音声圧縮

音声圧縮技術：ファイルサイズと音質の両立を目指す

音声データのファイルサイズを小さくする技術、音声圧縮。その目的は、少ない容量で音声情報を保存・伝送することです。本稿では、音声圧縮技術の基礎から最新の動向まで、詳細に解説します。

音声圧縮の基礎：可逆[[圧縮]]と非可逆[[圧縮]]

音声圧縮は大きく分けて、可逆[[圧縮]]と非可逆[[圧縮]]の2種類があります。可逆[[圧縮]]は、圧縮したデータを元の状態に完全に復元できる方式です。一方、非可逆[[圧縮]]は、データの一部を捨てることで圧縮率を高めるため、元のデータとは完全に同じにはなりません。

可逆[[圧縮]]は、高音質を維持したい場合に適しています。Monkey's Audio、FLAC、Shortenなどが代表的な可逆[[圧縮]]フォーマットです。圧縮率は、元のデータの約50～60％程度です。レコーディングエンジニアやオーディオマニアがよく利用します。一方、非可逆[[圧縮]]は、MP3、AACなどが代表的で、圧縮率が非常に高く(元のデータの約5～20％)、ファイルサイズを大幅に削減できます。ただし、音質の劣化は避けられません。

音声圧縮には、様々な技術が用いられます。符号化手法、パターン認識、線形予測などです。特に非可逆[[圧縮]]では、人間の聴覚特性を考慮した知覚符号化が用いられます。人間の耳は、全ての周波数成分を同じように感知するわけではないため、知覚されにくい音の情報は圧縮・削除することで、音質の劣化を最小限に抑えながら圧縮率を高めます。

可逆[[圧縮]]：音質を犠牲にしない圧縮技術

可逆[[圧縮]]は、データの完全な復元を保証する反面、圧縮率は非可逆[[圧縮]]に比べて低くなります。しかし、近年は記録媒体の低価格化やインターネット通信速度の向上に伴い、高音質を維持しつつ永久保存したい場合に利用される機会が増えています。

可逆[[圧縮]]技術では、音声波形を効率的に表現するために、線形予測法などの高度なアルゴリズムが使用されます。これらのアルゴリズムは、音声データに含まれる冗長性を除去することで、圧縮を実現します。ただし、実世界の複雑な音声波形を効率的に圧縮することは難しく、圧縮率の向上には、更なる技術革新が求められています。

可逆オーディオコーデックを選択する際には、圧縮・伸張速度、圧縮率、対応するビット深度・サンプリングレート・チャンネル数、ソフトウェア・ハードウェアでのサポート状況などが重要な判断基準となります。音質劣化はありませんが、デコーダの性能によっては、再生音に僅かな違いが生じる可能性があります。

非可逆[[圧縮]]：高圧縮率と音質のトレードオフ

非可逆[[圧縮]]は、MP3プレイヤーやストリーミングサービスなど、幅広い用途で使用されています。その高い圧縮率は、可逆[[圧縮]]をはるかに上回りますが、音質の劣化は不可避です。

非可逆[[圧縮]]では、人間の聴覚特性を考慮した知覚符号化が鍵となります。人間の耳は、全ての周波数成分を均等に聞き取るわけではないため、知覚されにくい周波数成分の情報は削除したり、精度を下げたりすることで、圧縮率を高めます。この技術には、心理音響モデルと呼ばれる人間の聴覚モデルが利用されます。

さらに、ノイズシェーピングという技術も用いられます。これは、知覚されにくい周波数帯域にノイズを移動させることで、音質の劣化を目立たなくする技術です。

非可逆[[圧縮]]アルゴリズムでは、伸張と再圧縮を繰り返すと音質劣化が累積するため、編集作業には向きません。一方で、リスニング用途であれば、ファイルサイズの大幅な削減と、許容範囲の音質劣化を両立できます。

音声符号化と応用

音声符号化は、音声圧縮技術の中でも特に重要な分野です。特に、人間の話し声は、音楽に比べて圧縮しやすい特徴があります。話し声は音楽に比べて周波数範囲が狭く、波形も単純であるため、低ビットレートでも高い音質を維持できます。

また、非可逆[[圧縮]]で劣化してしまった音質を改善するための技術も開発されています。デジタル音響機器には、失われた高周波成分を復元する技術が搭載されている製品が多く、音質の向上に貢献しています。ただし、著しく劣化している音質を完全に復元することはできません。

まとめ

音声圧縮技術は、ファイルサイズと音質のトレードオフの関係にあります。用途に応じて、可逆[[圧縮]]と非可逆[[圧縮]]を使い分けることが重要です。可逆[[圧縮]]は高音質を維持したい場合に、非可逆[[圧縮]]はファイルサイズを小さくしたい場合に適しています。今後、より高効率な圧縮技術、そして音質劣化の少ない圧縮技術の開発が期待されます。

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