JPEG2000 - プロダクションからアーカイブまで、確かな映像品質を実現

デジタルシネマ業界で正式に採用されてからわずか数年後、JPEG 2000は様々な業界の取り組みや規格を通じて放送で推奨されるようになりました。そして: JPEG委員会は、その専用の放送プロファイルの公表を発表することに近づいています。ビデオサービスフォーラムの衝動の下、MPEG-2-TS上でのJPEG 2000トランスポートは、標準化の下にあります。最近、いくつかの製品メーカーが一緒にこのフォーマットの利点を促進するJPEG 2000アライアンスを形成しました。最後に、今日、アーカイブの取り組みの波は、将来の世代のためにオーディオビジュアル遺産を保存するために、非圧縮TIFFを含む他のフォーマットよりもJPEG 2000を好むようになっています。  

この勢いの背景にはそれなりの理由があります。それは、ここ数年で動画圧縮フォーマットの役割が根本的に変化したことです。コンテンツの品質と量の増加に伴い、伝送容量とストレージ容量が増大し続けているため、問題はもはやコンテンツを強力に圧縮する能力ではありません。今日の課題は、ワークフロー全体にわたってコンテンツの品質とアクセスを管理することです。 

MPEG-4 AVC/H.264 のような JPEG 2000よりも優れた圧縮率を提供するフォーマットは、モビリティ、共有ネットワーク、ワイヤレスなど、今後も重要な局面を迎えるであろう厳しい消費者の状況に対応しなければなりません。今日のプロの放送局は、取得から制作、配信、保存に至るまで、信頼性の高い画像/ビデオ品質を確保し、維持するために、本質的な画像の劣化を避けることを望んでいますが、これはまさにJPEG 2000に提供されるものです。  

まず、JPEG 2000はフレーム内圧縮形式、つまり各ビデオフレームが静止画として独立して圧縮されています。これは品質保証を提供しますが、強力な圧縮係数の障壁を作ります。繰り返しになりますが、すべてはフォーマットの期待値に依存します。例えば、圧縮の目的が本質の配信であり、それ以上の編集が期待されない場合、long-GOP MPEGが一般的に好まれるべきです。しかし、目的が制作であるならば、Iのみの圧縮フォーマットが理想的です。 

主に色の非相関を扱う前処理段階の後、ビデオフレームは再帰的な低(L)パスと高(H)パスのウェーブレットフィルタに渡されます(図1を参照)。このプロセスは、離散ウェーブレット変換（DWT）として知られています。これは、画像情報を小さく非常に局所的な領域に集中させることで画像を再構成する、成分内の非相関に対応しています。再帰的DWTはまた、多解像度の画像表現にもつながる。次に、データは量子化され、エントロピー符号化ユニットで符号化されます。量子化と符号化は、定格歪み最適化に従ってコードストリームを整理する前に圧縮を達成します。 

フレーム全体が、ピクセルのブロックに事前に分解されることなく、全体として圧縮されることに基本的な価値があります。低ビットレートでのアーティファクトは、主観的に聞こえるかもしれませんが、DCTベースの符号化方式のよく知られたブロッキング効果よりも、視覚的にはるかに許容可能であると考える人もいます。  

最後に、JPEG 2000コードストリーム出力は、データの適切なパケット化により、色成分、解像度（DWTによる）、品質（rate-distortionの最適化による）、空間領域など、いくつかの次元で本質的にスケーラブルな構造を提供します。

今日の業界の重要な要求は、幅広い配信フォーマットと互換性のある高品質のマスターであり、関連する既存のあらゆるプラットフォームでコンテンツを利用できるようにすることです。これには、インジェスト、トランスコーディング、キャプション、品質管理、オーディオトラック管理がリンクしたプロセスとして含まれます。JPEG 2000は、このような高品質の中間サービスマスターフォーマットに必要なすべての機能を表示します。  

- 品質: 生産工程を通して高品質が保たれています。  

- ビット深度: JPEG 2000 は 10 ビット以上のフォーマットです。  

- ブロッキングアーティファクトはありません。

- スケーラビリティ：これは「複数の目的のために一度に作成する」という約束を持っています。 

- 容易な編集。最高ビットレートでも、その本質的な柔軟性により、フルビットレートのリアルタイムビデオトラックの数が限られている今日のLaptopコンピューターやワークステーションの編集システムで非常に使いやすいです。コンピューティングハードウェアが向上するにつれ、リアルタイムレイヤーの数は増える一方です。  

