Intra-Frame gegen Inter-Frame (Kompressionsprinzip)

Was ist der Unterschied zwischen Intra-Frame- und Inter-Frame-Kompression — und was folgt daraus für eine Anlage?

Intra-Frame-Verfahren codieren jedes Einzelbild für sich, ohne die Nachbarbilder anzusehen. Inter-Frame-Verfahren legen in Abständen ein vollständiges Bild ab und beschreiben die folgenden Bilder nur noch als Abweichung davon. Das ist die grundlegende bauliche Unterscheidung der Videokompression — und aus ihr folgt fast alles, was in einer Anlage später auffällt.

Ein Film besteht aus vielen Einzelbildern, und die meisten davon ähneln ihrem Vorgänger sehr. Ein Gerät kann deshalb entweder jedes Bild einzeln kleiner rechnen — oder es merkt sich nur, was sich seit dem letzten Bild verändert hat. Der zweite Weg spart viel mehr Platz, und fast alles, was Du im Fernsehen oder aus dem Netz siehst, geht ihn. Er hat aber zwei Eigenheiten, die Du kennst, ohne sie je benannt zu haben: Es dauert einen Moment, bis nach dem Umschalten ein Bild da ist, und wenn die Leitung stockt, bleibt das Bild nicht kurz stehen, sondern zerfällt für einige Sekunden in Klötzchen. Beides sind Begleiterscheinungen der Ersparnis.

Ausführliche Erklärung

Ein einzelnes Bild lässt sich für sich allein kleiner rechnen: Flächen ähnlicher Farbe werden zusammengefasst, feine Strukturen gröber beschrieben, Farbinformation wird sparsamer abgelegt als Helligkeitsinformation. Genau das macht ein Intra-Frame-Verfahren, Bild für Bild. Was dabei herauskommt, steht für sich: Jedes codierte Bild lässt sich decodieren, ohne dass ein anderes vorliegen muss.

Inter-Frame-Verfahren setzen an einer Beobachtung an, die für bewegtes Bild fast immer stimmt: Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern ändert sich wenig. Ein Gesicht bewegt sich, der Hintergrund bleibt. Statt den Hintergrund sechzigmal je Sekunde neu zu beschreiben, legt der Encoder in Abständen ein vollständig codiertes Bild ab — das Schlüsselbild — und danach nur noch die Abweichungen: welcher Bildbereich sich wohin verschoben hat und was an Rest übrigbleibt. Der Abschnitt von einem Schlüsselbild bis zum nächsten heißt Bildgruppe (Group of Pictures, kurz GOP).

Ein Vergleich, der hier auch in der Sache stimmt: Das ist die Änderungsverfolgung eines Textdokuments. Am Anfang steht die vollständige Fassung, danach steht nur noch, was sich geändert hat. Das ist erheblich kürzer als jede Fassung vollständig aufzuschreiben — aber wer die Änderungsliste ohne die Ausgangsfassung bekommt, kann damit nichts anfangen, und ein Fehler in einer frühen Änderung wirkt in allem Folgenden weiter. Genau diese beiden Eigenschaften sind der Preis der Ersparnis.

Ein Detail verschärft das noch: Manche Bilder greifen vorwärts und beziehen sich auf ein späteres Bild. Ein Objekt, das gerade hinter einer Säule hervorkommt, ist im nächsten Bild besser zu sehen als im vorigen — der Encoder greift also vorwärts. Der Decoder muss dieses spätere Bild dann schon haben, bevor er das frühere anzeigen kann. Codier- und Anzeigereihenfolge fallen auseinander, und das kostet Zeit.

Aus dieser Bauweise folgen drei Dinge, und es sind dieselben drei, an denen Anlagen scheitern oder eben nicht.

Erstens: die Verzögerung

Ein Intra-Verfahren kann anfangen zu senden, sobald die ersten Zeilen eines Bildes eingelesen sind — es wartet auf nichts. Ein Inter-Verfahren muss mehrere Bilder gleichzeitig im Blick haben, bevor das erste hinausgehen kann, und der Decoder auf der Gegenseite ebenfalls, bevor er anzeigen kann. Die Verzögerung folgt damit aus dem Prinzip selbst: Wer Bilder aufeinander bezieht, muss sie sammeln. Eine sorgfältige Umsetzung hält sie klein, abschaffen kann sie sie nicht.

Wie viel Zeit das im Einzelfall ist, hängt an der Länge der Bildgruppe, an der Verwendung rückwärts bezogener Bilder und an den Puffern der beteiligten Geräte. Deshalb steht hier keine Zahl; die belegten Größenordnungen der einzelnen Verfahren stehen bei Videokompression im Transport.

Bemerkbar macht sich die Verzögerung überall dort, wo das Bild eine Antwort auf eine Eingabe ist: bei Menüs, bei Videospielen — dort als Input-Lag —, bei einer Kamera, die jemand schwenkt, während er zusieht. Bei einem Film, den niemand steuert, ist sie gleichgültig — solange der Ton denselben Weg nimmt. Warum das die eigentliche Bedingung ist, steht bei der Zeitlage von Ton und Bild.

Zweitens: das Verhalten bei Paketverlust

Geht auf einer Intra-Strecke ein Paket verloren, ist ein Bild oder ein Bildausschnitt betroffen. Das nächste Bild ist wieder sauber, weil es nichts vom vorigen weiß. Der Fehler ist sichtbar, aber kurz.

Auf einer Inter-Strecke ist derselbe Verlust anders gebaut. Beschädigt ist neben dem getroffenen Bild auch alles, was darauf aufbaut — bis zum nächsten Schlüsselbild. Das ist der Grund für die Klötzchenmuster, die über Sekunden nachwirken und sich mit jeder Bewegung neu verteilen. Wer das kennt, kann eine Störung im Wohnzimmer ohne Messgerät einordnen: Ein kurzes Zucken und ein sekundenlanges Zerfallen sind nicht dasselbe Problem in verschiedener Stärke, sondern zwei verschiedene Bauweisen unter derselben Störung.

