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画像のビット・レート

  作成者の意図通りの再生をするための要素には、縦横比のほかに、フレーム・レートとビット・レートがあります。

１．未圧縮の場合のビット・レート 

  1画素が16ビットで表される場合、サイズが 320x240 なら、1フレームは,16X320x240=1,228,800ビットになります。したがって、30fpsなら、1,228,800 x 30 = 36,864,000bps になります。

２．可逆圧縮のビット・レート 

  可逆圧縮は、一般的な圧縮に比べて、大幅に圧縮率が低くなります。

３．一般的な圧縮のビット・レート

  いままでの話のビット・レートは、結果の数字です。元のビットレートや圧縮率で決まる値です。
  これに対して、一般的な圧縮では、ビット・レートは目標値で、ビット・レートが品質を決めます。
  目標値と言ったのは、圧縮条件と容量は確定的な関係ではないので、1パスでは画質を維持して決まったビットレートにすることはできないと言うことです。

３．１．固定ビットレート

  VCDでは、画像は、MPEG-1 1,150kbps と決まっています。

３．２．最大値によるビットレート制御

  DVD では、MPEG-2 最大8,000kbps と最大値を決めています。

３．３．平均値によるビットレート制御

  libx264 には、ABR があり、平均値を指定値に近づくように制御するようです。

３．４．固定品質指定

  画質を一様にするように制御し、ビット・レートは関知しない方法

４．なぜビットレートを設定するのか

  このように、ビットレートは、画質を決める数値に使われますが、他にも意味がありそうです。

1. 通信回線で送る場合、最大、最小のビットレートを守る必要がある
2. ファイルに格納する目的の場合は、ビットレートで、容量が制御できる
3. 再生機器のバッファサイズなど、再生機器に条件がある場合、それ以下にする

  本来は、これらの制約が最重要で、画質は次の問題だったのだと思います。
  ほとんど、ハードウエアの制約のない現状で考えると、画質が最重要に思えるので違和感があります。

５．コーデックの分類

５．１．画素の表現

  静止画の場合のBMP形式では、1画素をRGBの24ビットや32ビットで表します。
  動画の場合、静止画と同じ画素の表現を使うコーデックもあります。
  圧縮を意図する場合は、10 から 16ビットの画素の表現が使われ、12ビットが多いようです。
  短い画素の表現を使うこと自体は、あまり圧縮とは言わないようです。

  入力と出力のコーデックの、画素のビット数、圧縮率がわかれば、同じ画質を維持するためにビットレートをいくつにすれば良いか計算できます。

５．２．圧縮率の小さいコーデック

  一般的なコーデックでは1/10以下と言った大きな圧縮が行われます。これに対して、数分の1程度にもならないようなコーデックもあります。

５．２．１．フレーム間圧縮をしないコーデック

  DVは、編集を意図して、時間方向の圧縮をしないコーデックのようです。
  静止画で良く聞く、gif、png、jpeg などのイメージと説明の付いたコーデックがffmpegにはあります。これも、フレーム間圧縮をしないコーデックだと思います。
フレーム内の圧縮方式が、可逆圧縮なら可逆圧縮にも分類できます。
  BMPイメージやRAW形式は、フレーム間圧縮をしないコーデックでもあります。
  画素のビット数の差を考慮して、DVの圧縮率1/5を目安にビットレートを算出いしてみます。

５．２．２．ロスレス（可逆圧縮）

  これも再編集を意図していると思いますが、フレーム間圧縮をするかどうかは、ロスレスの言葉には表現されていません。
  可逆圧縮ですから、ビットレートはコーデック次第で、指定することはないと思います。

５．３．MPEG-2

  MPEG-2を特筆するのは、高画質を指向し、圧縮率は準じるものだと思うからです。MPEG-2に適したビットレートを計算できれば、他のコーデックは、それ以下で良いと考えられます。

５．４．先進的なコーデック

  当然、高画質、高圧縮を目指しているので、MPEG-2を想定して計算したビットレートより小さい値でも良いだろうと推測します。

５．５．RAWコーデック

  RAW とコメントの付いたコーデックがありますが、何がRAWなのかわかりません。おそらく、「画素の表現」が固定された、未圧縮のことだと思います。

６．ffmpeg でどう指定するか

  次のことを前提に考えます。

1. ffmpeg のデフォルト値は、小さい値なので、いつも指定する必要がある
2. ビットレートに大きな値を指定しても無駄にはならない。エンコード結果以上のデータが出力されることはない。
3. MPEG-2 のファイルを調べると、1/20 に圧縮されている

  MPEG-2 は、他の扱える圧縮方式のうち、圧縮率がもっとも低いと考えられるので、未圧縮時のビットレートの1/34 を与えることにします。