JPEG - Kompression. Steffen Grunwald, Christiane Schmidt, Stephan Weck TIT01EGR BA-Mannheim 21. Mai 2002

Ähnliche Dokumente
Grafikformate. Grafikformate. Digitale Bildverarbeitung Bildkompression

Grafikformate: JPG - PNG

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

Proseminar Datenkomprimierung Dr. U. Tamm. JPEG - Kompression WS 2002/03. Torsten Zichner

'LJLWDOH%LOGHUXQG'DWHLIRUPDWH

Bilddatenformate BMP GIF JPG. Digitale Bildverarbeitung Liedtke 7.1. Bezeichnung: Microsoft Windows Bitmap, BMP, DIB

Verlustbehaftete Kompression. JPEG: Joint Photographic Experts Group

U6: Webgerechte Bilder

Bildkompression InTh, 2005, JPEG, Hak, Rur, 1

Grafikformate. Grafikformate. Digitale Bildverarbeitung Bildkompression

Tagged Image File Format. Im Printbereich neben EPS sehr verbreitet.

Digitale Bildverarbeitung (DBV)

10%, 7,57 kb 20%, 5,3 kb 30%, 4,33 kb 40%, 3,71 kb 50%, 3,34 kb. 60%, 2,97 kb 70%, 2,59 kb 80%, 2,15 kb 90%, 1,62 kb 99%, 1,09 kb

Multimediatechnik / Video

Diskrete Cosinustransformation (DCT)

Algorithmen und Datenstrukturen (für ET/IT)

Bildschirmauflösungen im Vergleich (verkleinert!)

Image Compression. Kompression. Beseitigung der unnötigen Daten... Redundanz. Vorlesung FH-Hagenberg SEM. Backfrieder-Hagenberg. Backfrieder-Hagenberg

Grafikformate. Auflösung Farbtiefe Farbmodelle

Kompression. Kompression. Beseitigung der unnötigen Daten... Redundanz. Folie 2

Image Compression. Kompression. Beseitigung der unnötigen Daten... Redundanz. Vorlesung FH-Hagenberg SEM. Backfrieder-Hagenberg. Backfrieder-Hagenberg

Eine verlustbehaftete Komprimierung ist es, wenn wir einige Kleidungsstücke zu

1 Einführung. Bildformate Analyse der LSB-Ersetzung Weitere steganographische Algorithmen. Syndromkodierung in der Steganographie

DIGITALISIERUNG VON BILDERN. Ivana

DCT: Diskrete Kosinus-Transformation

Digitale Bilder. Ein Referat von Jacqueline Schäfer und Lea Pohl Am

Diskrete Cosinus-Transformation (DCT)

Digital Imaging Einführung

ffl Die Portable Bitmap Utilities (PBM) manipulieren monochrome Bilder. ffl Die Portable Greymap Utilities (PGM) manipulieren Grauwert-Bilder.

J.P.E.G. Standard. J.P.E.G. Eigenschaften. J.P.E.G. System. JPEG Verschlüsselungsschritte. Farbmodell

Image Compression. Vorlesung FH-Hagenberg DSB

Algorithmen und Datenstrukturen (für ET/IT)

Bildbearbeitung: Grafikformate II und Farbmodelle

5 JPEG. 5.1 Bayer Filter. 5.2 Überblick. 5.3 Diskrete Cosinus-Transformation. 5.4 Bildmodell. 5.5 Codierung. 5.6 Übertragungsmodi

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

Name: «Nachname», «Vorname»

Proseminar Datenkomprimierung Dr. U. Tamm. Bildkompression WS 2002/03. Florian Strunk

Datenkompression. 1 Allgemeines. 2 Verlustlose Kompression. Holger Rauhut

Independent JPEG Group. JPEG Software Tools

JPEG Kompression technische Realisierung

Verlustbehaftete Kompression. Verfahren zur verlustbehafteten Bildkodierung (auch verlustfreier Modus vorhanden)

Lossy Bildkompression: Techniken und Bildqualität

5. Licht, Farbe und Bilder

Hauptdiplomklausur Informatik Februar 2006: Multimedia Systems

Bitmap-Grafikformate

Grafikformate. digitale Bilddateien. Andre Hoffmann - HS Bremerhaven - SoSe 2005

Einführung Aufgabe 3 - MPEG. Tobias Reinsch 2011

Einführung Medienforscher Aufgabe 3 - MPEG. Tobias Reinsch 2011

compressed domain image retrieval

Datenbanken und Informationssysteme. Bildbearbeitung. DI (FH) Levent Öztürk

VISUELLER CONTENT FÜR IHRE WEB- PROJEKTE: FINDEN, OPTIMIEREN, SPEICHERN W O R K S H O P,

Kennen, können, beherrschen lernen was gebraucht wird

Sitzung: Bilder für das WWW

Datenbanken und Informationssysteme. Bildbearbeitung. DI (FH) Levent Öztürk

Bildkompression Proseminar Datenkompression Daniel Koch

, Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2006w-MMK-D-VoD.fm, ]