Drittens: die Verträglichkeit von Mehrfachcodierung

Ein Signal wird auf seinem Weg selten nur einmal codiert. Der Streamingdienst codiert, die Netzverteilung im Haus codiert erneut, ein Videoprozessor rechnet noch einmal. Jeder Durchlauf addiert Verzögerung und Artefakte.

Bei Intra-Verfahren mit geringem Kompressionsverhältnis ist das verkraftbar, weil jeder Durchlauf für sich wenig wegnimmt und keiner Fehler in die Zeit hinein fortschreibt. Bei Inter-Verfahren summiert es sich schneller, als die Einzelstufe vermuten lässt: Der zweite Encoder bekommt die bereits vereinfachte Fassung des ersten zu sehen und behandelt dessen Artefakte als Bildinhalt, den er originalgetreu übertragen soll. Er gibt also Reserve für etwas aus, das gar nicht zum Bild gehört. Deshalb ist die Kaskade der Fall, in dem zwei je für sich unauffällige Strecken zusammen auffällig werden — und genau dieser Fall wird in der Planung am häufigsten übersehen.

Häufiges Missverständnis

„Kompression ist Kompression — die Frage ist nur, wie stark." Diese Erzählung führt zu einer Auswahl nach einer einzigen Zahl, dem Kompressionsverhältnis oder der Datenrate. Sie übersieht, dass zwei Verfahren bei gleicher Datenrate völlig verschiedene Eigenschaften haben können: das eine reagiert sofort und verkraftet mehrere Durchläufe, das andere spart ein Vielfaches an Bandbreite und braucht dafür Zeit und eine störungsarme Strecke. Die Stärke ist eine Achse, die Bauweise eine zweite — und die zweite entscheidet in einer Anlage öfter.

„Intra ist das bessere Verfahren." Das ist die naheliegende Gegenreaktion und ebenso schief. Inter-Frame-Verfahren sind der Grund, warum überhaupt Filme über eine gewöhnliche Internetleitung laufen; sie sparen ein Vielfaches an Daten, und für alles, was niemand steuert und was neben keinem zweiten Bildschirm hängt, ist diese Ersparnis der richtige Handel. Keine der beiden Bauweisen ist besser — sie beantworten verschiedene Fragen.

Nicht zu verwechseln mit

Videocodec: das benannte, genormte Verfahren. Die Bauweise ist eine Eigenschaft davon, kein eigener Codec. Was ein Codec sonst noch festlegt, steht bei Videocodec.
Kompressionsverhältnis: wie viel kleiner das Ergebnis ist. Sagt für sich nichts darüber, ob Bilder aufeinander bezogen wurden.
Verlustfrei gegen verlustbehaftet: eine unabhängige Achse. Auch ein Intra-Verfahren wirft Bildinformation weg, wenn es das soll.
Delay: die gezielt eingesetzte Verzögerung als Werkzeug. Die Verzögerung eines Inter-Verfahrens ist dagegen eine Nebenwirkung, die man ausgleicht — siehe Delay.

In der Planung

Ein Mediaroom mit Projektor, im Nebenraum ein Fernseher, beide sollen an dieselbe Netzverteilung. Auf dem Projektor läuft Film, am Fernseher sitzt jemand mit einer Spielkonsole, und gelegentlich zeigen beide dasselbe.

Noch vor dem Codec ist zu klären: Welcher der beiden Wege muss auf eine Eingabe antworten, und sind beide gleichzeitig sichtbar? Der Spielweg braucht eine Antwort, der Filmweg nicht. Und weil man vom einen Raum in den anderen sehen kann, zählt der Unterschied beider Verzögerungen und nicht ihr Betrag.

Eine einzige Achse entscheidet: Der Spielweg verlangt ein Intra-Verfahren, weil seine Verzögerung im Prinzip begründet ist und sich nicht wegkonfigurieren lässt. Für den Filmweg wäre ein Inter-Verfahren vertretbar — solange beide Räume nie dasselbe zeigen. Sobald sie es tun, ist die einheitliche Bauweise die einfachere Lösung als jeder nachträgliche Ausgleich.

Die Geräteauswahl kommt zuletzt, und mit ihr eine Frage, die in Angeboten nicht steht: Wie viele Codiervorgänge liegen auf dem Weg vom Zuspieler bis zum Bild? Ein Streamingdienst zählt bereits als einer, bevor die Anlage überhaupt anfängt.

Verknüpfte Inhalte

Welche Verfahren zu welcher Gruppe gehören, mit belegten Zahlen zu Verzögerung, Bitraten und Kompressionsverhältnissen, steht bei Videokompression im Transport. Was ein Codec darüber hinaus festlegt und warum Datenraten nur innerhalb einer Generation vergleichbar sind, klärt Videocodec. Warum Verzögerung erst im Vergleich zweier Wege zum Problem wird, steht bei der Zeitlage von Ton und Bild; wie sich Laufzeitunterschiede ausgleichen lassen, bei Delay.

Quellen

Das Prinzip der prädiktiven Codierung mit Schlüsselbildern, Bildgruppen und bidirektionaler Prädiktion ist etabliertes Lehrbuchwissen und hier qualitativ dargestellt. Die belegten Zahlen der einzelnen Verfahren — Verzögerung in Zeilen oder Bildern, zulässige Bitraten, typische Kompressionsverhältnisse — samt ihren Fundstellen in den Normen und Komitee-Veröffentlichungen stehen auf der Seite Videokompression im Transport und werden hier nicht wiederholt.