Какие существуют типы кадров при сжатии? Руководство по I-, P- и B-кадрам

В современной видеокомпрессии существует три основных типа кадров, или изображений: I-кадры, P-кадры и B-кадры. I-кадр — это полное, самодостаточное изображение, тогда как P-кадры и B-кадры являются частичными кадрами, которые хранят только изменения по сравнению с другими кадрами, что и обеспечивает сжатие. P-кадры предсказывают будущее на основе предыдущего кадра, а B-кадры предсказывают в обоих направлениях на основе прошлых и будущих кадров.

Основной принцип, лежащий в основе этих типов кадров, — устранение временной избыточности. Сохраняя одно полное изображение (I-кадр), а затем описывая только то, что движется или изменяется в последующих кадрах (P- и B-кадры), видеокодек может значительно уменьшить размер файла без заметной потери качества.

Основа: I-кадры (внутрикадровое кодирование)

Самодостаточное изображение

I-кадр, или внутрикадровый кадр (Intra-coded frame), — это полное изображение. Его можно представить как стандартное изображение JPEG или BMP, встроенное в видеопоток.

Он содержит все необходимые данные для самостоятельного отображения и не зависит от информации из других кадров.

Якорь видеопотока

Поскольку I-кадры являются самодостаточными, они служат точками произвольного доступа, или якорями, внутри видеофайла. Когда вы переходите к новой точке в видео, проигрыватель ищет ближайший предыдущий I-кадр, чтобы начать декодирование.

Они также используются в начале новых сцен или после значительных визуальных изменений.

Размер и качество

I-кадры используют наименьшую степень сжатия по сравнению с другими типами кадров. В результате они имеют наибольший размер файла, но обеспечивают самую высокую базовую качество, на основе которого строятся другие кадры.

Взгляд вперед: P-кадры (предсказанные)

Хранение только изменений

P-кадр, или предсказанный кадр (Predicted frame), — это частичный кадр, который повышает эффективность сжатия. Он работает, кодируя только различия между собой и предшествующим I-кадром или P-кадром.

Как работает предсказание

Вместо того чтобы хранить целое новое изображение, P-кадр по сути содержит инструкции типа: «Возьмите блок пикселей из этого места в предыдущем кадре и переместите его сюда». Эта инструкция называется вектором движения.

Он также хранит данные для любой новой информации изображения, которая отсутствовала в опорном кадре.

Выигрыш в эффективности

Поскольку P-кадры хранят только изменения и векторы движения, они значительно меньше по размеру файла, чем I-кадры, что является критически важной частью стратегии сжатия.

Двусторонняя ссылка: B-кадры (двунаправленные)

Самый эффективный кадр

B-кадр, или двунаправленный предсказанный кадр (Bi-directional predicted frame), обеспечивает самый высокий уровень сжатия. Он развивает концепцию предсказания, ссылаясь на данные как из предыдущего, так и из последующего кадра.

Интерполяция пробелов

Опираясь как на прошлое, так и на будущее, B-кадр может быть невероятно эффективным. Например, если объект временно скрыт, а затем снова появляется, B-кадр может эффективно интерполировать его положение, используя данные как до, так и после препятствия.

Высший уровень сжатия

Эта двусторонняя ссылка делает B-кадры наименьшими и наиболее эффективными типами кадров, что позволяет максимально сократить размер видеофайла.

Понимание компромиссов

Сжатие против нагрузки на ЦП

Существует прямая зависимость между эффективностью сжатия и вычислительными затратами. I-кадры легче всего декодировать, в то время как B-кадры являются наиболее требовательными, поскольку декодер должен хранить в памяти прошлые и будущие кадры для восстановления изображения.

Именно поэтому приложения с очень низкой задержкой потоковой передачи иногда избегают B-кадров, чтобы уменьшить задержку декодирования.

Возможность поиска и устойчивость к ошибкам

Длинная последовательность P- и B-кадров между I-кадрами называется группой изображений (GOP). Длинный GOP приводит к меньшему размеру файла, но может сделать поиск менее точным.

Кроме того, ошибка в I-кадре или P-кадре может повредить отображение всех последующих кадров, которые зависят от него, до появления следующего I-кадра.

Правильный выбор для вашей цели

Понимание этих типов кадров позволяет принимать обоснованные решения при кодировании видео.

• Если ваша основная цель — профессиональное редактирование или архивирование: Используйте более высокое соотношение I-кадров (короткий GOP), чтобы обеспечить точный покадровый поиск и минимизировать потери качества.
• Если ваша основная цель — потоковая передача в реальном времени с низкой задержкой: В основном полагайтесь на I-кадры и P-кадры, часто полностью избегая B-кадров, чтобы минимизировать задержку обработки на стороне зрителя.
• Если ваша основная цель — максимальное сжатие для доставки или хранения: Используйте более длинные GOP с несколькими B-кадрами между I- и P-кадрами для достижения наименьшего возможного размера файла.

В конечном итоге, освоение взаимодействия между I-, P- и B-кадрами дает вам прямой контроль над критическим балансом между качеством видео, размером файла и производительностью воспроизведения.

Сводная таблица:

Тип кадра	Описание	Ключевая характеристика	Основное применение
I-кадр	Самодостаточное, полное изображение	Высочайшее качество, наибольший размер файла, служит точкой произвольного доступа	Редактирование видео, архивирование, смена сцен
P-кадр	Предсказывает изменения из предыдущих кадров	Меньший размер файла, использует векторы движения для сжатия	Общая потоковая передача, эффективное сжатие
B-кадр	Ссылается как на прошлые, так и на будущие кадры	Наименьший размер файла, максимальное сжатие, но требует большей обработки	Максимальное сжатие для хранения или доставки

Оптимизируйте свои видео-рабочие процессы с помощью правильного оборудования. Понимание типов кадров — это только начало; для достижения стабильных результатов требуется надежная лабораторная технология. KINTEK специализируется на высокопроизводительном лабораторном оборудовании и расходных материалах, разработанных для медиапроизводства, исследований и разработок. Независимо от того, кодируете ли вы, анализируете или архивируете видео, наши решения помогут вам поддерживать качество и эффективность. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы найти идеальные инструменты для нужд вашей лаборатории!