JPEG, MPEG & Co. - Alex Titze. JPEG, MPEG & Co. Alex Titze Referat WS 2004 Konzepte Interaktiver Medien FHTW Berlin.

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1 JPEG, MPEG & Co. Alex Titze Referat WS 2004 Konzepte Interaktiver Medien FHTW Berlin Seite 1 von 12

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung (Abstract) Deutsch English 3 2 JPEG Geschichte Überblick Komprimierungsablauf Umwandlung des Farbformats Diskrete Cosinus Transformation (DCT) Quantisierung Koeffizientenkodierung Dekomprimierungsablauf Schwächen 7 3 MPEG Überblick Komprimierungsablauf Die drei Bildarten Zusätzliche Komprimierung 10 4 Ausblick 11 5 Quellenverzeichnis 12 Seite 2 von 12

3 1. Einleitung (Abstract) 1.1 Deutsch JPEG (Joint Photographic Expert Group) war in den Achtziger Jahren eine Gruppe von Entwicklern, die sich mit einem Standard zur verlustbehafteten Komprimierung von Bildern beschäftigte. Mit dem JPEG-Algorithmus ist es möglich Bildkomprimierungsraten bis zu 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust zu erzeugen. Die Komprimierungsqualität ist vom Benutzer per Konfigurationsparameter beeinflussbar. Zur Komprimierung von Bewegtbildern wurde anfang der Neunziger Jahre ein Standard entwickelt (MPEG Motion Picture Expert Group). MPEG benutzt die Grundalgorithmen der JPEG-Komprimierung, allerdings wird aufgrund von Ähnlichkeiten aufeinanderfolgender Bilder zusätzlich komprimiert. Im Laufe der Zeit entstanden mehrere MPEG-Formate für verschiedene Einsatzgebiete. 1.2 English In the mid eighties, a group of developer, called JPEG (Joint Photographic Expert Group), were involved in inventing a standard for lossy image compression. The JPEG algorithm allows creating image compression rates up to 20:1 without noticeable loss of quality. The quality of compression is configurable by the user per configuration parameters. In the beginning of the nineties, a standard for compressing moving images has been developed (MPEG Motion Picture Expert Group). MPEG uses the main algorithm of JPEG compression and additionally further compression because of affinities of back-to-back images. In the course of time several MPEG formats for different fields of applications have been developed. Seite 3 von 12

4 2. JPEG 2.1 Geschichte Um Bilder auf Datenträgern digital abspeichern zu können sind grosse Datenmengen nötig. Mit intelligenten Algorithmen ist es möglich, diese Datenmengen erheblich zu verkleinern. Aus diesem Grund machte man sich in den Achtziger Jahren Gedanken, einen Standard zur verlustbehafteten Bildkompression zu schaffen. Infolgedessen wurde 1984 die Joint Potographic Expert Group (JPEG) gegründet. Ziele dieses Projektes waren: eine Bildkompression mit akzeptabler Komplexität Unabhängigkeit von der Bildbeschaffenheit vom Benutzer beeinflussbare Bildqualität/Kompression Im Jahre 1993 wurde ein ISO-Standard für das Ergebnis dieses Projekts definiert, der ISO Die korrekte Bezeichnung für Bilder, die mit JPEG komprimiert werden ist JFIF (JPEG File Interchange Format). In der Umgangssprache hat sich diese Bezeichnung allerdings nie durchgesetzt. 2.2 Überblick Mit der JPEG-Komprimierung hat man die Möglichkeit in 3 verschiedenen Farbformaten zu speichern: 8 Bit Graustufen mit 256 Grautöne 24 Bit RGB mit 16,7 Millionen Farben (geeignet für Bildschirmausdrucke) 32 Bit CMYK mit 4,3 Milliarden Farben Die maximale Auflösung eines JPEG-Bildes beträgt 65535x65535 Pixel. Diese Einschränkung ist natürlich ein Nachteil dieses Verfahrens, auf das später noch hingewiesen wird (2.5 Schwächen). Seite 4 von 12

5 Die Beeinflussung der Komprimierung durch den Benutzer erfolgt durch 2 weitere Speicheroptionen: Kompressionsstärke (meistens ein Wert von 1-100) Format sequentiell progressiv hierarchisch Während im sequentiellen Format der Bildaufbau von oben nach unten erfolgt, wird im progressiven Format das Bild in Stufen stetig verbessernder Qualität aufgebaut. Das dritte Format, also das hierarchische Format, basiert grundsätzlich auf dem progressiven Grundsatz, allerdings unter Verwendung von Vorhersagealgorithmen. Aufgrund verschiedener intelligenter Komprimierungsschritte ist mit dem JPEG-Format ist eine Kompression von 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust möglich. Im folgenden Beispiel sieht man die verschiedenen Kompressionsraten eines JPEG-Bildes: Abb.1: Beispiel verschiedener JPEG-Kompressionraten Seite 5 von 12

