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JPEG

Siehe auch: Kodierung, Datenformate - TIFF - PSD - RAW - JPEG Artefakte


JPEG-Format

Das JPEG-Komprimierungsverfahren zhlt zu den verlustbehafteten Komprimierungstechniken. Zusammen mit dem GIF-Format ist es im Internet am hufigsten anzutreffen. JPEG steht fr Joint Photographic Expert Group, das ist eine Untergruppe der ISO, die das Verfahren 1990 standardisierte.

JPEG eignet sich besonders gut fr die Komprimierung 'natrlicher' fotorealistischer Abbildungen. Die verwendete Komprimierungstechnik basiert auf der diskreten Cosinus Transformation (DCT) in Verbindung mit der Huffmann-Kodierung.

Fr die Bilddaten, die mit dem JPEG-Verfahren komprimiert wurden, entwickelte man ein entsprechendes Datenformat, das JPEG File Interchange Format (JFIF), das es ermglicht, JPEG-kodierte Information zwischen inkompatiblen Computersystemen auszutauschen.

Die JPEG-Komprimierung ist ein asymmetrisches Komprimierverfahren, d.h. die Kodierung bentigt mehr Rechenzeit als die Dekodierung.

Es wird zwischen vier verschiedenen Modi unterschieden:

  • Sequential Mode: Das Bild wird in einem Durchgang von links oben nach rechts unten dekodiert. Dieser Modus ist fr die meisten Anwendungen gut geeignet und liefert gute Kompressionsraten.
  • Progressive Mode: Das Bild wird in mehreren aufeinander aufbauenden Durchgngen kodiert/dekodiert. Dabei wird das Bild Durchgang fr Durchgang schrfer dargestellt. Dieser Modus ist besonders gut fr die Datenkommunikation geeignet.
  • Hierarchical Mode: Neben den Bilddaten wird ein Thumbnail abgespeichert, dass fr eine Vorschau schneller dekodiert werden kann. Dieser Modus eignet sich gut fr Bilddatenbanken.
  • Lossless Mode: Dieser Modus kodiert im Gegensatz zu den anderen verlustfrei.


Mit der JPEG Komprimierung liegt eine sehr leistungsfhiges Komprimierungsverfahren vor, das den Informationsgehalt reduziert, indem es sich Eigenheiten des menschlichen Sehvermgens zu Nutze macht. Das Verfahren ist allerdings nicht besonders gut geeignet fr Grafiken und Zeichnungen. Die Komprimierungsraten liegen ungefhr bei 1:20 (im verlustfreien Modus 1:2). Duch den Verlust an Information ist das JPEG Verfahren nicht gut geeignet fr die maschinelle Analyse, z. B. in der medizinischen Bildbearbeitungen knnte es zu Fehldiagnosen fhren. (siehe auch JPEG Artefakte)

Der designierte Nachfolger des JPEG-Kodierverfahrens ist das JPEG2000-Kodierverfahren, das z. Z. den Standardisierungsprozess der ISO durchluft. Es basiert auf der sog. Wavelet-Komprimierung, sie gestattet eine Farbtiefe bis zu 48Bit. Weiterhin werden die Kodierung von aprupten Farbbergngen mit harten Kontrasten verbessert. Darberhinaus verfgt es ber Methoden der Fehlererkennung und -korrektur und bietet Mglichkeiten der schrittweisen, progressiven Datenbertrageung in Abhngigkeit von vorgegebenen Qualittsanforderungen sowie wahlfreien Zugriff auf den Datenstrom.

