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JPEG Seminar: Kompressionsalgorithmen Ruslan Ragimov Theoretical Computer Science Prof. Peter Rossmanith Betreuer: Alexander Langer Felix Reidl 4.07.2012.

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1 JPEG Seminar: Kompressionsalgorithmen Ruslan Ragimov Theoretical Computer Science Prof. Peter Rossmanith Betreuer: Alexander Langer Felix Reidl

2 Einführung – Bilddarstellung, R-G-B und Y-U-V Farbräume Übersicht Einführung – Bilddarstellung, R-G-B und Y-U-V Farbräume Folie: Ruslan Ragimov 2 Zusammenfassung Vergleich mit anderen Verfahren Komprimierungsstrategie JPEG Überblick Komprimierungsstufen im Detail Vor-/Nachteile von JPEG

3 Einführung. Bilddarstellung Digitalbild Folie: Ruslan Ragimov 3 Pixel – kleinstes Bildelement mit einem Farbton 1 Bit: s/w8 Bits: Graustufen24 Bits: Farbbild (8 R, 8 G, 8 B) 400 x ,5 kB 400 x ,25 kB 400 x ,75 kB

4 Einführung. R-G-B Farbraum Rot – Grün – Blau: additiver Farbraum Sukzessives Hinzufügen einer Farbe hat einen anderen Farbeindruck Durch Mischen von R-G-B bekommt man jeden Farbton Folie: Ruslan Ragimov 4

5 Einführung. Bildkompression Bildkompression Folie: Ruslan Ragimov 5 Bestimmen und Zusammenfassen von Redundanzen: Run-Lenght Encoding Lempel-Ziv-Welch Huffman-Coding lossless Welche Informationen können weggelassen werden??? lossy

6 Einführung. Y-U-V Farbraum Menschliches Auge: Höhere Empfindlichkeit zur Helligkeit als zur Farbe Folie: Ruslan Ragimov 6 Problem bei R-G-B: Helligkeitsinformation ist in jeder Komponente gespeichert

7 Einführung. Lossy Kompressionsmöglichkeit Folie: Ruslan Ragimov 7 Originalbild: R-G-B: Y-U-V: 24 Bits 8 Bits 4 Bits Quelle: Wikipedia

8 Übersicht Folie: Ruslan Ragimov 8 Zusammenfassung Vergleich mit anderen Verfahren Komprimierungsstrategie JPEG Überblick Komprimierungsstufen in Details Vor-/Nachteile von JPEG Einführung – Bilddarstellung, R-G-B und Y-U-V Farbräume

9 JPEG. Überblick: Geschichte Folie: Ruslan Ragimov 9 Joint Photographic Experts Group: Gegründet im Juni 1987 von CCITT und ISO Erster Entwurf in 1991 Hauptziele: Hohe Kompressionsrate und Qualität Benutzung von mehreren Parameter Gutes Resultat beim jeglichen durchgehenden Ton Anspruchsvoller aber nicht zu komplexer Algorithmus

10 JPEG. Überblick: Strategien Folie: Ruslan Ragimov 10 Kompressionsstrategien: Sequenziell: Jede Farbkomponente von links nach rechts von oben nach unten Progressiv: Mehrfache Blöcke (Scans) von grober zu detaillierter Darstellung Hierarchisch: Mehrfache Auflösungen Verlustfrei (Lossless) Baseline

11 JPEG. Überblick: Stufen Folie: Ruslan Ragimov 11 (De-) Kompressionsstufen: Bildvorbereitung DCT Kodierung Quantisierung Headerbeschreibung Normales Bild Komprimiertes Bild Modus: Baseline Lossless

12 JPEG. Stufe I: Bildvorbereitung Folie: Ruslan Ragimov 12 Bildvorbereitung: 1. Transformation von RGB zur YUV ! Nicht für die monochromen Bilder 2. Downsampling Auflösung von Farbkomponenten verkleinern ! Nicht für die monochromen Bilder ! Nur für hierarchische Strategie 3. Aufteilung in 8x8 Blöcke Pixel von jeder Komponente in 8x8 Blöcke teilen

13 JPEG. Stufe I: Bildvorbereitung Folie: Ruslan Ragimov 13 Aufteilung in 8x8 Blöcke Bei unvollständigen Blöcken werden die letzten Pixeln wiederholt

14 JPEG. Überblick: Stufen Folie: Ruslan Ragimov 14 (De-) Kompressionsstufen: Bildvorbereitung DCT Kodierung Quantisierung Headerbeschreibung Normales Bild Komprimiertes Bild Modus: Baseline Lossless

15 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 15 (Forward / Inverse) Discrete Cosine Transformation Transformiert Daten von Blöcken in eine mathematische Domäne, die besser für die Kompression geeignet ist.

