JPEG, MPEG & Co. Alex Titze Angewandte Informatik FHTW-Berlin

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Damian Steinmann
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1 Referat KIM Alex Titze Angewandte Informatik FHTW-Berlin

2 Einleitung JPEG Geschichte & Überblick Komprimierungsablauf Farbformat DCT (Diskrete Cosinus Transformation) Quantisierung Koeffizientenkodierung Dekomprimierungsablauf Schwächen Seite 2 von 26

3 Einleitung 2 MPEG Überblick MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 MPEG-7, MPEG-21 MPEG Komprimierung Ansätze die 3 Bildarten Zusammenfassung und Ausblick Seite 3 von 26

4 JPEG Geschichte JPEG (Joint Photographic Expert Group) Eigentliche Bezeichnung: JFIF (JPEG File Interchange Format) 1984 Gründung der JPEG Grund: Entwicklung eines Standards für verlustbehaftete Bildkomprimierung Ziele: Bildkompression mit akzeptabler Komplexität, Unabhängigkeit von der Bildbeschaffenheit, vom Benutzer beeinflussbare Bildqualität/Kompression Definition des Standards 1993 (ISO 10918) Seite 4 von 26

5 JPEG Überblick JPEG-Speicherung in 3 verschiedene Farbformate 8 Bit Graustufen -> 256 Grautöne 24 Bit RGB -> 16,7 Millionen Farben (Bildschirmausdrucke) 32 Bit CMYK -> 4,3 Milliarden Farben Maximale Auflösung: x Pixel 2 weitere Speicheroptionen Kompressionsstärke progressiv (detailbasierter Bildaufbau), sequentiell (Bildaufbau von oben nach unten) oder hierarchisch (Vorhersageform des progressiven Modus) Kompressionsraten bis 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust möglich Seite 5 von 26

6 JPEG Komprimierung 1. Schritt: Farbformat kein zwangsläufiger Qualitätsverlust -> Informationsverlust Informationseinsparung an Stellen, die das Auge nicht so einfach registieren kann erst Farbe, dann Helligkeit deshalb Umwandlung von RGB nach YUV (Helligkeit und Farbe getrennt) Seite 6 von 26

7 JPEG Komprimierung 2. Schritt: Diskrete Cosinus Transformation Verwandt mit der Fourier-Transformation Aufteilung in 8x8 Pixelblöcke Jeder Block wird durch eine Funktion von 64 orthonormierten Vektoren beschrieben Eingabe: Nach DCT: Seite 7 von 26

8 JPEG Komprimierung 3. Schritt: Quantisierung eigentlicher Komprimierungsprozess Rundung von DCT-Koeffizienten nach Quantisierungstabelle Hier kommt der Kompressionsfaktor ins Spiel je höher, desto mehr gerundet je niedriger, desto weniger gerundet je mehr gerundet, desto mehr 0-Werte -> Koeffizientenkodierung Seite 8 von 26

9 JPEG Komprimierung 4. Schritt: Koeffizientenkodierung weitere, allerdings verlustlose Kompression in der Quantisierung häufig entstandene Nullen: werden nicht gespeichert Anzahl Ihres Auftretens zwischen vorhandenen Werten wird gespeichert -> Speicherplatzgewinnung Seite 9 von 26

10 Original, Qualität 100, 50kB JPEG Beispiel Qualität 75, 16kB Qualität 25, 7kB Qualität 5, 2kB Seite 10 von 26

11 JPEG Dekomprimierung Abarbeitung aller 4 Schritte der Komprimierung in umgekehrter Reihenfolge Resultat: fertiges Bild Seite 11 von 26

12 JPEG Schwächen Unabhängigkeit der 8x8 Blöcke bei der DCT Helligkeitsermittlung pro Block -> Mosaikbildung bei hohen Kompressionsraten Abhilfe: JPEG2000 -> Verwendung von Wavelet-Transformation anstatt der DCT -> anschliessender Vortrag Wavelet/JPEG2000 Seite 12 von 26

13 JPEG->MPEG Logische Schlußfolgerung: viele JPEG-Bilder = MPEG-Video?!?...naja, fast: JPEG + GOP + Motion Compensation = MPEG-Video Seite 13 von 26