JPEG-Koprimierungsproze


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Der Komprimierungsproze erfolgt in vier Stufen:

  1. Farbkonversion und Sampling: Zunchst erfolgt eine Zerlegung der Farbkomponenten (ROT, GRN, BLAU) anteilig in die Bestandteile Luminanz (Helligkeit) und Chrominanz (Farbinformation). Das menschliche Auge ist weniger farbsensibel als helligkeitssensibel, somit kann die Farbinformation reduziert werden. Mit einem in der Norm CCIR/ITU601 festgelegten Verfahren wird die (RGB)-Information in die Komponenten Y (entspricht Helligkeit) und Cb (entspricht Blaukomponente) und Cr (entspricht Rotkomponente) transformiert. Bei diesem YCrCb-Farbmodell handelt es sich um eine spezielle Variante des YUV-Farbmodells.
    Im Bildzerlegungsproze (Sampling) werden nun die Cb- und Cr-Anteile mit einer geringeren Auflsung bestimmt als die Y-Komponente (gngig ist z. B. Y:Cb:Cr=4:1:1). So knnen also RGB-Pixel, die bei 24Bit Farbtiefe 8+8+8Bit bentigen auf 8(Y)+2(Cb)+2(Cr)=12Bit reduziert werden.

  2. Diskrete Cosinus Transformation: Mit Hilfe der DCT werden Intensittsdaten in Frequenzdaten transformiert. Es ist so eine Aussage darber mglich, wie schnell sich die Intensitt von Farb- und Helligkeitsinformation im Bild verndert. Zunchst wird das Bild in 8x8 Blcke zerlegt. Jede der Bildkomponenten (Y,Cr,Cb) wird im weiteren Verlauf separat abgearbeitet. Aufrund der unterschiedlichen Sampleraten haben die einzelnen Komponenten unterschiedlich viele Blcke. Die Pixel in einem solchen Block starten links oben (0,0) und enden rechts unten (7,7). Ein Bildpunkt (x,y) besitzt die Bildinformation f(x,y). Die DCT erzeugt nun einen neuen Block (u,v) mit der folgenden Transformation:

    Das Ergebnis dieser Transformation ist eine Frequenzraummatrix, die die Frequenzen- und Amplitudenverteilung fr den betrachteten Raum angibt. Groe gleichmssige Flchen schlagen sich als niedrige Frequenzen, kleine feine Details in den hohen Frequenzen nieder. Der duch die DCT neu entstandene Block F(u,v) enthlt an der Stelle F(0,0) den Mittelwert aller Werte des Blocks. F(1,0) gibt den Grad an, bei dem sich die Bildwerte in beide Richtungen langsam verndern, F(7,7) gibt die schnellen Vernderungen an. Da in einem natrlichen Bild scharfe Linien und abrupte Farbwechsel eher selten sind, sind die Werte der hheren Frequenzen eher sehr klein, und die niedrigeren eher hoch.

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  3. Quantisierung Die einzelnen Elemente eines solchen 8x8 Blocks werden nun quantisiert, d.h. sie werden durch eine bestimmten Wert Q(u,v) dividiert und auf eine ganze Zahl aufgerundet. Diese 64 verschiedene Quantisierungswerte Q(u,v) sind vom JPEG-Kommitee festgelegt (es knnen aber auch eigene mit in der Datei abgespeichert werden). Hohe Frequenzen, die bereits einen sehr niedrigen Wert haben, werden zu Null quantisiert. Bei den niedrigeren Frequenzen wird eine feinere Abstufung verwendet.
    Die Dekodierung erfolgt genau umgekehrt mit einer entsprechenden Multiplikation, allerdings knnen durch die Rundung die ursprnglichen Werte nicht exakt wiederhergestellt werden. Die Quantisierung ist der Grund fr den verlustbehafteten Charakter des JPEG-Verfahrens. Es wird die Eigenschaft des menschlichen Sehens ausgenutzt, dass unscharfe Kanten weniger auffllig sind als Fehler in der Helligkeitsverteilung.

  4. Eigentliche Komprimierung Die Werte der Elemente F(0,0) werden jeweils als Differenzen gespeichert, da aufeinanderfolgende Blcke meist hnliche Werte haben. Die restlichen F(1,0) bis F(7,7) werden im Zick-Zack-Verfahren niedergeschrieben, typischerweise die niedrigen Frequenzen zuerst und die hohen meist nullquantisierten zuletzt. Die Komprimierung erfolgt dann mittels einer modifizierten Huffmann-Kodierung.


  Letzte nderung: 05:45, 11. Okt 2009 von sukram muhimm . Basiert auf dem Text von Albert F. Mller und Marc S. und anderen. - Aufrufe: 39722
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