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JPEG Ingo Kregel. 2 JPEG Gliederung 1.Einleitung und Überblick 2.Visuelle Wahrnehmung und Farbräume 3.Angewandte Komprimierungsverfahren 4.Die JPEG-Modi.

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Präsentation zum Thema: "JPEG Ingo Kregel. 2 JPEG Gliederung 1.Einleitung und Überblick 2.Visuelle Wahrnehmung und Farbräume 3.Angewandte Komprimierungsverfahren 4.Die JPEG-Modi."—  Präsentation transkript:

1 JPEG Ingo Kregel

2 2 JPEG Gliederung 1.Einleitung und Überblick 2.Visuelle Wahrnehmung und Farbräume 3.Angewandte Komprimierungsverfahren 4.Die JPEG-Modi 5.Ausblick

3 3 JPEG Einleitung JPEG: Joint Photographic Experts Group Zusammenschluss von Gruppen der ISO – International Organization for Standardization ITU-T – International Telegraph and Telephone Consultative Committee Erstes Ziel: Kompressionsverfahren für ISDN-Kanäle

4 4 JPEG Einleitung Ausschreibung eines Wettbewerbs Anforderungen: Parametrisierbarkeit der Qualität Unterstützung verschiedenster Farbräume, Bildgrößen und Inhalte Annehmbare Komplexität in Bezug auf Implementierung und Ausführung Sequenzielle, progressive, verlustlose und hierarchische Modi Gewinner der Ausschreibung: Die Diskrete Kosinustransformation (DCT)

5 5 JPEG Einleitung 1992: Veröffentlichung des JPEG-Standards “Information technology – Digital compression and coding of continuous-tone still images: Requirements and guidelines” ISO/IEC CCITT (ITU-T) Recommendation T.81 Heute: Verbreitetstes Grafikformatik der Welt Verwendung im prof. Layoutbereich, Speicherung medizinischer Daten, digitaler Videotechnik (MPEG), WWW…

6 6 JPEG Ordnungsrahmen

7 7 JPEG Ordnungsrahmen

8 8 JPEG Gliederung 1.Einleitung und Überblick 2.Visuelle Wahrnehmung und Farbräume 3.Komprimierungsverfahren 4.Die JPEG-Modi 5.Fazit & Ausblick

9 9 JPEG Visuelle Wahrnehmung des Menschen Bildkompression auch im menschlichen Gehirn Bsp.: Verhältnis von Rezeptoren zu Nervenfasern im Auge 80:1 Optische Täuschungen: Illusion über Farben, geometrische Formen, Bewegungen… Ruhende Bilder erhalten höhere Auflösung als bewegte Helligkeitsunterschiede werden stärker wahrgenommen als Farbunterschiede Forschungsfeld der Wahrnehmungspsychologie, Psychophysik

10 10 JPEG Ordnungsrahmen

11 11 JPEG RGB Rot, Grün, Blau Entspricht der Technik in Farbmonitoren 8 Bit: Hexadezimal: 00-ff

12 12 JPEG YCbCr Ursprung: Umstieg von S/W auf Farbfernsehen

13 13 JPEG YCbCr Y Cb Cr +

14 14 JPEG Tiefpassfilterung „Chroma Subsampling“ Unterabtastung der Chrominanzen Ausnutzung der visuellen Wahrnehmung des Menschen Datenreduktion: 4:4:424 Bitvolle Informationsdichte 4:2:216 BitHalbierung der Chrominanzen (horizontal) 4:2:012 BitHorizontale und Vertikale Halbierung der Chrom.

15 15 JPEG Gliederung 1.Einleitung und Überblick 2.Visuelle Wahrnehmung und Farbräume 3.Angewandte Komprimierungsverfahren 4.Die JPEG-Modi 5.Fazit und Ausblick

16 16 JPEG Gliederung – Kapitel 3 1.Die Diskrete Kosinus-Transformation (DCT) 2.Quantisierung 3.Prädiktion 4.Lauflängenkodierung (RLC) 5.Entropiekodierung Huffman-Kodierung Arithmetische Kodierung

17 17 JPEG Diskrete Kosinus-Transformation 1972 Ahmed, Natarajan und Rao Weiterentwicklung der Fourier-Transformation Aufgrund ihrer guten Kompressionseigenschaften in meisten verlustbehafteten Verfahren zur Bild- und Videokompression eingesetzt Vorbereitung: Aufteilen der Grafik in 8x8-Blöcke Farbige Grafiken entsprechen mehrstufiger Verarbeitung von Graustufenbildern

18 18 JPEG Diskrete Kosinus-Transformation Berechnungsvorschriften:

19 19 JPEG Diskrete Kosinus-Transformation Vollständiges Beispiel:

20 20 JPEG Diskrete Kosinus-Transformation Ausschnitt 1: Koeffizient bei (0; 0)

21 21 JPEG Diskrete Kosinus-Transformation Ausschnitt 2: Koeffizient bei (1; 1) +

22 22 JPEG Diskrete Kosinus-Transformation Vollständiges Beispiel:

23 23 JPEG Division der Bildwerte durch Quantisierungsmatrix Aufstellen solcher Matrizen nach Versuchsreihen Quantisierungswerte unterschiedlich optimal, je nach Anwendungsgebiet und Grafikeigenschaften Genutzte Q-Matrix wird in JPEG-Datei mit gespeichert Quantisierung

24 24 JPEG Komprimierung: Rekonstruktion: Quantisierung ist die Hauptursache für Qualitätsverluste der DCT-basierten Verfahren Quantisierung

25 25 JPEG Zusammenhang: Quantisierung

26 26 JPEG Vergleich von Original- und rekonstruierten Werten: Quantisierung

27 27 JPEG Prädiktion Unterschiedliche Behandlung der Komponenten jedes 8x8-Blocks DC – Direct Current AC – Alternating Current

28 28 JPEG Prädiktion DC: Speicherung Mittelwerts des gesamten 8x8-Blocks Ableitung dieses Koeffizienten aus dem Vorgängerblock Speicherung der Differenz, statt absoluten Werts

29 29 JPEG Lauflängenkodierung Effektiv für Symbolfolgen mit häufigen Wiederholungen Ziel: Ersetzen von Wiederholungen durch Tokens Ein Token besteht aus 3 Elementen: ESCEscape-Zeichen rLauflänge sZu ersetzendes Symbol Effizient daher erst ab Folge von 4 Symbolen

30 30 JPEG Lauflängenkodierung Beispiel: Symbolfolge: Ersetzen der Nullen durch ein Token Escape-Zeichen hier: $ Länge: 6 Ersetztes Symbol: 0 Token: 154$6013

31 31 JPEG Lauflängenkodierung Anwendung in JPEG: Überführen der DCT-Matrix in eine eindimensionale Symbolfolge durch Zickzack-Abtastung

32 32 JPEG Lauflängenkodierung Günstige Eigenschaften quantisierter Matrizen:

33 33 JPEG Entropiekodierung Entropie (Informationstheorie): „Mittlere Informationsdichte“ Entropiekodierung ist verlustfrei! Optimierung des Speicherplatzes einer gegebenen Symbolfolge Reduktion der zu speichernden Symbole ist Aufgabe vorhergehender Komprimierungsmethoden

34 34 JPEG Gliederung 1.Einleitung und Überblick 2.Visuelle Wahrnehmung und Farbräume 3.Komprimierungsverfahren 4.Die JPEG-Modi Sequenziell vs. Progressiv Hierarchisch Baseline-Kodierung und Erweiterungen Verlustfreie Kompression Rekonstruktion 5.Fazit & Ausblick

35 35 JPEG Sequenzielle Verarbeitung Nur ein Durchlauf Jeder 8x8-Block nacheinander Es wird nur exakt der Speicher benötigt, den das Bild auch einnimmt Simple Vorgehensweise  Schlanke Implementierung und geringe Ausführungszeit

36 36 JPEG Progressive Verarbeitung Unter Umständen sind andere Eigenschaften von größerem Vorteil Übertragung der Information in mehreren Schritten Erster Durchlauf: sehr grobe Auflösung Verfeinerung des Ergebnisses bei weiteren Durchläufen durch zusätzliche Koeffizienten

37 37 JPEG Progressive Verarbeitung 2 Unterarten der progressiven Kodierung: Spektrale Selektion: Tieffrequente Koeffizienten werden vor höherfrequenten Koeffizienten übertragen Schrittweise Verfeinerung: Senden der oberen Bits, bevor die niedrigeren Bits das Bild vervollständigen Vorteile dieser Verarbeitungsweise: Bei geringer Bandbreite für den Empfang Vorschaumöglichkeit  Betrachter kann das Laden abbrechen Geringere Auflösung kann ggf. genügen

38 38 JPEG Hierarchische Verarbeitung Sonderform des progressiven Verfahrens Aufbau der Grafik in mehreren Ebenen Erste Ebene erzeugt mehrfach unterabgetastetes, unscharfes Bild Aufwärtstasten auf weitere Ebenen  Hochrechnen auf größere Auflösung Werte der Hochrechnung dienen als Prognosewerte nach dem Prädiktionsverfahren Verfahren bei niedrigen Bitraten gut geeignet, Mehraufwand bei höheren Bitraten bis zu 33%

39 39 JPEG Hierarchische Verarbeitung Schema:

40 40 JPEG Baseline-Standard & Erweiterungen Baseline-Standard: Mindestbedingungen Diskrete Kosinustransformation, ausschließlich sequenziell 8 Bit pro Bildpunkt Nur Huffman-Kodierung nutzbar Maximal 2 Tabellen für Kodierung der AC- und DC-Koeffizienten Erweiterter Standard: Progressive und sequenzielle Speicherung möglich Auch 12 Bit Entscheidung zwischen Arithmetischer Kodierung und Huffman Maximal 4 Tabellen für Kodierung der AC- und DC-Koeffizienten

