ビジネス開発者必須講座

P2P/ブロードバンド時代の新・TCP/IP 入門
村上 健一郎

第4回

法政大学ビジネススクール イノベーション・マネジメント研究科 教授

リアルタイム通信での音声や映像の送り方は？

連載 3 回目は、インターネットの仕組みはリアルタイム通信用に設計されていないということに触れました。
しかし、私たちの生活の中では現実にインターネットを使った音声や映像のリアルタイム通信が行われています。
今回は、それらはいったいどのような仕組みでやりとりされているかについて、見てみます。

[Q1]

です。

リアルタイム通信で音声や映像情報を TCP/IP でどのように送るのでしょうか？

なります。遅延が大きいと、相手がまだすように、インターネット電話のような会話していないと思って話しはじめたとこ

話型通信と、一方的に相手に音楽や映像ろ、相手からの音声が到着して両者の音を送る非会話型通信に分類できます。

声がかぶってしまい、相手が何を言って前者のインターネット電話では、伝える[A1]
音声も映像も圧縮して転送するのは同じ

信では、遅延の問題が大きなポイントとリアルタイム型の通信では、図 1 に示

いるのかわからなくなります。のが音声です。この場合、人間の音声特一方、映像配信のような非会話型の通有の性質を利用して音声データを大幅に信では、遅延はそれほど重要な要素には圧縮し、転送するビットレートを下げていなりません。時報を送る場合などには、ます。一方、後者の場合には、それが人それがずれてしまうという問題はありま間の音声だけではないことに注意を払わすが、一方向に映像を送る映画やニューなければなりません。音楽では、楽器な

スでは、少々の遅延によって品質が劣化

音声にしろ映像にしろ、インターネットどのように人間の音声とは性質の異なるすることにはなりません。

を使用して通信を行う場合には、できるものがあり、音声と同じ方式で圧縮したな お 、ここで は 、R T P（ R e a l - t i m eだけ使用する帯域を小さくするために情のでは著しく品質が低下してしまいます。

Transport Protocol）を使用して連続的報を圧縮します。帯域とは必要な回線速ですから、音楽では音声とは異なる方式にリアルタイムでデータを送るストリーミ度のことで、ビットレートといいます。

で圧縮を行うのです。

ング方式に限って話をしています。TCP

この圧縮には、を使用してファイルをダウンロードした後（1）人間の視覚や聴覚の特性を利用してインターネット特有の「遅延」

気づきにくい部分を省略する方法

でローカルに音楽やビデオを再生する方法については、リアルタイム通信の範疇（2）毎回全部の信号を送るのではなく、会話型と非会話型では、送信したデー前に送った信号との差分だけを伝えタが相手に届くまでの時間、つまり遅延

さて、図 2 は音声や音楽、映像などがることによってデータ量を抑える方法の影響についての違いも考えなければどのように転送処理をされているのかになりません。

ついて示しています。などが使われます。ここで重要なのは、アプリケーションを区別して考えること100 │ INTERNET magazine │ 2005 │ 06 │に入れていません。

インターネット電話のような会話型の通インターネットマガジン／株式会社インプレスR&D©1994-2007 Impress R&D図 2 に示すように音楽や映像のデータ

には、まずデジタル変換と圧縮が行われ弱も判別しているのですが、人間の耳に放送のテレビ映像の場合、必要な周波数ます。映像やその音の場合には、さまざ聞こえる最も小さい音と最も大きな音の帯域幅は 4MHz から 6MHz 程度になりままな圧縮方式があります。

差は 1 兆倍もあると言われています。こす。これは、音声と比較すると約 1000 倍

たとえば、映像の場合、画像圧縮の国

れはダイナミックレンジと呼ばれていまという非常に大きな値です。また、画面際規格である MPEG（Moving Pictureす。音楽 CD の場合には、このダイナミッの明暗を表現する輝度のダイナミックレンExperts Group）方式による圧縮が利用

