圧縮を容易にできるようになります。

次に、この周波数成分（DCT係数）を例えば、後述する可変長符号化（エントロピー符号化。後述のQ.11参照）し圧縮することもできますが、H.264/AVCを含めて、現代の画像圧縮符号化は後述する「動き補償フレーム（画面）間予測」と「DCT」に「エントロピー符号化」を組み合わせた「ハイブリッド符号化」によって圧縮します。

動き補償フレーム間予測とは、時間軸方向に流れるフレーム（画面）間で、前画面（フレーム）をメモリ（フレーム・メモリ）に記録しておき、被写体の動きを考慮した予測画面と原画面の差分（すなわち予測誤差）のみを相手に送ることによって、前画面と同じ冗長な情報部分（例えば変化のない「山」の部分）を削減し、（「山」のように変化のない同じ画像部分は送らないで）圧縮する方法です。

※この「Q&Aで学ぶ基礎技術：最新の情報圧縮技術〔H.264/AVC〕編」は、著者の承諾を得て、好評発売中の「改訂版　H.264/AVC教科書」の第1章に最新情報を加えて一部修正し、転載したものです。ご了承ください。