フレーム間予測（Interframe Prediction）は、動画データの圧縮を効率的に行うための手法の一つです。
この技術は、ある瞬間の画像を直前または直後の画像から予測し、実際の画像との差分を利用してデータを符号化します。
本記事では、フレーム間予測の基本的な概念、仕組み、そして実際のアプリケーションについて詳しく解説します。
フレーム間予測の基本概念
フレーム間予測とは
フレーム間予測は、動画データの圧縮率を高めるために用いられる技術です。
動画の多くはシーンやカットの切り替えを除いて、時間的に連続的に変化します。
これに基づき、特定のフレームを前後のフレームから計算し、その結果を用いて予測画像を生成します。
この予測画像と実際のフレームとの差分を計算し、その情報を符号化することで、データ量を大幅に削減できます。
再生時のプロセス
動画を再生する際には、符号化時に生成した予測画像を再利用し、差分情報をもとに修正を行うことで、各時刻の画像を正確に再現します。
このアプローチにより、全フレームを独立して符号化する場合に比べて、必要なデータ量を劇的に減少させることが可能です。
フレーム間予測の手法
前方予測と後方予測
フレーム間予測には、時間的に前のフレームから直後の内容を予測する前方予測（順方向予測）と、時間的に後のフレームから直前の内容を予測する後方予測（逆方向予測）があります。
一方のみを使用する場合を一方向予測、両方を利用する場合を両方向予測と呼びます。
MPEGにおけるフレームの種類
MPEGフォーマットにおいて、フレーム間予測に関連する異なる種類のフレームがあります：
- Iフレーム（Intra-coded Frame）：予測を用いず、単体で符号化された画像。
- Pフレーム（Predicted Frame）：前方予測を用いて符号化された画像。
- Bフレーム（Bi-directional Predicted Frame）：前方および後方予測のいずれかを用いて符号化された画像。
さらに、Iフレームから次のIフレームまでのフレーム群はGOP（Group Of Pictures）として知られています。
動き補償（Motion Compensation）
動き補償の重要性
動き補償は、フレーム間予測の一種で、映像内で移動している被写体の動きに基づいて予測画像を作成します。
この技術は、MPEG-2、MPEG-4、H.264などの主要な圧縮方式で広く採用されています。
動きの検出
カメラや被写体が移動する場合、単純なフレーム間予測では、全体のフレームが変化しているように認識され、膨大な差分情報が生成される可能性があります。
これを防ぐために、前後のフレームで同じ被写体が写っている領域を検知し、その範囲や移動方向、速度（動きベクトル）を符号化してフレームデータに含めます。
動きの最小単位
動きの検出において、初期の方式では1ピクセルの単位であったが、現在では1/2ピクセルや1/4ピクセルの精度で動きを扱える方式も登場しています。
これにより、より緻密な動きに対応した圧縮が可能となっています。
まとめ
フレーム間予測（Interframe Prediction）は、動画データの圧縮において不可欠な技術であり、効率的なデータ符号化を実現します。
前方予測と後方予測を駆使することで、データ量を大幅に削減しつつ、高品質な動画再生を可能にします。
また、動き補償を活用することで、より精密な動画処理が行われ、視覚的な品質を損なうことなくデータを効率化することができます。
これらの技術は、現代のデジタルメディアにおいて非常に重要な役割を果たしています。