Grafikformate Ein kurzer Überblick

Grafikformate Ein kurzer Überblick

Kodierung und Komprimierung von Bilddaten

Farbtiefe. Gängige Farbtiefen

Kompressionsverfahren

JPEG. Seminar: Kompressionsalgorithmen. Ruslan Ragimov. 5. September 2012

EDV-Anwendungen im Archivwesen II

DIGITALE VIDEO KOMPRESSION AM BEISPIEL DES JPEG-VERFAHRENS

Kompressionsverfahren

Grundlagen digitaler Bildbearbeitung

Bildgrösse Millionen Farben. Breite in Pixel Höhe in Pixel Farbtiefe in Bit : 8 = Bildgrösse in Byte

Universität Trier. Fachbereich IV. Wintersemester 2004/2005. Wavelets made easy. Kapitel 2 Mehrdimensionale Wavelets und Anwendungen

Kap.4 JPEG: Bildkompression. Ziel: Gegeben sind Daten y R N. Bestimme C R N N mit C C T = I, so dass x = C y dünbesetzt ist.

6. Licht, Farbe und Bilder

Einführung in die Medieninformatik 1

Digitalisierung. analoges Signal PAM. Quantisierung

Mathematische Methoden der graphischen Datenverarbeitung

Animation und Multimedia

Multimediatechnik / Video

Digitale Fotografie für das Web Wintersemester 2013/2014 MEINF4330

6. Licht, Farbe und Bilder

4. Licht, Farbe und Bilder

Graphikformate Ein kurzer Überblick

Bildbearbeitung mit Gimp

Beispielhafte Testfragen (auch aus Schülerreferaten, Fragen können redundant sein, keine Audio Kompression berücksichtigt):

1.2.1 Analoges Speichern auf Vinyl Erläutern Sie die prinzipielle Funktionsweise von Langspielplatten bzw. Plattenspielern.

Verlustfreie Kompressionsverfahren. RLE, LZW, Huffmann, CCITT, ZIP

Abbildtreue und Kompression gescannter Dokumente bei PDF/A

Digitale Bilddateien

Digitales Video I. Wie wird Video am Computer codiert? Bilder. Bewegte Bilder. Ton. Videoformate. Auflösung Speicherung am Computer

16. März Kommunikation der Universität Basel. Das digitale Bild. Bildaufbau Bildformate. Matthias Geering, Sprache & Kommunikation 1

Schnelle Ladezeiten sind das A & O für eine gelungene Website

6. Licht, Farbe und Bilder

Der MS - PHOTOEDITOR

Kompression und Datenformate. Grundlagen der Bildspeicherung, Kompressionsverfahren, Datenformate

IT- und Medientechnik

Kompressionsverfahren- JPEG 2000

Eike Müller. Kompression-Algorithmen für Bilder. 3. Juli 2013

TU Dortmund I Raumplanung I Geographische Analyse- und Darstellungsmethoden I Übung von Valeria Borjak GIF Animations

Datenkompressionsverfahren für mobile Endgeräte

Graphische Datenverarbeitung

Panorama der Mathematik und Informatik

RAW vs. JPEG Eine Glaubensfrage?

Transkript:

JPEG - Kompression Steffen Grunwald, Christiane Schmidt, Stephan Weck TIT01EGR BA-Mannheim 21. Mai 2002 Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung von JPEG 2 1.1 Was heisst und was ist JPEG?................... 2 1.2 Geschichte............................... 2 1.3 JPEG vs. GIF............................ 2 2 Funktionsweise 3 2.1 Kompressions Algorithmus...................... 3 2.1.1 RGB zu YUV......................... 5 2.1.2 Datenreduktion........................ 5 2.1.3 8 x 8 Aufteilung....................... 5 2.1.4 DCT - Discrete Cosinus Transformation.......... 5 2.1.5 Quantisierung......................... 5 2.1.6 Zick Zack........................... 5 2.1.7 Differential Impulse Code Modulation........... 5 2.1.8 Runlength Encoding..................... 7 2.1.9 Huffmann Encoding..................... 7 3 Anwendungsgebiete 7 4 Weiterentwicklung 7 4.1 JPEG 2000.............................. 7 1