16 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 16 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT FDCT IDCT GROB FEIN

17 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 17 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT Abweichung von Originaldaten: GROB FEIN

18 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 18 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT IDCT 12, , ,625634, , , , , ,62563 Abweichung von Originaldaten: GROB FEIN

19 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 19 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT IDCT 12, , ,625634, , , , , ,62563 Abweichung von Originaldaten: GROB FEIN

20 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 20 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT IDCT 14, , , , , , , ,315930, , , ,935331,417661, ,31593 Abweichung von Originaldaten: GROB FEIN

21 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 21 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT IDCT 15,099813, ,927279, , , , , ,90020, , , ,657551, , ,73167 Abweichung von Originaldaten: GROB FEIN

22 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 22 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT IDCT 16, ,819329, ,201111, , , , , ,180681, , ,243330, , ,31745 Abweichung von Originaldaten: GROB FEIN

23 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 23 DCT (1x8 Block) Beispiel: FDCT , ,237385,496851, , , ,5115-0,61886 IDCT IDCT 15, ,049448, ,467111, , , , ,052660, , , ,126650, , ,13347 Abweichung von Originaldaten: GROB FEIN

24 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 24 FDCT Wichtige Informationen (z.B.: mittlerer Farbton) Detaillierte Informationen (z.B.: scharfe Kanten)

25 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov Basisbilder von DCT x8 Originalblock niedrig hoch niedrig hoch Frequenz

26 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov FDCT DCT (8x8 Block) Beispiel: IDCT

27 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov DCT (8x8 Block) Beispiel: |Differenz|

28 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 28 Nachteile von DCT: Blöcke werden unabhängig voneinander transformiert Bei hoher Kompressionsrate(Quantisierung) können diese erkannt werden 163,2 KB28,3 KB

29 JPEG. Stufe II: DCT Folie: Ruslan Ragimov 29 Nachteile von DCT: DCT eignet sich schlecht für nicht-durchgehende Töne. Keine gute Komprimierung möglich FDCT IDCT

30 Modus: Baseline Lossless JPEG. Überblick: Stufen Folie: Ruslan Ragimov 30 (De-) Kompressionsstufen: Bildvorbereitung DCT Kodierung Quantisierung Headerbeschreibung Normales Bild Komprimiertes Bild

31 JPEG. Stufe III: Quantisierung Folie: Ruslan Ragimov 31

32 JPEG. Stufe III: Quantisierung Folie: Ruslan Ragimov 32 Quantisierungstabellen (erste Variante):

33 JPEG. Stufe III: Quantisierung Folie: Ruslan Ragimov 33 Quantisierungstabellen (zweite Variante):

34 JPEG. Stufe III: Quantisierung Folie: Ruslan Ragimov FDCT DCT (8x8 Block) Beispiel:

35 JPEG. Überblick: Stufen Folie: Ruslan Ragimov 35 (De-) Kompressionsstufen: Bildvorbereitung DCT Kodierung Quantisierung Headerbeschreibung Normales Bild Komprimiertes Bild Modus: Baseline Lossless

36 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 36 Im Normalfall: DC Werte stellen den mittleren Farbton eines 8x8 Blocks dar und unterscheiden sich deshalb nur gering voneinander AC Werte eines Blocks bestehen aus mehreren Nullen zwischen denen andere Zahlen vorkommen können Ansatz: Kodiere die DC und AC Werte getrennt voneinander DC mit Huffman AC mit Kombination von RLE und entweder Huffman oder Arithmetic Coding

37 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 37 Kodierung von DC Werte: Kodiere den ersten DC Wert und die Differenzen zu den Nächsten 1118AC 1114AC 1119AC 1120AC

38 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 38 WertZeileZeilenkode … -8 8 … ……… … … … … Konvertierungstabelle für DC Werte:

39 FDCT + Quant. JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 39 AC Kodierung: 1.Ordne die AC Werte zig-zag nacheinander -13;22;7;2;5;1;1;-6;4;-2;8;-5;1;1;0;0;1;-1;2;-1;0;-2;2;-1;-1;0…0

