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1 JPEG / JFIF Ein Referat von Robert Becker. Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin2 JPEG JFIF.

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1 1 JPEG / JFIF Ein Referat von Robert Becker

2 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin2 JPEG JFIF JPEG (Joint Photographic Experts Group) Komitee, setzt sich aus den Organisationen ISO und CCITT zusammen. Traten erstmals 1986 zusammen dann der JPEG Standard JPEG 2000 ist der neueste Standard JFIF (JPEG File Interchange Format) ist das eigentliche Grafikformat, die Implementierung des Standards

3 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin3 JPEG JFIF Ziele: Kompressionsverfahren ohne Datenverlust (lossless mode) Kompressionsverfahren mit Datenverlust, aber einstellbarer Kompressionsrate Vertretbare Komplexität Auf alle unbewegten Bilder anwendbar, ohne Beschränkung der Farbtiefe

4 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin4 Kompression mit Verlusten 1. Konvertierung des Bildes in den YUV-Farbraum 2. Farb-Subsampling, Aufteilung in Blöcke 3. Diskrete Cosinustransformation (DCT) 4. Quantisierung der DCT-Koeffizienten 5. Serialisierung der Koeffizienten in ZickZack-Anordnung 6. Codierung der Koeffizienten 1. Huffmancodierung 2. Arithmetische Codierung

5 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin5 Der YUV-Farbraum Normalerweise in RGB, CYM,... 3 Basen im Farbenraum  Farbmodell Auge kann Helligkeitsunterschiede besser erkennen als Farbunterschiede  Helligkeit-Farbigkeit-Modell JPEG lässt die Wahl des Modells frei In JFIF ist das Helligkeit- Farbigkeit-Modell YUV festgelegt

6 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin6 Das YUV-Modell Y ist die Luminanz U die Farbabweichung in Richtung Rot (Chrominanz) V die Farbabweichung in Richtung Blau (Chrominanz) Um Farbwerte in RGB-Darstellung in YUV umzurechnen, braucht man folgende Formel: Die Formel für die Rücktransformation Ist wie folgt:

7 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin7 Kleine Unterschiede in U und V sind für das Auge nur schwer wahrzunehmen  Farbsubsampling = Werte für U und V werden in 2x2 Blöcken gespeichert Weiterhin werden die Pixelwerte in 8x8 Blöcke aufgeteilt und getrennt bearbeitet Farbsubsampling / Aufteilen in Blöcke

8 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin8 DCT verwandt mit der Fourier Transformation DCT: IDCT (Inverse DCT): Diskrete Cosinus Transformation (DCT)

9 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin9 8x8 Block = diskretes Signal von 64 Werten Werte sind abhängig von den 2 räumlichen Dimensionen x und y Diskrete Cosinus Transformation (DCT) Pixel (IDCT) DCT

10 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin10 Werte werden in ihr Spektrum transformiert, auf eine Basis von 64 orthogonalen, diskreten Signalen Koeffizienten bilden die Ausgabewerte Diskrete Cosinus Transformation (DCT) DC - Wert AC - Werte Der DC (Direct Current) Wert ist der Durchschnitt der 64 Werte mal 8 (Gleichstromkoeffizient) Die AC (Alternating Current) Werte speichern die Veränderungen zum DC (Wechselstromkoeffizient)

11 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin11 Beispiele Diskrete Cosinus Transformation (DCT) DCTIDCT Resultat

12 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin12 Beispiele Diskrete Cosinus Transformation (DCT) DCTIDCT Resultat

13 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin13 Beispiele Diskrete Cosinus Transformation (DCT) DCTIDCT Resultat

14 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin14 Beispiele Diskrete Cosinus Transformation (DCT) DCTIDCT Resultat

15 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin15 Beispiele Diskrete Cosinus Transformation (DCT) DCTIDCT Resultat

16 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin16 Beispiele Diskrete Cosinus Transformation (DCT) DCTIDCT Resultat

