Kompression und Datenformate. Grundlagen der Bildspeicherung, Kompressionsverfahren, Datenformate

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1 Kompression und Datenformate Grundlagen der Bildspeicherung, Kompressionsverfahren, Datenformate

2 Digitale Speicherung von Bildern Digitalisierung Informationsgehalt Speicherbedarf Kompression von Multimediadaten Systematik, Methodik Verlustfreie Verfahren Verlustbehaftete Verfahren Datenformate für die Bildspeicherung Rasterformate Vektorformate Multimedia-Datenformate Agenda Folie 2

3 Digitalisierung Informationsgehalt Speicherbedarf

4 Diskretisierung (Sampling) Quantisierung Digitale Speicherung von Bildern Folie 4

5 CCD (Charge Coupled Device) Analoger Sensor: die gelieferte Spannung ist proportional zur Lichtintensität Erkennt keine Farbe, d.h. das Licht wird über Filter oder Prismen aufgespalten Einsatzgebiete: Scanner, Digitalkamera, Video-Camcorder Digitale Speicherung von Bildern Folie 5

6 CCD-Prinzip: Lichtabhängig gesammelte Ladung Digitalisierung der analogen Ladungszustände je eines CCD-Elementes für jeden Bildpunkt und jede Farbe Digitale Speicherung von Bildern Folie 6

7 CCD-Einsatz in einem Flachbettscanner Erfasste Vorlagenbereiche Glasplatte CCD CCD CCD CCD CCD CCD CCD CCD CCD CCD Digitale Speicherung von Bildern Folie 7

8 CCD-Chip, z.b. in einem Camcorder Digitale Speicherung von Bildern Folie 8

9 Segmentierung in quadratische Pixel (Picture Elements, Bildpunkte) Auflösung (Dichte der Pixelelemente) angegeben in dpi (dots per inch) Digitale Speicherung von Bildern Folie 9

10 Foto mit 256 Graustufen (Quantisierung) Grauwerttabelle, Grauwertverteilung Digitale Speicherung von Bildern Folie 10

11 256 Graustufen = 8 bit pro Pixel Farben = 8 bit pro Pixel Farben = 15bit pro Pixel ,7 Mio Farben = 24bit pro Pixel Digitale Speicherung von Bildern Folie 11

12 Bezeichnung Auflösung Speicherplatz VGA 640 x kbyte SVGA 800 x kbyte XGA 1024 x kbyte SXGA 1152 x kbyte UXGA 1600 x kbyte Bildschirmauflösungen TrueColor (24bit/Pixel) Digitale Speicherung von Bildern Folie 12

13 Überblick, Systematik Verlustfreie Verfahren Verlustbehaftete Verfahren

14 Einsparung von Speicherplatz Einsparung von Übertragungsbandbreite Beispiele unkomprimierter Daten: Stereo-Audiosignal in CD-Qualität: Abtastung 44.1 khz, Quantisierung: 16 Bit Datenrate: kbyte/s, Speicherplatz für 1 Stunde: 605 MB Videosequenz: 25 Bilder/s, PAL: 625 Zeilen mit je 833 Bildpunkten, YUV-Verhältnis = 4:2:2, Datenrate: ca. 208 Mbit/s Kompression Überblick Folie 14

15 Video Bild Musik Animation Sprache Komprimierte Medien Vektorgrafik Text Kompression Systematik Folie 15

16 ... ist ein theoretisches Maß für den Informationsgehalt z.b. bei Bildern Hohe Entropie Bildinhalt ist in hohem Maße "unberechenbar" viel "Zufälligkeit" enthalten das Bild hat wenig Redundanz. Niedrige Entropie Bildinhalt ist in hohem Maße "berechenbar" wenig "Zufälligkeit" enthalten das Bild hat hohe Redundanz. Kompression Systematik Folie 16

17 Entropie wird in»bit«angegeben. Die maximale Entropie eines Bildes entspricht der Summe des Speicherplatzes für alle Pixelwerte der Bildmatrix. Die Entropie eines homogenen Bildes (alle Pixel haben den gleichen Farbwert) ist Null. Kompression Systematik Folie 17