クレンジをほぼカバーしていますが、電ジ（画像の黒から白までの濃度が変化すされます。MPEG には、それぞれ圧縮率

話の場合にはその半分程度のダイナミッる幅）は、音のダイナミックレンジの半分（ビットレート）の違う MPEG-1（ビデオクレンジになります。

以下になっています。

CD などで利用）や MPEG-2（デジタル放一方、映像信号は、たとえばアナログ送などで利用）、MPEG-4（携帯電話のテレビ電話などで利用）などの方式があり会話型（インターネット電話）ます。また、国際規格ではない、マイクロ音声ソフト社の Windows Media Video 特有

別物であるの 方 式 や アップル コン ピュ ータ 社 の音楽

通信

QuickTime 方式が使用されることもあり非会話型（ストリーミング）ます。

ビデオ配信

[Q2]

図 1 リアルタイム通信の分類

音声と映像の性質はどのように違うのでしょうか？ また、それらの送り方はどのように違うのですか？

送信側

1

[A2]

受信側
もしもし

もしもし

ディスプレイ、スピーカー、e電話機など（アナログ情報）

音声、音楽、映像など（アナログ情報）

2 デジタル変換と圧縮
3 RTPカバーする周波数帯の違い
4 UDP

一般に音声信号と画像信号の性質には次のような違いがあります。まず、音声

RTP
パケット
RTP
ヘッダー
UDP
パケット
UDP
ヘッダー
IP
パケット
IP
ヘッダー5 IP情報

伸張とアナログ変換 w

情報

RTP

q

情報

UDP

9情報

IP

8通信回線

76 通信回線ですが、人間の聞くことのできる周波数

情報

RTP
ヘッダー
UDP
ヘッダー
IP
ヘッダー

情報

情報

情報

インターネットは 20Hz から 20kHz という範囲です（図3）。たとえば音楽 CD の場合、このほとんどの周波数帯をカバーしています。しかし、電話の場合には、このうち 300kHzから 3.4kHz 程度の範囲の音だけを送っています。このような狭い範囲の音だけでも、会話には支障がありません。つまり、送信する音の周波数範囲を限定することによって、送るデータ量を圧縮しているのです。

1
2
3

音声や音楽、映像のアナログ情報を取り込む。
1のアナログ情報をデジタル情報に換え、圧縮（符号化）処理を行う。
2のデジタル情報をRTPのパケットに詰める。この時、タイムスタンプ（時刻印）が押される。
これは、受信側がパケットの逆転現象を検出してパケットを正しい順番に並べ替えたり、指定された間隔でディスプレイやスピーカーからの再生を行うために使用される。
4 RTPパケットはUDPパケットの情報部分に入れられる。UDPでは、チェックサム（検査合計）を計算してパケットに入れておき、受信側で転送中にパケットが損傷を受けていないかどうかを判別できるようにしておく。
5 UDPパケットはさらにIPパケット内に入れられる。ここには、転送先のパソコンのIPアドレスが指定されている。
6 IPパケットは、イーサネットなどの通信回線からインターネットへ送り出される。インターネ
ット上ではルーターがIPパケット内にあるIPアドレスを参照して、それを指定されたパソコンまで転送する。
7〜q 受信側では送信側の処理と逆の順序で処理される。IPパケットからUDPパケットを抜き出し、さらにRTPパケットを抜き出す。
w qの圧縮されている情報を伸張処理などを行った後、アナログ化する。
e アナログ化された情報は、スピーカーを鳴らしたり、ディスプレイに表示されたりする。

人間は、音の周波数だけでなく音の強図 2 音声や映像情報の転送処理

インターネットマガジン／株式会社インプレスR&D

P2P/ブロードバンド時代の新・TCP/IP
入門 │ INTERNET magazine │ 2005 │ 06 │ 101©1994-2007 Impress
R&D音声はどのように送られている？
普段使っている固定電話でのアナログログ波形に含まれる最大周波数の 2 倍の高い音の感度が急激に低下することを利

周期でデジタル化すれば情報の損失が起用して、聞こえない範囲の音は削除しまこらない（元の音に復元できる）というす。また、たとえば BGM などでほかの耳「シャノンの標本化定理」によっています。

障りな雑音を聞こえなくする「マスキングの音声は、このように、ビットレートは、8 ビット×（1）受話器からのアナログ信号を一定時さらに、高域や低域では音源の位置が8kHz ＝ 64kbps となります。

