Bilddatenformat JPEG. Methode der Bildkompression, geschichtlicher Hintergrund und Anwendungsgebiete

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung
1.1 Erklärung des Themengebietes
1.2 Erläuterung der Problemstellung
1.3 Ausblick auf die gesamte Arbeit

2. Allgemeines zu JPEG
2.1 Definition JPEG
2.2 Verwendung von JPEG
2.3 Unterschiede zwischen JPEG und JPG

3. Kurzer geschichtlicher Hintergrund
3.1 Motivationen zur Entwicklung von JPEG
3.2 Zusammenfassung der Anforderungen an das Bilddatenformat

4. Kompressionsverfahren
4.1 Datenkompression im Allgemeinen
4.2 Verschiedene Kompressionsmodi bei JPEG
4.3 Schritte der JPEG-Kompression
4.3.1 Umwandlung von RGB in YUV
4.3.2 Subsampling/Unterabtastung
4.3.3 Indexverschiebung des Farbspektrums
4.3.4 Zweidimensionale Diskrete Kosinus Transformation (DCT)
4.3.5 Quantisierung
4.3.6 Umsortierung
4.3.7 Huffman-Codierung: Stochastische Auswertung

5. Vorteile und Nachteile von JPEG

6. Anwendungsgebiete
6.1 Anwendungsgebiete im Bereich der Bilddarstellung
6.2 Anwendungsgebiete im Bereich der Videodarstellung - MPEG

7. Fazit

8. Zusammenfassung

9. Tabellenverzeichnis

10. Abbildungsverzeichnis

11. Quellenverzeichnis
11.1 Analoge Literaturen
11.2 Digitale Literaturen

Kurzfassung

In der hier vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit wird das Bilddatenformat JPEG thematisiert. Das Augenmerk liegt hierbei auf dem speziellen Komprimierungsverfahren. Dieses wird Schritt für Schritt erklärt und verdeutlicht. Zudem werden allgemeine Informationen zum Thema JPEG behandelt wie zum Beispiel der geschichtliche Hintergrund, Vor- und Nachteile von JPEG oder auch Anwendungsgebiete von JPEG.

1. Einführung

1.1 Erklärung des Themengebietes

Eines der am weit verbreitetsten Bildformate ist das sogenannte JPEG-Format. Beispielsweise verwenden die meisten Amateurkameras zum Abspeichern der Bilder speichereffiziente JPEG- Dateien. Der geringere Speicherbedarf wird möglich durch die sogenannte „JPG-Qualität“ bzw. der „JPG-Kompression“, in welcher Bereiche gleicher Farbwerte zu einem Block zusammengefasst werden. Hierfür finden eine Reihe aufeinanderfolgender Kompressionsschritte statt, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

(vgl. Q. 2: henner.info, 23.04.2015)

1.2 Erläuterung der Problemstellung

Das JPEG-Verfahren ist ein verlustbehaftetes Verfahren, das heißt, dass Bildinformationen während der Kompression verloren gehen, was schlussendlich zu einer geringeren Qualität des Bildes führt. Hieraus ergibt sich das Problem, dass das Bild den gewünschten Anforderungen an Speicherbedarf und gleichzeitig einer ausreichenden Qualität entspricht.

1.3 Ausblick auf die gesamte Arbeit

In dieser wissenschaftlichen Arbeit wird ausschließlich das Datenformat JPEG thematisiert. Hierbei liegt das Augenmerk auf dem Verfahren der Bildkompression (sequentiell mod). Des Weiteren werden häufig gestellte Fragen über das Thema im Allgemeinen geklärt (siehe Inhaltsverzeichnis).

2. Allgemeines zu JPEG

2.1 Definition JPEG

Die Abkürzung JPEG bzw. JPG leitet sich aus dem Namen „Joint Photographic Experts Group“ ab. Dies ist eine Gruppe Firmen und Forschungsinstitute, welche sich Anfang der 90er Jahre zusammenschlossen und diesen Standard für das Speichern digitaler Bildmedien festlegte. Hierbei steht das speichereffiziente Speichern von Bildern im Vordergrund, welche aufgrund von Komprimierungsprozessen erzielt werden. Die Komprimierung selbst besteht aus mathematischen Algorithmen, welche sowohl zum Abspeichern, als auch zum Öffnen der Datei benötigt werden.