17 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin17 DCT-Werte werden durch einen Wert aus der Quantisierungsmatrix geteilt und danach gerundet Rückwärts muss der DCT-Wert nur mit demWert aus der Quantisierungsmatrix multipliziert werden  Hier entsteht Verlust! Individuelle Einstellung der Q-Werte Möglich Quantisierung Quantisierungsmatrix

18 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin18 Beispiel Quantisierung Quantisierungsmatrix DCT Werte vor Quantisierung DCT Werte nach Quantisierung

19 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin19 Daten werden im Zick-Zack Muster serialisiert Der DC Wert wird als Differenz zum DC-Wert des vorherigen 8x8 Blocks gespeichert Der lineare Datenstrom kann danach noch Lauflängen codiert werden Serialisierung

20 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin20 Huffman-Codierung vs. Arithmetische Codierung HC erstellt eine HuffmanCodeTabelle, Die mit übertragen werden muss AC erzielt 5 – 10 % bessere Ergebnisse bei der Komprimierung AC ist jedoch komplexer als HC und benötigt so mehr Rechenleistung Für AC fallen in vielen Fällen Lizenzgebühren an  JFIF benutzt Huffman-Codierung Codierung

21 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin21 Sequential Mode Die Bilddaten werden sequentiell von links oben bis rechts unten codiert beste Komprimierung & am einfachsten zu implementieren Progressive Mode Bilddaten werden in mehreren Durchgängen codiert Koeffizienten mit den niedrigsten Frequenzen zuerst Koeffizienten immer genauer Hierarchical Mode Bilder stehen in gröberen Auflösungen zur Verfügung Bilder werden hierarchisch mit immer besser Auflösung geladen Operationsmodi

22 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin22 Codierung – Decodierung Zusammenfassung

23 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin23 plattformunabhängig YUV - Farbmodell Besteht aus JPEG-Daten + Informationen zum Entpacken Einzelne Teile werden durch Makierungen eingeleitet Jede Makierung hat 2 Byte – das erste Byte ist immer FF – das Zweite immer größer 0 JFIF (JPEG File Interchange Format) (0xFFD8) (0xFFE0) (0xFF**) (0xFFDA) (0xFFD9)

24 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin24 SOI - Start Of Image (0xFFD8) Markiert den Anfang der Datei, vorhergehende Bits werden ignoriert APP0 - APPlication (0xFFE0) JFIF (JPEG File Interchange Format) z.B. JFIF0

25 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin25 Optionale Beschreibungsblöcke DQT - Define Quantisation Table (0xFFDB) Für jede Quantisierungstabelle muss ein eigener Eintrag gemacht werden Die 4 Bit nach der Präzision bestimmen dann die Nummer des Eintrags JFIF (JPEG File Interchange Format)

26 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin26 Optionale Beschreibungsblöcke DHT - Define Huffman Table (0xFFC4) Für jede Huffmantabelle muss ein eigener Eintrag gemacht werden Zählwerte geben an, wieviele Codes mit i Bit vorkommen JFIF (JPEG File Interchange Format)

27 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin27 Optionale Beschreibungsblöcke SOF - Start Of Frame (0xFFC) Rahmendaten über das Bild Index in der Markierung ist eine Identifikation des Bildrahmens Teilt unter anderem den Modus mit in dem codiert wird (Möglichkeiten: 1-3, 5-7, 9-11, 13-15) JFIF (JPEG File Interchange Format)

28 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin28 SOS - Start Of Scan (0xFFDA) Hier beginnt der Bit-Strom JFIF (JPEG File Interchange Format)

29 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin29 EOI - End Of Image (0xFFD9) Markiert das Ende der Datei, nachfolgende Bits werden ignoriert Aufbau: 1. SOI 2. APP0 Länge, Kennung, DQT Länge, Präzision, SOF0 Länge, Genauigkeit, DHT Länge, Index, SOS Länge, Bitstrom, EOI JFIF (JPEG File Interchange Format)

