Welche Arten von Frames gibt es bei der Komprimierung? Ein Leitfaden zu I-, P- und B-Frames

In der modernen Videokomprimierung gibt es drei grundlegende Arten von Frames oder Bildern: I-Frames, P-Frames und B-Frames. Ein I-Frame ist ein vollständiges, eigenständiges Bild, während P-Frames und B-Frames Teilbilder sind, die nur die Änderungen gegenüber anderen Frames speichern, wodurch die Komprimierung erreicht wird. P-Frames prognostizieren von einem vorherigen Frame aus vorwärts, und B-Frames prognostizieren in beide Richtungen von vergangenen und zukünftigen Frames aus.

Das Kernprinzip hinter diesen Frame-Typen ist die Eliminierung temporaler Redundanz. Durch das Speichern eines vollständigen Bildes (I-Frame) und die anschließende Beschreibung dessen, was sich in den nachfolgenden Frames bewegt oder ändert (P- und B-Frames), kann ein Video-Codec die Dateigröße drastisch reduzieren, ohne einen wahrnehmbaren Qualitätsverlust zu erleiden.

Die Grundlage: I-Frames (Intra-kodiert)

Das eigenständige Bild

Ein I-Frame oder Intra-kodierter Frame ist ein vollständiges Bild. Man kann es sich als ein standardmäßiges JPEG- oder BMP-Bild vorstellen, das in den Videostream eingebettet ist.

Es enthält alle notwendigen Daten, um eigenständig angezeigt zu werden, und ist nicht auf Informationen von anderen Frames angewiesen.

Der Anker des Videostreams

Da sie eigenständig sind, dienen I-Frames als zufällige Zugriffspunkte oder Anker innerhalb einer Videodatei. Wenn Sie zu einem neuen Punkt in einem Video springen, sucht der Player nach dem nächstgelegenen vorhergehenden I-Frame, um mit der Dekodierung zu beginnen.

Sie werden auch am Anfang neuer Szenen oder nach signifikanten visuellen Änderungen verwendet.

Größe und Qualität

I-Frames verwenden die geringste Komprimierung im Vergleich zu anderen Frame-Typen. Infolgedessen sind sie die größten in der Dateigröße, bieten aber die höchste Qualitätsbasis, auf der andere Frames aufgebaut werden.

Der Blick nach vorn: P-Frames (Prädiziert)

Nur die Änderungen speichern

Ein P-Frame oder Prädizierter Frame ist ein Teilbild, das die Komprimierungseffizienz erhöht. Es kodiert nur die Unterschiede zwischen sich selbst und dem I-Frame oder P-Frame, der ihm vorausging.

Wie die Prädiktion funktioniert

Anstatt ein ganz neues Bild zu speichern, enthält ein P-Frame im Wesentlichen Anweisungen wie: „Nimm den Pixelblock von dieser Position im vorherigen Frame und verschiebe ihn hierher.“ Diese Anweisung wird als Bewegungsvektor bezeichnet.

Es speichert auch Daten für alle neuen Bildinformationen, die im Referenz-Frame nicht vorhanden waren.

Der Effizienzgewinn

Da P-Frames nur Änderungen und Bewegungsvektoren speichern, sind sie deutlich kleiner in der Dateigröße als I-Frames und bilden einen kritischen Bestandteil der Komprimierungsstrategie.

Die Zwei-Wege-Referenz: B-Frames (Bi-direktional)

Der effizienteste Frame

Ein B-Frame oder Bi-direktional prädizierter Frame bietet das höchste Komprimierungsniveau. Er erweitert das Prädiktionskonzept, indem er Daten sowohl von einem vorhergehenden als auch von einem nachfolgenden Frame referenziert.

Lücken interpolieren

Durch den Blick sowohl rückwärts als auch vorwärts kann ein B-Frame unglaublich effizient sein. Wenn beispielsweise ein Objekt vorübergehend verdeckt wird und dann wieder erscheint, kann ein B-Frame seine Position effektiv interpolieren, indem er Daten von vor und nach der Verdeckung verwendet.

Das höchste Komprimierungsniveau

Diese Zwei-Wege-Referenzierung macht B-Frames zum kleinsten und effizientesten Frame-Typ, was die größte Reduzierung der Videodateigröße ermöglicht.

Die Kompromisse verstehen

Komprimierung vs. CPU-Last

Es besteht ein direkter Kompromiss zwischen Komprimierungseffizienz und Rechenaufwand. I-Frames sind am einfachsten zu dekodieren, während B-Frames am anspruchsvollsten sind, da der Decoder vergangene und zukünftige Frames im Speicher halten muss, um das Bild zu rekonstruieren.

Aus diesem Grund vermeiden Anwendungen mit sehr geringer Latenz manchmal B-Frames, um die Dekodierungsverzögerung zu reduzieren.

Suchbarkeit und Fehlertoleranz

Eine lange Sequenz von P- und B-Frames zwischen I-Frames wird als Group of Pictures (GOP) bezeichnet. Eine lange GOP führt zu einer kleineren Dateigröße, kann aber die Suchgenauigkeit verringern.

Darüber hinaus kann ein Fehler in einem I-Frame oder P-Frame die Anzeige aller nachfolgenden Frames, die davon abhängen, bis zum nächsten I-Frame beeinträchtigen.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Das Verständnis dieser Frame-Typen ermöglicht es Ihnen, fundierte Entscheidungen beim Kodieren von Videos zu treffen.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf professioneller Bearbeitung oder Archivierung liegt: Verwenden Sie ein höheres Verhältnis von I-Frames (eine kurze GOP), um eine präzise framegenaue Suche zu gewährleisten und den Qualitätsverlust zu minimieren.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Live-Streaming mit geringer Latenz liegt: Verlassen Sie sich hauptsächlich auf I-Frames und P-Frames und vermeiden Sie B-Frames oft vollständig, um die Verarbeitungsverzögerung auf Seiten des Zuschauers zu minimieren.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf maximaler Komprimierung für die Bereitstellung oder Speicherung liegt: Verwenden Sie längere GOPs mit mehreren B-Frames zwischen I- und P-Frames, um die kleinstmögliche Dateigröße zu erzielen.

Letztendlich gibt Ihnen die Beherrschung des Zusammenspiels zwischen I-, P- und B-Frames die direkte Kontrolle über das kritische Gleichgewicht zwischen Videoqualität, Dateigröße und Wiedergabeleistung.

Zusammenfassungstabelle:

Frame-Typ	Beschreibung	Hauptmerkmal	Primärer Anwendungsfall
I-Frame	Eigenständiges, vollständiges Bild	Höchste Qualität, größte Dateigröße, dient als zufälliger Zugriffspunkt	Videobearbeitung, Archivierung, Szenenwechsel
P-Frame	Prädiziert Änderungen von vorherigen Frames	Kleinere Dateigröße, verwendet Bewegungsvektoren zur Komprimierung	Allgemeines Streaming, effiziente Komprimierung
B-Frame	Referenziert sowohl vergangene als auch zukünftige Frames	Kleinste Dateigröße, höchste Komprimierung, erfordert aber mehr Verarbeitung	Maximale Komprimierung für Speicherung oder Bereitstellung

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