(vgl. Q. 3: digitalfotografie.de, 23.04.2015)

2.2 Verwendung von JPEG

Das JPEG-Dateiformat wird für das speichereffiziente Abspeichern von digitalen Bilddateien verwendet. Zu beachten jedoch ist, dass JPEG durch die verwendete Komprimierung ein verlustbehaftetes Speicherformat ist d.h., dass Bildinformationen durch Zusammenfassen gleicher Farbblöcke verloren gehen. Bei einer guten JPEG-Qualität ist aber die Komprimierung kaum für das menschliche Auge sichtbar.

Zur Veranschaulichung hier ein Beispiel:

Würde man ein RGB-Bild ohne Komprimierung abspeichern, so würde jeder Punkt des Farbbildes drei Byte an Speicher für die Farben Rot, Grün und Blau benötigen. Ein Bild von zehn Megapixeln würde hierfür demnach rund 30 Megabyte an Speicher belegen. Hierbei spricht man vom Speicherformat „Bitmap“ (Hochauflösendes Bildformat). Verwendet man jedoch für das Abspeichern eines solchen RGB-Bildes die JPEG-Komprimierung, so benötigt diese lediglich einen Bruchteil an Speicherplatz (Der benötigte Speicherplatz ist abhängig von der Stärke der Komprimierung und der gewünschten JPEG-Qualität).

(vgl. Q. 4: praxistipps.chip.de, 26.04.2015)

2.3 Unterschiede zwischen JPEG und JPG

Einen Unterschied zwischen JPEG und JPG gibt es nicht, es sind lediglich Dateiendungen, welche einen abgeänderten Namen besitzen.

Grund für diese zwei verschiedenen Dateiendungen liegt bei den älteren Windows-Systemen. Oftmals führte die Dateiendung JPEG beim Öffnen von Bilddateien in Windows DOS zu Problemen, da das System auf eine Endung von lediglich drei Buchstaben ausgelegt ist. In anderen Systemen wie Mac OS oder Linux, kommt es zu diesen Problemen nicht. Diese benutzen schon immer die Dateiendung JPEG. Auch heute noch wird unter Windows die Abkürzung JPG verwendet.

(vgl. Q. 5: PDFjpeg.pdf 21.05.2002)

3. Kurzer geschichtlicher Hintergrund

3.1 Motivationen zur Entwicklung von JPEG

In den 70er Jahren wurde der Wunsch nach einem Dateiformat, welches unter anderen Systemen wie Windows und Mac austauschbar ist, immer größer. Außer der Komprimierung der abzuspeichernden Daten ohne sichtbaren Verlust sollte die Bilddatei in der Lage sein, viele Farb- sowie Graustufen darzustellen. Vor allem Röntgenärzte und Fotoprofis plädierten für die Erfindung solch eines Bilddatenformats. Für dieses Problem versuchte die „ Joint Photographic Experts Group“ eine Lösung zu finden und erstellte schließlich ein Kompressionsverfahren, welches den Anforderungen entspricht. Im Jahre 1992 wurde das JPEG-Verfahren zum weltweiten Standard in der Kompression von Farb- und Graustufenbilder festgelegt. Bis heute ist JPEG einer der wichtigsten und am weitesten verbreitetsten Bilddatenformate der Welt.

(vgl. Q. 5: PDFjpeg.pdf, 21.05.2002)

3.2 Zusammenfassung der Anforderungen an das Bilddatenformat

Das „neue“ Bilddatenformat soll die Speicherung von Bildern grundlegend verändern. Demnach muss sich das JPEG Format für möglichst viele unterschiedliche Einsatzbereiche eignen. Wichtig hierbei ist, dass das Endergebnis den Anforderungen an benötigtem Speicher und gewünschter Qualität entspricht. Realisiert wurde dies zum einen durch einen Algorithmus, welcher effizient genug war, Bilder zu erzeugen. Dieser braucht nur einen Bruchteil des zuvor benötigten Speichers. Die Verluste, welche durch die Kompression entstehen, sollen gleichzeitig für das menschliche Auge kaum sichtbar sein. Eine weitere Anforderung an das JPEG-Format war, dass die sogenannte JPEG-Qualität (=„Stärke“ der Komprimierung) manuell einstellbar ist und so variabel genug ist, um je nach Einsatzgebiet zu entscheiden, ob die Speichereffizienz oder die Qualität des Bildes im Vordergrund steht.

Außerdem sollte der mathematische Algorithmus so einfach wie möglich gestaltet sein, um zu gewährleisten, dass dieser auf allen Computern ohne Probleme arbeiten kann.