30 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin30 - Variable Kompressionsstufen - Wird vom Programm bereit gestellt - Andere mögliche Optionen: - Feinere Kompressionsstufen - Vorschaubild - Progressive Mode (Mehrere Durchgänge) JPEGs (JFIFs) erstellen

31 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin31 JPEGs (JFIFs) erstellen Mit Vorschaubild und feineren Kompressionsstufen

32 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin32 JPEG Vergleich Beispiele Hohe Kompression 26 KB Mittlere Kompression 13 KB Niedrige Kompression 11 KB Doppelte Kompression 12 KB

33 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin33 JPEG – GIF Vergleich Beispiele JPEG (Hoch) 14 KB GIF (53 Farben) 11 KB

34 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin34 JPEG – GIF Vergleich Beispiele JPEG (Hoch) 17 KB JPEG (Niedrig) 14 KB GIF (64) 13 KB GIF (16) 9 KB

35 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin35 JPEG – GIF Vergleich Beispiele JPEG (Mittel) 6 KB GIF (256) 14 KB GIF (64) 8 KB

36 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin36 JPEG – GIF Vergleich Beispiele GIF (256) 6 KB JPEG (Hoch) 26 KB

37 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin37 JPEG – GIF Vergleich Beispiele JPEG (Mittel) 9 KB JPEG (Niedrig) 7 KB

38 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin38 JPEG – GIF Vergleich Beispiele JPEG (Mittel) 9 KB JPEG (Niedrig) 7 KB

39 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin39 JPEG – GIF Vergleich Beispiele

40 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin40 JPEG – GIF Vergleich Beispiele JPEG 15 KB GIF 23 KB JPEG 18 KB GIF 4 KB

41 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin41 JPEG – GIF Vergleich Vergleich

42 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin42 JPEG – GIF – PNG Vergleich Beispiele JPEG (Mittel) 26 KB GIF (256) 10 KB PNG 8 KB

43 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin43 JPEG – GIF – PNG Vergleich Beispiele JPEG (Mittel) 26 KB GIF (256) 10 KB PNG 8 KB

44 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin44 JPEG – GIF – PNG Vergleich Beispiele

45 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin45 Wavelets (Diskrete Wavelet Transformation) 4 verschiedene Progressive Modes (Qualität, Auflösung, Position, Farbe) Skalierte Quantisierung Arithmetische Codierung Unterteilt Bild nicht mehr in Blöcke  keine Artefakte mehr Automatische Fehlerkorrektur für Datenübertragung Notwendigkeit für JPEG2000 besteht nicht unbedingt  fraglich ob es sich durchsetzt JPEG 2000 – Ein Ausblick

46 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin46 Wavelets – Ein Rückblick

47 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin47 Wavelets – Ein Rückblick

48 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin48 JPEG 2000 – Beispiele JPEG – 16 KB JPEG2000 – 16 KB

49 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin49 JPEG 2000 – Beispiele JPEG – 16 KB JPEG2000 – 16 KB

50 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin50 JPEG 2000 – Beispiele Original JPEG – 1:10JPEG – 1:20 JPEG2000 – 1:20JPEG2000 – 1:10

51 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin51 JPEG 2000 – Beispiele JPEG – 1:50 JPEG2000 – 1:100JPEG2000 – 1:50

52 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin52 JPEG 2000 – Beispiele

53 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin53 JPEG 2000 – Beispiele

54 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin54 JPEG 2000 – Beispiele

55 Robert Becker – Vortrag: JPEG – Seminar Multimediadatenformate – WS 02/03 – Informatik FU Berlin55 Literatur html/tis_010.html html/tis_010.html 0.html 0.html BMP_JPEG_MPEG/index.htm Und viele mehr... (http://www.google.de)http://www.google.de


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