- イントラフレーム符号化。フレーム間予測のために前の（Ｐ）フレームまたは未来の（Ｂ）フレームを参照する動き補償に基づく圧縮方法とは異なり、イントラフレームJPEG 2000では、任意の場所で映像信号をカットすることができます。  

- 容易なトランスコーディング。ハイエンドのアプリケーションでは、中間バージョンへのトランスコーディングを行うことで、ワークフローが改善される場合があります。JPEG 2000の圧縮アーティファクトを排除できないため、ビットレートがプレミアムな場合には、クリーンなだけでなく、迅速な操作が可能です。正しくトランスコードされた1920x1080 JPEG 2000ファイル（100Mビット/秒）は、多くの視聴者が2048x1556の2Kオリジナルと区別がつかないことがわかっています。さらに、ウェーブレットベースのJPEG 2000圧縮は、最終的なDCTベースの放送フォーマットに干渉しません。

コントリビューションが衛星またはファイバーチャネルを介しているかどうかにかかわらず、HDTVおよび3D-HDTVへの移行を考えると、圧縮は依然として必要とされています。ここでも圧縮の必要性は、高品質への要求につながり、ほとんどのコントリビューシシステムプロバイダはJPEG 2000を統合することになりました。2009年には、MPEG-2-TS上でのJPEG 2000ストリームの柔軟なキャリッジの標準化が開始されました。これは、MPEG-2-TS規格の将来の改訂において、必要なすべての識別子およびフィールド記述子を定義するものです。この作業は、間もなく公開される新規格JPEG 2000ブロードキャストプロファイルに続くものです。ビデオ伝送にJPEG 2000を使用することを支持するその他の主な特徴は以下のとおりです。  

- 非常に低遅延。遅延の低減は、ライブでのテレビへのコントリビューシにとって非常に重要です。動き補償の場合、画像は過去と未来の画像を参照して符号化されますが、その結果、画像の完全なグループ（GOP）のサイズに対する遅延が発生します。JPEG 2000圧縮のイントラフレーム性が遅延を低減します。平均して、JPEG 2000はエンコードまたはデコードのために1.5フレーム未満の遅延を生成します。いくつかの実装では、エンコード／デコードサイクル全体で1フレーム以下の遅延を実現しているものもあります。  

- エンコード/デコード生成を通して一定の品質。JPEG 2000は複数の圧縮ステップを経ても品質を維持し（図2参照）、ピクセルシフトにもロバストです。図2: JPEG 2000は、エンコード/デコードの複数生成後も同レベルの品質を維持しています。 

オーディオ・ビジュアル・アーカイブにJPEG 2000を使用することの3つの技術的な利点は、通常、強調されています。  

- 真のロスレス圧縮: 元の画像情報を正確に復元しながら、ストレージ容量を平均50%削減することができます。  

- スケーラビリティ：プロキシ抽出、効率的なブラウジング、検索、トランスコーディング、ストリーミングを可能にします。 

- オープンスタンダード：JPEG 2000規格は、あらゆる解像度、色深度、コンポーネント数、フレームレートをサポートしています。さらに、非技術的な特徴により、JPEG 2000は長期的なプロジェクトにとってさらに魅力的なものとなっています。 ライセンスやロイヤルティー等 

JPEG 2000 は、マスターフォーマット、コントリビューションフォーマット、アーカイビングフォーマットとして、放送制作ワークフローに理想的な数多くの利点を備えています。主な特長としては、高画質、可逆圧縮、低遅延、伝送エラーへの堅牢性、スケーラビリティ、エンコード・デコード生成を超えた安定した品質などが挙げられます。動き補償に基づいた方法（例：MPEGファミリー）は、コンテンツを最終的に消費者に普及させるための便利なソリューションであり、今後もそうあり続けるでしょう。補完的に、JPEG 2000 は、制作ワークフローの専門的な管理のための必須基準となりつつあります。JPEG 2000 は、あらゆる解像度、色深度、コンポーネント数、フレームレートをサポートしているため、将来のアプリケーションにも対応できます。