18 Mittlere Anzahl von Bits pro Pixel, die für die verlustfreie Codierung eines Bildes notwendig sind. Beispiel A: Ein Binärbild (L=2) hat gleich viele schwarze und weiße Pixel, d.h. Objektpixel und Hintergrundpixel sind gleichwahrscheinlich: p 0 = 1/2, p 1 = 1/2. Kompression Systematik Folie 18

19 Mittlere Anzahl von Bits pro Pixel, die für die verlustfreie Codierung eines Bildes notwendig sind. Beispiel B: In einem Binärbild (L=2) werden 80% der Pixel durch den Bildhintergrund belegt: p 0 = 0,8, p 1 = 0,2. = -(0,8 * -0, ,2 * -2,322) = 0,722 Kompression Systematik Folie 19

20 1. Kompressionsrate Verhältnis der Originaldatenmenge zur Menge der komprimierten Daten (z.b. 10:1 Originaldatenmenge 10 mal größer als Menge der komprimierten Daten) 2. Kompressions- und Dekompressionsaufwand Rechenaufwand und Art der benötigten Operationen Symmetrie ( Verhältnis von Kompressions- zu Dekompressionsaufwand) 3. Robustheit Verhalten des Verfahrens bei Fehlern in der komprimierten Datenmenge 4. Spezialisierungsgrad (Adaptivität) Abhängigkeit vom Bildinhalt (z.b. Landschaftsbild, Werbegrafik, Textdokument) und von Bildeigenschaften (z.b. Anzahl der Farben) 5. Konfigurierbarkeit Möglichkeit der anwendungsspezifischen Optimierung durch Wahl bestimmter Parameter in Hinblick auf Kompressionsrate, Bildqualität usw. Kodierung mehrerer Auflösungen (z.b. "Detail on Demand") Kompression Systematik Folie 20

21 Physikalische Kompression Reduktion der Datenmenge durch weniger redundante Kodierung Beispiel: Run-Length-Encoding (RLE) Logische Kompression Verwendung einer Tabelle von Abkürzungen für wiederkehrende Datensequenzen. Beispiel: Lempel-Ziv-Welch (LZW ) Kompression Methodik Folie 21

22 Symmetrische Kompression Verfahren verwendet wird für Kompression und Dekompression nahezu denselben Algorithmus. Zeitaufwand für Kompression und Dekompression etwa gleich. Beispiel: LZW & RLE Kompressions-Asymmetrische Kompression Kodierung deutlich aufwendiger als Dekodierung Beispiel: JPEG, MPEG wird einmal erstellt und von vielen Benutzern verwendet Dekompressions-Asymmetrische Kompression Dekodierung aufwendiger als Kodierung komprimierte Bilder werden selten verwendet (z.b. Archivierung) Kompression Methodik Folie 22

23 Adaptive Kodierung Abstimmung auf die Art der zu komprimierenden Daten, z. B. logisches Kompressionsverfahren mit vorgegebener Abkürzungstabelle Nichtadaptive Kodierung Keine Annahmen über die zu komprimierenden Daten Komprimierung erzielt abhängig vom Ausgangsmaterial unterschiedlich gute Ergebnisse Halbadaptive Kodierung Zweistufiges Verfahren: Erstellung einer Abkürzungstabelle Kodierung durch die Tabelle Kompression Methodik Folie 23

24 Verlustfreie Kompression Entfernt keine Informationen aus dem Datenbestand Wiederherstellung der ursprünglichen Daten aus einer komprimierten Datei ist vollständig möglich Beispiele: Run-Length-Encoding (RLE) Lempel-Ziv-Welch (LZW ) Huffmann Codierung CCITT ZIP Verlustbehaftete Kompression Die dekomprimierte Datei ähnelt nur der Ausgangsdatei Informationsverlust! Beispiele: Joint-Picture-Experts-Group ( JPEG) Motion-Picture-Experts-Group (MPEG) Die verlustbehaftete Kompression ist nur bei Daten möglich, die für menschliche Sinnesorgane bestimmt sind. Aufgrund der Tätigkeit unseres Gehirns kann man bei Bildern, Audio- und Videodaten Informationen entfernen, ohne dass dies den subjektiven Eindruck verschlechtert. Kompression Methodik Folie 24

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