41 41 JPEG Verlustfreie Kompression Unterschiede: Wahl der Bildauflösung von 2-16 Bit Verzicht auf DCT und Quantisierung Ausschließliche Nutzung der Prädiktion

42 42 JPEG Verlustfreie Kompression

43 43 JPEG Verlustfreie Kompression Nicht Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit Durchschnittlich komplexe farbige Grafiken: 50% Kompression 1994 JPEG-LS-Standard: Speziell verlustfreie Kodierung Bessere Ergebnisse als integrierte Modi in JPEG oder JPEG2000

44 44 JPEG Rekonstruktion

45 45 JPEG Gliederung 1.Einleitung und Überblick 2.Visuelle Wahrnehmung und Farbräume 3.Angewandte Komprimierungsverfahren 4.Die JPEG-Modi 5.Ausblick

46 46 JPEG Ausblick: JPEG : ISO 15444, Nachfolger des JPEG-Standards Waveletbasierte Transformation Flexibler Zugriff: Änderungen ohne Rekompression Entnahme von Ausschnitten oder geringerer Auflösung aus einer Datei möglich Verbreitung bisher aufgrund der Zufriedenheit mit JPEG gering JPEG-LS-Standard oder PNG-Format für bestimmte Grafiken effizienter

47 47 JPEG Literatur Literatur: Eric Hamilton: JPEG File Interchange Format, Version 1.02, World Wide Web Consortium (W3C), Rainer Röhler: Sehen und Erkennen - Psychophysik des Gesichtssinnes, 1. Auflage, Springer-Verlag, Tilo Strutz: Bilddatenkompression, 3. Auflage, Vieweg-Verlag, Gregory K. Wallace: The JPEG Still Picture Compression Standard, überarbeitete Version des Artikels vom April 1991, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Dez

48 48 JPEG BACKUP

49 49 JPEG Machsche Bänder

50 50 JPEG YUV Abb. zu einigen beispielhaften Luminanzwerten:

51 51 JPEG YUV Umrechnung aus dem RGB-Modell: Wertebereich:

52 52 JPEG YCbCr Phase-Alternation-Line-System (PAL) Übergang vom Schwarz-Weiß- zum Farbfernsehen, Abwärtskompatibilität gewünscht Entwicklung des YUV-Modells Trennung von Helligkeit und Farbe

53 53 JPEG Weitere Informationen zu YCbCr  Couleur.org +

54 54 JPEG YCbCr Umrechnung aus dem RGB-Modell: Wertebereich: Videotechnik: Reservierung von 0 und 255 für Steueraufgaben (Synchronisation) Weiterer reservierter Bereich: Übersteuerung der Videosignale +

55 55 JPEG Weitere Informationen zu YCbCr RGBYCbCr 16, 16, 16  16, 128, 128 0, 0, 0  0, 128, , 172, 255  255, 255, , 0, 235  0, 255, 255 0, 83, 0  0, 0, 0 53, 255, 17  255, 0, 0 0, 255, 0  182, 13, , 0, 0  0, 255, 0 0, 36, 235  0, 0, , 255, 255  255, 128, 128 -

56 56 JPEG YCbCr Umstieg auf digitales Fernsehen

57 57 JPEG YCbCr Umstieg auf digitales Fernsehen

58 58 JPEG Empfehlung für Quantisierungs-Matrizen aus dem JPEG-Standard: Luminanz Chrominanz Quantisierung

59 59 JPEG Beispiel einer Quantisierung und Wiederherstellung: Quantisierung

60 60 JPEG Entropiekodierung Erster Schritt: Ermittlung der Auftrittshäufigkeit jedes Symbols Zeichen mit hoher Häufigkeit erhalten eine kurze Bitkodierung und umgekehrt Historisches Beispiel: Morse-Code

61 61 JPEG Huffman-Kodierung 1952 David Huffman Verbesserung des Shannon-Fano-Verfahrens Beispiel: Alphabet: Wahrscheinlichkeiten:

62 62 JPEG Huffman-Kodierung

63 63 JPEG Huffman-Kodierung

64 64 JPEG Huffman-Kodierung B A C D

65 65 JPEG Arithmetische Kodierung Im Gegensatz zu Huffman Suche nach optimalem Codewort für gesamte Symbolfolge Darstellung des Codewortes als reelle Zahl [0; 1) Sukzessive Verkleinerung dieses Intervalls Beispiel mit gleiche Ausgangsdaten: Alphabet: Wahrscheinlichkeiten:

66 66 JPEG Arithmetische Kodierung

67 67 JPEG Arithmetische Kodierung Kodierung der Symbolfolge BACD durch binären Wert aus dem Intervall

68 68 JPEG Vergleich beider Entropiekodierungen Effektivitätsvorteil der A.K.: Sie besitzt nicht die untere Grenze von 1 Bit pro Symbol, da sie die gesamte Folge kodiert Daher: Bessere Annäherung an Signalentropie Nachteile: Speicherung des Signalwortes für Computer aufwändig Übertragung der Symbole kann erst erfolgen, wenn gesamtes Signal dekodiert wurde

69 69 JPEG Weitere Informationen zu DCT -


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