Kompression und Datenformate. Grundlagen der Bildspeicherung, Kompressionsverfahren, Datenformate

Transkript

1 Kompression und Datenformate Grundlagen der Bildspeicherung, Kompressionsverfahren, Datenformate

2 AGENDA 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 Digitale Speicherung von Bildern Digitalisierung Informationsgehalt Speicherbedarf

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

5 Optische Eingabe über Lichtsensoren CCD-Prinzip: Lichtabhängig gesammelte Ladung Digitalisierung der analogen Ladungszustände je eines CCD-Elementes für jeden Bildpunkt und jede Farbe Digitale Speicherung von Bildern Folie 5

6 Optische Eingabe über Lichtsensoren 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 6

7 Optische Eingabe über Lichtsensoren 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 Optische Eingabe über Lichtsensoren CCD-Chip, z.b. in einem Camcorder Digitale Speicherung von Bildern Folie 8

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

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

11 Quantisierung bei Bildern 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 Speicherplatzbedarf 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 Kompression von Multimediadaten Überblick, Systematik Verlustfreie Verfahren Verlustbehaftete Verfahren

14 Warum Kompression? 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 Redundanz = Datenvolumen -»Informationsgehalt«Video Bild Musik Animation Sprache Komprimierte Medien Vektorgrafik Text Kompression Systematik Folie 15

16 Entropie... 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 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