1 Entwicklung von JPEG 1.1 Was heisst und was ist JPEG? Bei JPEG (kurz für Joint Photographic Expert Group) handelt es sich um ein Bildkomprimierungsalgorithmus, nicht um ein Dateiformat. Das zugehörige Dateiformat ist SPIF. Die Komprimierung von Bildern im JPEG Format ist verlustbehaftet - kaum wahrnehmbare Informationen werden dabei vernachlässigt. Mit dem JPEG zugehörigen Dateiformat JPEG File Interchange Format (JFIF) wurde ein minimaler Standard definiert, um den Austausch von JPEG komprimierten Bildern zwischen verschiedenen Plattformen und Anwendungen zu organisieren. Eine JFIF-Datei kann optional verkleinerte Bilder (sog. Thumbnails) zur Vorschau enthalten. 1.2 Geschichte Schon Ende der 70er-Jahre suchten Grafikspezialisten nach einem neuen Bildformat, das die Wünsche und Anforderungen grundsätzlich unterschiedlicher Anwendergruppen befriedigen sollte. Druckindustrie, PC- sowie Mac-Benutzer, Fotoprofis und Röntgenärzte wollten ein Bildformat, das quer über alle Betriebssysteme austauschbar ist. Zusätzlich sollte das Format eine möglichst hohe Anzahl von Farben oder Graustufen darstellen können, die Datenmenge ohne sichtbare Verluste stark reduzieren. Diese an sich gegensätzlichen Forderungen versuchte die Joint Photographic Experts Group, die dem JPEG-Format den Namen gab, zu erfüllen. Seit 1992 ist das JPEG-Verfahren zum weltweiten Standard in der Kompression von Farb- und Graustufenbildern geworden. Die wichtigsten Anforderungen bei der Entwicklung des JPEG-Formats lauteten: Das Format soll sich für möglichst viele unterschiedliche Einsatzbereiche eignen. Die Bildqualität und der Kompressionsfaktor soll die Grenze des während der Entwicklung technisch Machbaren darstellen. Die Kompression muss unabhängig von Lage, Grö se oder Farbanzahl des Bildes sein. Die mathematische Komplexität des Kompressionsalgorithmus soll gleichzeitig so gering wie möglich sein. Der Algorithmus muss auch in Hardware einfach zu realisieren sein (z.b. für Kompressionschips). Die Bildqualität soll durch die Auswahl eines Kompressionsfaktors einstellbar sein. 1.3 JPEG vs. GIF Das JPEG und das GIF Format sind die am häufigsten benutzten Standards im Internet. Beide sind für bestimmte Anwendungsarten vorteilhaft: GIF besitzt nur eine Farbtiefe von 8 bit. Deswegen müsssen die Farben eines Photos 2

Abbildung 1: Geeignete Bilder für GIF und JPEG reduziert werden. Die Speicherung ist jedoch verlustfrei - auch nach mehrmaligem Speichern. GIF eignet sich deshalb gut für die Anzeige von Liniengrafiken, Cartoons usw. sehen wesentlich besser aus als in JPEG. GIF unterstützt laut Standard Animationen, Transparenz (einer Farbe) und interlacing (wie JPEG Progressive Encoding). Da die Farbtiefe von JPEG 24 bit (3x8 bit, True Color) beträgt, ist JPEG gut für Fotografien geeignet - die von natur aus keine klaren Kanten zeigen - und komplexere Bilder, medizinische Aufnahmen und andere Bildtypen, bei denen die Kompressionsartifakte die Bildqualität nicht zu stark beeinflussen. JPEG ist nicht geeignet für Bilder, die nur wenige hundert Pixel enthalten (grösser als GIF). Bei grossen Bildern ist bei akzeptabler Qualität die Datei kleiner als bei GIF. Vorteile 16,7 Mio. Farben Kompressionsraten von 1/10 und 1/30 möglich, ohne sichtbare Qualitätseinbuen machen zu müssen keine Copyright Merkmale anerkannter Standard kurze Kodier- und Dekodierzeit niedriger Speicherbedarf bei Kompression und Dekompression Nachteile Fehler bei hohen Kontrasten oder bei Details Bilder, die mit grossen Kompressionsraten erzeugt wurden, können unbrauchbar sein (zu grosse Blöcke) 2 Funktionsweise 2.1 Kompressions Algorithmus Der vollständige Vorgang beim speichern im JPEG Format, ist in Abb. 3 dargestellt. 3