(vgl. Q. 5: PDF jpeg.pdf, 21.05.2002)

4. Kompressionsverfahren

4.1 Datenkompression im Allgemeinen

Im Bereich der Datenkompression wird prinzipiell zwischen zwei verschiedenen Kompressionsmethoden unterschieden: Während der verlustfreien Kompression, oder auch lossless compression genannt, findet keine Reduktion von Bildinformationen statt. Jedes Bildelement bleibt somit erhalten und garantiert eine hochauflösende Bilddatei. Beispiele hierfür sind Dateien des Typs „Bitmap“ oder „TIFF". Diese Bilddateien finden vor allem in Anwendungsbereichen Verwendung, in welchen jede noch so kleine Bildinformation wichtig ist, um das optimale Ergebnis der Arbeit zu erzielen, wie zum Beispiel im Arbeitsbereich der Satellitenbildauswertung. In dieser Art von Bilddateien steht die Qualität im Vordergrund, demnach ist der Speicheraufwand dieser hochauflösenden Bilder enorm.

Da es jedoch auch Anwendungsbereiche gibt, in denen die Speichereffizienz wichtiger ist als eine hohe Qualität des Bildes, muss ein Verfahren stattfinden, welches einen Kompromiss zwischen guter Qualität und speichereffizienten Bilddateien herstellt. Hierbei wird die sogenannte verlustbehaftete Kompression, oder auch lossy compression, angewandt. Dabei werden Bildinformationen vernachlässigt und eine 1:1 Wiederherstellung des Bildes ist nicht möglich. Durch diese Methode können bei einer starken Kompression Fehler im Bild auftreten, welche Artefakte genannt werden. Optimal (ausreichende Qualität und ausreichende Speichereffizienz) komprimierte, verlustbehaftete Bilder, werden vom menschlichen Auge nicht als ein Bild von schlechter Qualität wahrgenommen. Artefakte sind meist kaum oder nur sehr schwer erkennbar. Vor allem im Internet werden Bilddaten, welche mit einem verlustbehafteten Kompressionsverfahren komprimiert wurden, verwendet, da Netzwerke häufig keine hohe Übertragungsgeschwindigkeit und so Bilddateien hoher Qualität zu einem langandauernden Ladevorgang führen würden. Auch auf Vertriebswebseiten wie Amazon ist es wichtig, die Qualität der Bilder auf der Website niedrig zu halten, da im Zeitalter der Smartphones der Datenverbrauch der Nutzer niedrig gehalten werden muss, da diese sonst unter Umständen das Bild nicht anschauen können.

(vgl. Q. 6: mathematik.de, 28.04.2015)

4.2 Verschiedene Kompressionsmodi bei JPEG

Für die optimale JPEG-Kompression konnte kein Algorithmus gefunden werden, da die Kriterien für eine optimale Kompression innerhalb der verschiedenen Verwendungsgebieten variieren. Deshalb wird die JPEG-Kompression in vier verschiedene „Modi“ gegliedert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im progressive mode wird das Bild in mehreren Durchgängen codiert und decodiert. Je mehr Durchgänge erfolgen desto schärfer wird das digitale Bild. Der User kann den Vorgang stoppen sobald die Qualität des Bildes seinen Anforderungen genügt.

Der hirarchical mode speichert die Bilddatei zum einen in voller Qualität, zum anderen aber auch als Bild mit geringer Auflösung. Der Vorteil hierbei ist, dass das Bild mit geringer Auflösung wesentlich schneller decodiert werden kann und somit als eine Art Vorschau auf das hochauflösende Bild fungiert. Bei Interesse kann man nun das hochauflösende Bild öffnen.

Im lossless mode wird eine Komprimierung durchgeführt, bei der keine Bildinformationen verloren gehen. Der große Nachteil dieser Art von Komprimierung ist, dass die Kompressionsrate aufgrund der detaillierten Bildinformationen sehr gering ist. Dies wirkt sich wiederum auf den benötigten Speicher aus.

Beim sequentiell mode wird das komplette Bild in Form eines „Zick-Zack-Musters“ von links oben nach rechts unten decodiert. Dieses Verfahren ist in der Praxis leicht anzuwenden und erzielt eine hohe Kompressionsrate.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieser Modus wird in der Praxis am meisten verwendet, da die anderen Modi meist viel zu spezifisch sind. Im weiteren Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit wird ausschließlich auf diese Art von Kompression eingegangen.