14 MPEG Überblick MPEG-1 ermutigt durch JPEG-Arbeitsgruppe -> Start eines Normierungsprojekts für Bewegtbild- und Audiokompression (MPEG Moving Pictures Expert Group) 1990 Videokompressionsstandard MPEG-1 Zielanwendung: multimediale Anwendungen auf CD-ROM Nachteil: VHS-Qualität Vorgesehen für Single Speed CD-ROM (1,4 Mbit/s) Konstante Geschwindigkeit beim Auslesen der Daten -> MPEG-2 Seite 14 von 26

15 MPEG Überblick MPEG Einführung des MPEG-2 Standards Zielanwendung: TV-Bereich erlaubt variable oder adaptive Datenraten liefert digitale Fernsehstudioqualität bei 8 Mbit/s Nachteil: Nicht geeignet für interaktive, multimediale Anwendungen -> MPEG-4 Seite 15 von 26

16 MPEG Überblick MPEG Einführung des MPEG-4 Standards Aufteilung der Szenen in audiovisuelle Objekte zeichnet sich durch geringe Bit- und hohe Kompressionsraten aus Seite 16 von 26

17 MPEG Überblick MPEG-7, MPEG-21 MPEG-7 ist erste standardisierte audiovisuelle Beschreibungssprache beinhaltet abstrahierte Beschreibung von Inhaltsmerkmalen (Multimedia Browsing, Navigation,...) MPEG-21 ist die Erweiterung vom MPEG-7 um einen Framework- Standard dient zur Übertragung multimedialer Inhalte von einem Medium zu einem anderen relevanten Aspekt Seite 17 von 26

18 MPEG Komprimierung Die 3 Bildarten basiert im wesentlichen auf Grundtechniken von JPEG zwischen 2 aufeinanderfolgenden Bildern eines Filmes besteht hohe Korrelation (Ähnlichkeit) Kodierung von 3 verschiedenen Arten von Einzelbildern I-frames P-frames B-frames MPEG-Datenstrom besteht also aus einer Sequenz von groupsof-pictures (GOP) mit I-, P- und B-frames Seite 18 von 26

19 MPEG Komprimierung Die 3 Bildarten I-frames eigenständige Bilder (ähnlich wie einzelne JPEG-Bilder) tauchen regelmäßig auf, damit Decoder nach Szenenwechsel an diesem aufsetzen kann zur Vermeidung von aufsummierten Rundungsfehlern P-frames predicted (vorhersagen) enthalten lediglich Differenz zum vorherigen Bild B-frames bidirectional werden ausgehend von einem vorherigen und nachfolgenden Bild berechnet Seite 19 von 26

20 MPEG Komprimierung Die 3 Bildarten Hier ein Beispiel B-frames Seite 20 von 26

21 MPEG Komprimierung Die 3 Bildarten typische Anordnung von groups-of-pictures I0 B1B2B3 P4 B5B6B7 P8 durch diese verschiedenen Bilder ist eine deutlich höhere Kompression der Einzelbilder möglich Seite 21 von 26

22 MPEG Komprimierung zusätzlich entsteht Korrelation durch gemeinsame Bewegung oder Kameraschwenk dafür wird Motion Compensation zur weiteren Kompression ausgenutzt Seite 22 von 26

23 Zusammenfassung JPEG zur Komprimierung von Bildern bis zu 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust JPEG beinhaltet effizienten, allerdings etwas eingestaubten Algorithmus -> besser JPEG2000 JPEG-Komprimierungsqualität ist vom Benutzer konfigurierbar JPEG ist weit verbreitet und im Internet standardisiert Seite 23 von 26

24 Zusammenfassung MPEG beinhaltet Grundsätze der JPEG-Komprimierung zusätzlich wird wegen Korrelation (Ähnlichkeit) von aufeinanderfolgenden Bildern komprimiert im Laufe der Zeit entstanden mehrere MPEG-Formate für verschiedene Einsatzgebiete MPEG-1 -> CD-ROM MPEG-2 -> TV MPEG-4 -> interaktive MM-Anwendungen (Internet) MPEG-7, MPEG-21 -> Multimedia Browsing / Framework Seite 24 von 26

25 Ausblick Komprimierung von Daten auch in Zukunft wichtiges Thema JPEG und MPEG legten Grundstein für Bild- und Videokomprimierung Vorteil von JPEG ist die weite Verbreitung und Akzeptanz -> Wie lange noch? Seite 25 von 26

26 Ende Vielen Dank für Ihre/Eure Aufmerksamkeit! Seite 26 von 26

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