Abbildung 2: Artifakte bei jpeg Abbildung 3: Kompressions Algorithmus 4

2.1.1 RGB zu YUV Da der Mensch Helligkeitsunterschiede besser erkennt als Farbunterschiede, geschieht die Kompression unter Berücksichtigung der Helligkeits und Kontrastwerte. Dazu werden die Pixelinformationen von Farbwerten (RGB) in das YUV Format umgewandelt. Y stellt dabei die Luminanz, U und V die Chrominanz dar. 2.1.2 Datenreduktion Hierbei werden häufig 2x2 Pixel betrachet. Der durchschnittliche Chrominazwert dieser 2x2 Matrix wird ermittelt und dem linken oberen Pixel zugeordnet. Man nennt dieses Verfahren 2h2v Reduktion. 2.1.3 8 x 8 Aufteilung Das Bild wird in Felder von je 8 X 8 Pixeln aufgeteilt. 2.1.4 DCT - Discrete Cosinus Transformation Die Diskrete Cosinus Funktion betrachtet die Werte der Pixel als Welle. Laut Fourier kann man sich einer Welle mit einer unendlichen Anzahl von Sinus (oder Cosinus) Wellen genau annähern. Die DCT findet Koeffizienten für jede der 8 x 8 Wellen. Die Wellen nehmen dabei von links oben nach rechts unten zu. F (u, v) = k(u, v) 2.1.5 Quantisierung 7 i=0 i=0 7 cos (2i + 1) uπ 16 cos (2j + 1) vπ 16 f(i, j) Bei der Quantisierung werden die Werte durch eine Qualitätsmatrix geteilt. Dabei entstehen kleinere Integer Werte, die leichter zu speichern sind. Die Qualitätsmatrix bestimmt die Qualität und die Grösse des JPEG Files. F Q F (u, v) (u, v) = Integer Round( Q(u, v) ) 2.1.6 Zick Zack Bei der Speicherung werden die Werte in Zick Zack Reihenfolge gespeichert. Diese bietet sich an, weil die rechten unteren Werte vernachlässigt werden können und sich so Speicherplatz einsparen lässt. 2.1.7 Differential Impulse Code Modulation Der erste Koeffizient gibt immer den Durschnittswert jeder Matrix an. Dieser ändert sich von Block zu Block nur wenig, deshalb wird jeweils der erste Koeffizient jeder Matrix in einem getrennten Datenstrom gespeichert, wobei nur die Änderung gespeichert wird. 5

Abbildung 4: Koeffizientenmatrix nach Quantisierung Abbildung 5: Zick Zack Reihenfolge beim Speichern 6

Abbildung 6: Speicherung der ersten Koeffizienten 2.1.8 Runlength Encoding Dabei werden angrenzende Felder mit gleichem Inhalt ersetzt durch zwei Symbole: Die Anzahl der sich wiederholenden Zeichen, und deren Länge Das sich wiederholende Zeichen 2.1.9 Huffmann Encoding Die nach der Runlength Enkodierung entstandene Folge von Symbolen wird mit der Huffmann Enkodierung weiter komprimiert. Hierbei werden häufig benutzte Zeichen durch kürzere Symbole ersetzt. 3 Anwendungsgebiete 4 Weiterentwicklung 4.1 JPEG 2000 JPEG2000 wird in vier Formaten eingeführt: Part 1: JP2 - der Standard JPEG2000 Part 2: JPX - JPEG2000 Extended Part 3: MJ2 - Motion JPEG2000 7

Abbildung 7: Bsp. Huffmann Enkodierung 8

Part 6: JPM - JPEG2000 for mixed raster content, die Kompression für Dokumente. Part 1 ist am 2. Januar 2001 als internationaler Standard verabschiedet worden. Bezüglich Part 4, Part 5 und Part 6 besteht noch keine Einigkeit. Mit den groben Mängeln von JPEG ist mit dem JPEG 2000 Bildformat Schluss. Es bietet um 30 Prozent höhere Kompressionsraten, so dass die blockförmigen Artefakte nun der Vergangenheit angehören. Durch die neu eingesetzte Wavelet-Kompression erscheinen die Bilder bei zu hohen Kompressionsraten lediglich schwammig oder verwischt. Bei dem neuen Format wurde auf hohe objektive und quantitative Bildqualität besonders Wert gelegt. 9