間ごとに振幅をサンプリング（標本化）（2）（1）を一定のビット数（例：電話では 8効果」も考慮して圧縮しています。

わかりにくいことを利用して、音の時間音声と音楽は別物差だけを残してモノラル化します。そしビット）のデータに置き換える（量子化）て、出現頻度の高い量子化された値は電話は音声に特化した圧縮をしている「短いビット数」で、出現頻度の低い値はため、楽器の音などを送ると不自然な音「長いビット数」で符号化することによっの 3 段階でデジタル化して交換機を通しになります。また、音楽では、電話より速てビットレートを下げて圧縮します。これて送っています。

いビットレートが必要となります。たとえはハフマン符号化と言われています。

（3）アナログ信号をデジタル信号に変換する（符号化）

インターネット電話では、デジタル化さば CD は、44.1kHz の周期でサンプリングれるまでは同じですが、デジタル化後は、を行っており、音の振幅はより解像度の音声データを RTP パケットに入れて転送高い 16 ビットで表現されます。このたする仕組みとなっています。

め 、C D の 音 を そ のまま 送 った 場 合 、また、インターネット電話や携帯電話では、固定電話のような帯域が確保できな映像はどのように送られている?
ここでは、MPEG を例として映像の圧

44.1kHz × 16 ビット× 2 ＝ 1.4Mbps のビッ

縮や送り方について簡単に見てみます。

トレートとなります。

いために、さらに音声を圧縮しています。

最近利用されている MP3 は、この音映像通信では、1 秒間に 30 回程度、つたとえば、日本の携帯電話の方式 PDC

楽の情報を 1/12 から 1/13 程度に圧縮しまり 30 コマの静止画像を切り替えること（ Personal Digital Cellular）で は 、約ています。MP3 とは ISO で規定されていによって、人間が動画として感じられる6.7kbps の低いビットレートに圧縮して音る 音 声 圧 縮 規 格 の MPEG-1 Audioようにします。これは、少しずつ違う漫声を送っています。

Layer Ⅲのことで、MPEG-3 のことでは画を紙に書き、パラパラとめくるとまるでありません（誤解のないように）。

動いているように感じるのと同じ原理で

ここで、基本となる固定電話で使われ音楽では、通常は 128kbps 程度のビッす。ただし、映像の転送では、完全な画トレートを必要とし、電話のように 6.7k像を毎回送るのではなく、完全な元の画ビットなどの低ビットレートでは音質が非像 1 枚を送った後は、その画像との差分常に悪くなってしまいます。

だけを数回送ることで、転送すべき情報ている G.711 標準の、音声信号の送り方について見ていきましょう。
前述したように、電話音声の場合は、300Hz から 3.4kHz までの音を送れば通話に支障がありません。この約 4kHz ま

MP3 では、音声を圧縮する場合、音声での音を受信側で再生するためには、受の場合と同じようにいくつかの人間の聴話器で拾ったアナログ音声を 8kHz で振覚特性を利用しています。まず、人間の幅をサンプリングしてデジタル化します。

可聴範囲（20Hz から 20kHz）が均一では8kHz でサンプリングするのは、元のアナなく、3 〜 4kHz をピークにして低い音と量を圧縮します。具体的には、図 4 のようになります。

「遅延」は会話型の音声で問題
ここでは、深刻な問題が発生しがちなインターネット電話の遅延について考え検知できる最低の音の大きさ［音圧］てみます。
可聴範囲

現在の固定電話では、8 ビットのデータが 125 マイクロ秒（1/8000 秒）という定期的な周期で送られます。つまり、通話電話で送る範囲

相手との間に設定された回線では、１秒間に 8000 回の転送が正確に行われ、こ62.5

125

250

500

1k

2k

4k

8k

16k

周波数［Hz］れが遅れたり早まったりすることはありません。しかし、インターネットでは、パ

図 3 可聴周波数と音圧の関係（ロビンソン・タドソンの等ラウドネス曲線）

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ケットが相手まで到着する時間は保証さるごとにその処理完了時間である 10ミリれていません。また、複雑な圧縮をすれ秒の遅延が増えるため、最大 3 ブロック