6 2.3 Komprimierungsablauf Umwandlung des Farbformats Im 1. Schritt, der Umwandlung des Farbformats, erfolgt kein zwangsläufiger Qualitätsverlust, eher ein Informationsverlust. Das menschliche Auge nimmt Helligkeitsveränderungen eher wahr als Farbveränderungen. Diese Eigenschaft wird ausgenutzt, indem man das ursprüngliche RGB-Farbformat in das YUV-Format umwandelt. Das YUV-Farbformat wird deshalb verwendet, da dort Helligkeits- und Farbewerte getrennt vorliegen Diskrete Cosinus Transformation (DCT) In der Diskreten Cosinus Transformation, die verwandt ist mit der Fourier Transformation, wird das Bild in 8x8 Pixel-Blöcke aufgeteilt. Jeder Block wird durch eine Funktion von 64 orthonormierten Vektoren beschrieben und es entstehen deutlich kleinere Werte. Das folgende Beispiel zeigt die Werte vor und nach der DCT: Abb.2: Diskrete Cosinus Transformation (vorher) Abb.3: Diskrete Cosinus Transformation (nachher) Seite 6 von 12

7 2.3.3 Quantisierung Bei der Quantisierung erfolgt der eigentliche Komprimierungsprozess, bei der die in der DCT entstandenen Koeffizienten anhand einer Quantisierungstabelle gerundet werden. Hierbei kommt dann auch der bereits erwähnte Komprimierungsfaktor ins Spiel. Je höher dieser ist, desto mehr wird gerundet, dementsprechend weniger gerundet wird bei einem kleineren Komprimierungsfaktor. Bei diesem Runden entstehen viele 0-Werte, da die Werte mitunter sehr klein sind Koeffizientenkodierung In diesem letzten Schritt der JPEG-Komprimierung wird die Vielzahl der in der Quantisierung entstandenen Nullen ausgewertet. Es ist nicht sinnvoll diese Werte einfach abzuspeichern. Deshalb wird hier nur die Häufigkeit ihres Auftretens abgespeichert. Dadurch wird abermals Speicherplatz gewonnen. In diesem 4. Schritt der Komprimierung handelt es sich allerdings um eine verlustlose Kompression. 2.4 Dekomprimierungsablauf Der Dekomprimierungsablauf erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Der DCT heisst in diesem Fall IDCT (Inverse Diskrete Cosinus Transformation), bei dem unter Umständen Abweichungen der Werte durch Rundungsfehler entstehen können. Das Ergebnis ist dann natürlich wieder das ursprüngliche JPEG-Bild. 2.5 Schwächen Die grosse Schwäche der JPEG-Komprimierung ist die Unabhängigkeit der 8x8 Blöcke bei der Diskreten Cosinus Transformation. Hierbei werden sämtliche Berechnungen nur im Bezug auf diesen Block berechnet, wie auch die Helligkeitsermittlung. Dadurch entstehen bei hohen Kompressionsraten sogenannte Mosaikeffekte. Mit dem später entwickelten JPEG2000 Verfahren kann dieses Problem umgangen werden, da dort anstelle der DCT eine Wavelet-Transformation verwendet wird. Seite 7 von 12

8 3. MPEG Es liegt nun die Vermutung nahe, dass die Aneinanderreihung von JPEG- Bildern einen MPEG-Datenstrom ergibt. Das ist grundsätzlich richtig, allerdings kann durch weitere Verfahren zusätzlich komprimiert, also mehr Speicherplatz gewonnen werden. 3.1 Überblick Ermutigt durch die erfolgreiche Arbeit der JPEG-Arbeitsgruppe entstand Anfang der Neunziger Jahre die MPEG (Moving Pictures Expert Group) um eine Normierung für Bewegtbild- und Audiokompression zu schaffen wurde der erste MPEG-Standard, MPEG-1, entwickelt. Dieser hatte als Zielanwendung multimediale Software auf CD-ROM (optimiert für Single- Speed CD-ROM's bei einer Geschwindigkeit von 1,4 Mbit/s). Im Laufe der Zeit wurden die Nachteile in punkto Qualität und Geschwindigkeit offensichtlich. Ein weiterer Nachteil war die konstante Geschwindigkeit beim Auslesen der Daten eines MPEG-Datenstroms. Dies führte dazu, dass sich die Entwickler einige Jahre später, nämlich 1992, einen neuen Standard definierten, den MPEG-2 Standard. Dieser hatte als Zielgebiet den TV-Bereich, da man dort zunehmend an Digitalisierung von Bewegtbilddaten und deren Übertragung interessiert war. Mit MPEG-2 war eine Übertragung in Fernsehstudioqualität mit 8Mbit/s möglich. Ein grosser Vorteil dieses Standards war die Möglichkeit der variablen oder adaptiven Datenraten beim Auslesen eines MPEG-Datenstroms. Doch auch dieser Standard kam an seine Grenzen als sich Ende der Neunziger Jahre das Internet stark verbreitete und der Ruf nach Videostreaming grösser und grösser wurde. Ausserdem war MPEG-2 nicht geeignet für interaktive multimediale Anwendungen. Aufgrunddessen wurde 1999 der MPEG-4 Standard ins Leben gerufen. Dieser zeichnet sich durch sehr geringe Bit- und hohe Kompressionsraten aus und war deshalb ideal für interaktive Multimediaanwendungen und Videostreaming über das Internet geeignet. Technisch gesehen werden bei der Erstellung eines MPEG-4 Datenstroms die Szenen in audiovisuelle Objekte aufgeteilt. Danach folgten weitere Standards wie der MPEG-7 und der MPEG-21 Standard. Bei MPEG-7 handelt es sich um die erste standardiesierte audiovisuelle Beschreibungssprache, die eine abstrahierte Beschreibung von Inhaltsmerkmalen wie z.b. Multimedia Browsing und Navigation beinhaltet. MPEG-21 ist die Erweiterung des MPEG-7 Standards um ein Framework, welches zur Übertragung multimedialer Inhalte von einem Medium zu einem anderen relevanten Aspekt dient. Seite 8 von 12