40 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 40 AC Kodierung: 1.Ordne die AC Werte zig-zag nacheinander -13;22;7;2;5;1;1;-6;4;-2;8;-5;1;1;0;0;1;-1;2;-1;0;-2;2;-1;-1;0…0 WertZeileZeilenkode … -8 8 … ……… … … … … …15 0:1010(EOB) (ZRL) 1:001100… : … : … : … : … ……………

41 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 41 AC Kodierung: -13;22;7;2;5;1;1;-6;4;-2;8;-5;1;1;0;0;1;-1;2;-1;0;-2;2;-1;-1;0… WertZeileZeilenkode … -8 8 … ……… … … … … …15 0:1010(EOB) (ZRL) 1: … : … : … : … : … ………………

42 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 42 AC Kodierung: -13;22;7;2;5;1;1;-6;4;-2;8;-5;1;1;0;0;1;-1;2;-1;0;-2;2;-1;-1;0… WertZeileZeilenkode … -8 8 … ……… … … … … …15 0:1010(EOB) (ZRL) 1: … : … : … : … : … ………………

43 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 43 AC Kodierung: -13;22;7;2;5;1;1;-6;4;-2;8;-5;1;1;0;0;1;-1;2;-1;0;-2;2;-1;-1;0… WertZeileZeilenkode … -8 8 … ……… … … … … …15 0:1010(EOB) (ZRL) 1:001100… : … : … : … : … …………… 1010

44 JPEG. Stufe IV: Encoding Folie: Ruslan Ragimov 44 AC Kodierung: -13;22;7;2;5;1;1;-6;4;-2;8;-5;1;1;0;0;1;-1;2;-1;0;-2;2;-1;-1;0… DC Wert 122 Bits für ein 64 Pixel-Block Für 8 Bits pro Komponente im Originalbild, wäre die Kompressionsrate ungefähr:

45 JPEG. Überblick: Stufen Folie: Ruslan Ragimov 45 (De-) Kompressionsstufen: Bildvorbereitung DCT Kodierung Quantisierung Headerbeschreibung Normales Bild Komprimiertes Bild Modus: Baseline Lossless Prediction

46 JPEG. Lossless-Modus: Prediction Folie: Ruslan Ragimov 46 Lossless Ansatz: Statt DCT und Quantisierung wende Prediction an ……… …AB …CX PredictorWert X 0keine Vorhersage 1A 2B 3C 4A+B-C 5A+(B-C)/2 6B+(A-C)/2 7(A+B)/2 ……… …108 …612 keine Vorhersage Zu speichern: (4,0)

47 Modus: Baseline Lossless JPEG. Überblick: Stufen Folie: Ruslan Ragimov 47 (De-) Kompressionsstufen: Bildvorbereitung DCT Kodierung Quantisierung Headerbeschreibung Normales Bild Komprimiertes Bild Prediction

48 JPEG. Vor-/Nachteile Folie: Ruslan Ragimov 48 Vorteile: weit verbreitet hohe Kompressionsrate (insbesondere für Fotos) Nachteile: Qualitätsverlust (auch beim jeden Speichern) schlecht für harte Farbübergänge Transparenz und Animation nicht unterstützt

49 JPEG. Ausblick Folie: Ruslan Ragimov 49 Lossless JPEG Modus wurde nicht erfolgreich Entwicklung eines geeigneten Kompressionsverfahrens JPEG-LS

50 Übersicht Folie: Ruslan Ragimov 50 Zusammenfassung Vergleich mit anderen Verfahren Komprimierungsstrategie JPEG Überblick Komprimierungsstufen in Details Vor-/Nachteile von JPEG Einführung – Bilddarstellung, R-G-B und Y-U-V Farbräume

51 Zusammenfassung Folie: Ruslan Ragimov 51 Einführung JPEG Bildvorbereitung DCT 8x8 Blöcke (YUV) 8x8 Blöcke (Frequenzbereich) Quantisierung Kodierung 8x8 Blöcke (Quantisierte Freq.) Headerbeschreibung Komprim. Datenblöcke Prediction Komponenten YUV Daten im Differenzbereich Vergleich

52 Folie: Ruslan Ragimov 52 Datei #JPEG (KB) L / M / H PNG (KB)LZMA(KB)BZIP2 (KB) 114,7 / 18,5 / 24,414,211, / 572 / / 174 / x100 px87,9 KB x2304 px 22,7 MB x1200 px 5,5 MB

53 Ende Folie: Ruslan Ragimov 53 Vielen Dank! Fragen ?!


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