たとえば、このデジッタ遅延を 40ミリ秒ばするほど、その処理にかかる時間が増分のデータを入れるのが限度とされていとすると、全体での固定的な遅延は表 1

え、遅延が増加してしまいます。

ます。その場合、パケット化までに 30 ミのようになります。すでにわかっているリ秒の遅延が発生します。

値だけでも 88 ミリ秒となっており、先にITU-T（国際電気通信連合の電気通信ター遅延と呼びます。

標準化部門）の勧告 G.114 では、送信側一方、受信側ではデータを伸張して元述べた、G.114 勧告に規定されている全から受信側までの全体の遅延を 150 ミリの音声に復号する必要があります。この

体の許容遅延である 150 ミリ秒の半分を秒以下に規定しています。これ以上の遅時間は、圧縮時間のおよそ 10 ％程度で超えています。数十ミリ秒から数百ミリ

延では会話に支障をきたし、400ミリ秒以す。しかし、パケットに複数の圧縮され秒の間、あるいはそれ以上に変動するイ上では利用不可能としています。

たブロックが入っている場合、伸張時間

ンターネットの転送遅延を考慮すると、はその数に比例します。3 ブロックの場

G.114 勧告の目標は達成が危ういもので合、3 ミリ秒程度です。また、パケット到あることがわかります。

実際の遅延はどのくらい？

着の揺らぎ（ジッター）によって、次に再送信側では、アナログ信号をサンプリ生する音のデータが間に合わなくなると内訳

遅延時間（ミリ秒）

ングしてデジタル化した後に符号化器に音声が途切れることになります。これをエンコード遅延15

よる圧縮を行います。これは、定期的に避けるために、すぐに再生するのではな

パケット化遅延30

デコード遅延3

デジッタ遅延40

RTP のパケットに入れられて受信側までく、しばらくバッファーに溜めておいて、転送されます。また、受信側では、送信意図的に遅延をもたせなければなりませ

転送遅延

不定（n）

側と逆の処理が行われ、最終的に受話器ん。このバッファー（蓄積メモリー）をデ合計

88 ＋ nジッターバッファー、その遅延をデジッ

表 1 実際の遅延時間を見てみる

から音を出します（図 2 参照）。
ここで、インターネット電話でよく使用される規格の 1 つ「G.729」を例として遅延を計算してみましょう。この G.729 の

元の画像

中間の画像

未来の画像

ビットレートは 8kbps です。サンプリング周波数は 8kHz で 125 マイクロ秒ごと、つまり1/8kHz ごとにサンプリングを行いますが、10ミリ秒分のサンプリングデータを1 差分

ブロック（固まり）として処理を行います。

2

1 差分

3

3

この処理結果は 10 バイト（80kbps × 10ミリ秒＝ 80 ビット）のデータ量になりまインターネットす。ただし、処理には次のブロックも参4照する必要があるため、10 ミリ秒では処理は完了せず、圧縮が完了するまでには差分15 ミリ秒の遅延が発生します。注意しな

差分ければならないのは、圧縮されたデータごとにパケット化するとオーバーヘッド5（負荷）が大きくなることです。なぜなら
元の画像

ば、IP ヘッダーが 20 バイト、UDP ヘッ

中間の画像（復元された画像）

未来の画像（復元された画像）

ダーが 20 バイト、RTP ヘッダーが 12 バイトの計 52 バイトのヘッダーが、わずか 10バイトの音声データを転送するために必要となってしまうからです。
そこで、複数の処理結果をまとめて入

1
2
3
4

各画像の処理にあたり、未来の画像をあらかじめ予測して過去や未来の画像との差分を計算する。
元の画像を送る。
それぞれの差分情報を送る。
3までの画像情報は、タイムスタンプ（時刻印）や順序番号などとともにRTPパケットに入れられて送信される。
5 受信側では、1〜3の情報を逆の操作によってほぼ元の画像に復元する。

れる方法がとられますが、１ブロック増え
図 4 MPEG における画像情報の圧縮と転送

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