9 3.2 Komprimierungsablauf Die drei Bildarten Wie man sich denken kann basiert die MPEG-Technologie auf den Grundtechniken der JPEG-Komprimierung, allerdings besteht zwischen 2 aufeinanderfolgenden Bildern eines Filmes eine hohe Ähnlichkeit (Korrelation). Deshalb wird bei der Kodierung eines Filmes in drei verschiedenen Einzelbildern unterschieden: I-frames P-frames B-frames Bei den I-frames handelt es sich um eigenständige Bilder, ähnlich wie einzelne JPEG-Bilder. Diese treten regelmäßig auf, damit der Decoder nach dem Szenenwechsel an diesem Bild aufsetzen kann. Diese Bilder werden ausserdem zum Verhindern von aufsummierten Rundungsfehlern verwendet. Die P-frames (predicted frames) handelt es sich um Vorhersagebilder, die lediglich die Differenz zum vorherigen Bild speichern. Die B-frames (bidirectional frames) werden ausgehend von einem nachfolgenden und einem vorhergehenden Bild berechnet. Hier ein Beispiel für ein B-frame, in dem deutlich die Komprimierungsmöglichkeiten sichtabr werden: Abb.4: B-frame Seite 9 von 12

10 Ein MPEG-Datenstrom besteht somit aus einer sogenannten Sequenz von Groups-Of-Pictures (GOP) mit I-, P- und B-frames. Im folgenden Bild sieht man eine typische Anordnung von Groups-Of-Pictures: Abb.5: Die drei Bildarten in typischer Anordnung Wie somit offensichtlich erkennbar ist mit diesen 3 verschiedenen Bildern eine deutlich höhere Komprimierung der Einzelbilder möglich Zusätzliche Komprimierung Wenn man sich in einem Film eine Kamerabewegung vorstellt, dann kann man sich denken, das viele starre Objekte an dem Platz bleiben, an dem sie sich von Beginn an befunden haben. Befinden sich nun mehrere solcher starren Objekte in einer Filsequenz mit Kameraschwenk, so ist deren Bewegung immer gleich. Dies wird im MPEG mittels Motion Compensation zur weiteren Komprimierung ausgenutzt. Seite 10 von 12

11 4. Ausblick Meiner Meinung nach wird Komprimierung in der Informatik auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Multimediale Anwendungen und Videoübertragungen über das Internet verlangen immer grössere Bitraten und somit auch höhere Kompressionraten bei möglichst wenig Qualitätsverlust. Selbst der Aspekt, dass immer mehr Menschen Breitband- Internetverbindungen benutzen wird nicht zu Zufriedenheit mit jetzigen Technologien führen, da mit zunehmenden Übertragungsraten auch der Drang nach mehr Möglichkeiten ensteht und somit das ganze proportional miteinander wachsen wird. JPEG und MPEG legten dabei eines Grundstein für Bild- und Videokomprimierung. Es bleibt offen, welche neuen Technologien den Markt erstürmen werden, allerdings wird es schwer werden bewährte Formate abzusetzen, wie im Beispiel von JPEG und JPEG2000 zu sehen ist. Trotz der Vorteile von JPEG2000 gegenüber seinem Vorgänger, ist es bisher nicht gelungen, dessen Platz einzunehmen. Dies ist auch darauf zurückzuführen, dass bekannte Softwarehäuser mit ihren Produkten, wie z.b. Browser- Anwendungen, bisher nicht standardisiert diese Formate unterstützen und somit die Verbreitung dieser behindern. Seite 11 von 12

12 5. Quellenverzeichnis JPEG: JPEG: Grafikformate: Der digitale Standard: MPEG: Wofür steht MPEG?: MPEG: Der MPEG-4 Multimedia-Standard: Bild- und Videokompression: Seite 12 von 12