4.3 Schritte der JPEG-Kompression

4.3.1 Umwandlung von RGB in YUV

Die Ausgangsbilddatei liegt immer im RGB-Farbmodell vor. In diesem Farbmodell sind die Farbwerte in den Werten von 1 bis 255 gespeichert. Um sich die Beschaffenheit des menschlichen Auges zu Nutze zu machen, welches Kontrastunterschiede besser wahrnehmen kann als Farbunterschiede, wird das RGB-Farbbild in ein YUV-Farbbild umgeschrieben. In diesem Farbmodell wird die Farbdarstellung der einzelnen Pixel folgendermaßen zerlegt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Häufig kommt es zur Frage, weshalb die Farbe Grün nicht in das YUV-Farbmodell miteinbezogen wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass Grün aus den drei oben genannten Werten (YUV) vom Endgerät errechnet werden kann.

(vgl. Q. 8: comptech-info.de, Q. 9: wikipedia.org, 29.04.2015)

4.3.2 Subsamyling/Unterabtastung

Im Anschluss auf die Umwandlung von RGB in YUV muss ein Subsambling (auch Unterabtastung genannt) durchgeführt werden. Während diesem Schritt werden die Farbwerte (U und V) in einer geringeren Auflösung gespeichert als die Helligkeit (Y). Zu beachten ist, je grober die Auflösung der Farbwerte ist, desto schlechter wird im Endeffekt die Qualität des Bildes. Dies bildet die Grundlage dafür, dass später, aufgrund der Farbreduzierung und gleichzeitiger Beibehaltung der Helligkeitsdifferenzen, das menschliche Auge in einer guten Kompression keine bzw. nur schwer Artefakte erkennen kann.

(vgl. Q. 6: mathematik.de, Q. 1: Bilddatenkompression - Tilo Strutz, 29.04.2015, 28.07.2009)

4.3.3 Indexverschiebung des Farbspektrums

Indexverschiebims des Farbspektrums Als nächstes wird die sogenannte Indexverschiebung L durchgeführt. In dieser werden die Blöcke des Farbspektrums verschoben. Normalerweise erstreckt sich das Farbspektrum von 0-255. Da im nächsten Schritt jedoch die Diskrete Kosinus Transformation (DCT) angewandt wird, können daraus Werte unter 0 resultieren. Hierfür muss deshalb die Werte des Farbspektrums auf —128-127 verschoben werden. Der Grund dafür, dass Werte unter 0 entstehen können, ist der symmetrische Verlauf der Kosinus-Kurve um die X-Achse.

(vgl. Q. 10: ronnz.de, 30.05.2015)

4.3.4 Zweidimensionale Diskrete Kosinus Transformation (DCT)

Aufgrund des instationären (=Parameter kann im Zeitablauf kein konstanter Wert zugewiesen werden) Charakters von Bilddaten wird die sogenannte Diskrete Kosinus Transformation (DCT) durchgeführt. Diese kann jedoch nicht für das gesamte Bild berechnet werden, sondern muss in Bildblöcke der Größe 8x8 zerlegt werden, da die spektralen Anteile eines Bildes von Ausschnitt zu Ausschnitt variieren. Die 8x8 Bildblöcke werden jetzt einzeln durch die DCT transformiert. Dabei werden 64 Pixelwerte innerhalb eines Bildblocks in 64 Frequenzbereiche umgesetzt. Dadurch entsteht ein zweidimensionaler Frequenzbereich S (horizontaler und vertikaler Frequenzbereich). Der Frequenzwert an der Stelle S00 wird als DC-Koeffizient bezeichnet und entspricht dem Frequenzanteil 0. Durch ihn wird auch der Grundfarbton für die gesamte Dateneinheit bestimmt. Die weiteren Frequenzwerte werden AC-Koeffizienten genannt. Ziel der Diskreten Kosinus Transformation ist es, herauszufinden, wie stark sich die Helligkeits- bzw. Farbwerte von Bildblock zu Bildblock verändern. Diese Schwankung wird mithilfe verschiedener Kosinus-Funktionen ausgedrückt, bei welchen sich je nach Farb- und Helligkeitswert die Amplituden unterscheiden. Die Frequenz gibt hierbei an, wie oft sich der Verlauf der periodischen Kosinus-Funktion pro Ortseinheit wiederholt. Diese werden im weiteren Arbeitsprozess zur Kodierung des digitalen Bildes verwendet.

(vgl. Q. 1: Tilo Strutz - Bilddatenkompression, Q.7: mathematik.de, Q. 11: jendryschik.de, 28.07.2009, 30.05.2015, 30.05.2015)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Hintransformation DCT

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Rücktransformation DCT

[...]