Grafikkomprimierung Andreas Pretzsch

Inhalt Allgemein Algorithmen Grafikformate

Wozu? Reduzierung der Datenmengen für Netzwerke (z.B. Internet) Archivierung Begrenzter Speicherplatz

Algorithmen Kompression verlustfreie verlustbehaftet RLE DCT LZW Fraktale Huffman Wavelet CCITT

verlustfreie Kompression „Bijektive Abblidung“ Bildinformation wichtig z.B. Sternenkarte Details wichtig „Qualität vor Geschwindigkeit“

verlustbehaftete Kompression „Surjektive Abbildung“ Motiv wichtig z.B. Landschaft Details unwichtig „Geschwindigkeit vor Qualität“

RLE Run Length Encoding 3/27/2017 RLE Run Length Encoding Lauflängenkodierung Beispiel: aaaaaaaaaaaaaaa -> 15a 15 byte -> 2 byte einfach und schnell verlustfrei gut geignet für S/W-Bilder RLE Basiert auf der Reduzierung der physikalischen Größe sich wiederholender Informationen Abfolge inhaltlich gleicher Informationen wird als “run” bezeichnet und mit 2 byte kodiert. Das erste Byte gibt die Anzahl der Informationen im “run” an und heißt “run count”. Die Information heißt “run value”.

RLE Run Length Encoding 3/27/2017 RLE Run Length Encoding Beispiel: 12 KB 2 KB

LZW 1977 von Lempel und Ziv entwickelt 1984 modifiziert von Welch 3/27/2017 LZW 1977 von Lempel und Ziv entwickelt 1984 modifiziert von Welch Beispiel: „ the „ = 32,116,104,101,32 =: 256 5 byte -> 1 byte

LZW geeignet für jede Art von Daten symetrische Kompression 3/27/2017 LZW geeignet für jede Art von Daten symetrische Kompression erstellt Datenlexikon zur verbesserung Differenzberechnung (=differencing)

LZW verwendet von: z.B. TIFF, GIF, PostScript 3/27/2017 LZW verwendet von: z.B. TIFF, GIF, PostScript Algorithmus patentiert von Firma Unisys Beispiel http://www.cs.sfu.ca/CourseCentral/365/li/squeeze/LZW.html

Huffman Encoding 1952 von Huffman entwickelt stochastische Auswertung des Codes Beispiel http://www.cs.sfu.ca/CourseCentral/365/li/squeeze/Huffman.html

AAAAA CCC AAAAA BBBBB EEEE AAAAA BBCCC DD DDDDE „Huffman-Baum“ Beispiel: 15 7 6 6 5 A B C D E 1 AAAAA CCC AAAAA BBBBB EEEE AAAAA BBCCC DD DDDDE

„Huffman-Baum“ Beispiel: 15 7 6 6 5 A B C D E 15 7 6 6 5 A B C D E 1 0000010110110100000100100100100100111111111111...

CCITT Encoding CCITT : International Telegraph and Telephone Consultative Committee Speziel für 1-Bit-Daten entwickelt für Fax und Modem

CCITT Encoding Drei verschiedene Algorithmen Group 3 1-dimensional (G31D) Group 3 2-dimensional (G32D) Group 4 2-dimensional (G42D)

Group 3 1-dimensional (G31D) 1. Anwendung RLE 2. Entnimmt Kodes festen Wertetabellen basiert auf statischtische Erhebungen basiert auf Huffman Kompressionsschema Zeilenbreite muß bekannt sein

Group 3 2-dimensional (G32D) Erkennt unterschiede von eine Zeile zur nächsten K-Faktor verhindert Fehler 2  k  4

Group 4 2-dimensional (G42D) enthält keine korrekturmechanismen hauptsächlich für Festplatten und Datennetzwerke gedacht benötigt mehr Rechenkapazität

DCT Diskrete Cosinus Transformation Verwandt mit Fourier-Transformation Ansatzpunkt menschliche Wahrnehmung hoher Rechenaufwand

JPEG-Algorithmus 1. Änderung des Farbmodells RGB-->YUV verlustbehaftet! verlustfrei 1. Änderung des Farbmodells RGB-->YUV 2. Unterabtastung (optional) 3. Blockbildung 8x8 4. Diskrete Cosinus-Transformation 5. Quantisierung 6. Zick-Zack-Scanning 7. Run-Level-Codierung (RLC*) 8. Variable Längencodierung (VLC) (Huffman)

JPEG-Algorithmus

JPEG-Algorithmus Beispiel 1 Beispiel 2 http://www.cs.sfu.ca/CC/365/li/interactive-jpeg/Ijpeg.html Beispiel 2 http://www.fh-jena.de/contrib/fb/et/personal/ansorg/dct/dct/applet.html

JPEG-Algorithmus

Fraktale Kompression Fraktale = sich wiederholende Muster 3/27/2017 Fraktale Kompression Fraktale = sich wiederholende Muster 1970 erstmals von Mandelbrot benutzt Bild durch iterierte Funktion beschreiben “Selbstähnlichkeiten”

3/27/2017 Fraktale Kompression

Fraktale Kompression extrem rechenintensiv assymetrische Kompression 3/27/2017 Fraktale Kompression extrem rechenintensiv assymetrische Kompression 1988 von Barnsley erstmals vorgestellt inzwischen stark verbessert

Fraktale Kompression nicht verlustfrei 3/27/2017 Fraktale Kompression nicht verlustfrei entfernt Bildinformationen unabhängig von unsere Wahrnehmung geignet für Landschaften, Gesichter etc. viele Patente

Wavelet 1930 mathematische Grundlagen entwickelt basiert auf Wavelet-Transformation verschieden Funktion (nicht wie DCT) “Hoch- und Tiefpassfilter” nur in JPEG2000 verwendet

Grafikformate .tif .jpg .pix .rtf .bmp .eps .jp2 .wmf .fpx .sun .gif Druckvorstufe Internet Sonstige Hersteller .tif .jpg .pix .rtf .bmp .eps .jp2 .wmf .fpx .sun .gif .png .lwf .pcx

TIFF Tagged Immage File Format Windows: .tif Kompression: ohne, RLE, LZW, CCITT Group 3 und 4, JPEG

TIFF Tagged Immage File Format Hersteller: Adobe System Inc. Entwickelt in Absprache mit: Microsoft ver. Scanner und Druckerhersteller

TIFF Tagged Immage File Format Für den Austausch über Plattformgrenzen hinaus geeignet 1986 erste Spezifikation universel einsetzbar

EPS Encapsulated PostScript Windows: .eps Kompression: ohne JPEG Hersteller: Adobe System Inc.

EPS Encapsulated PostScript Seitenbeschreibungssprache Einbettung von Pixelgrafiken

JPEG Joint Photographic Experts Group Windows: .jpg Kompression: DCT (JPEG) (ohne) Hersteller: JPEG ISO

JPEG Joint Photographic Experts Group Ende der 80’ Jahre entwickelt Einsatzgebiete: Kompression über einen Faktor einstellbar einfach in Hard- und Software integrierbar für Halbtonbilder standard für Datenkompression “kein Dateiformat”

JPEG Joint Photographic Experts Group hohe kompressionsraten Bildverluste bis 1:4 keine ab 1:10 wahrnehmbar 1:25 viele Artefakte nicht geeignet für Bilder mit großen einheitlichen Farbflächen harten Kanten

JPEG Joint Photographic Experts Group JPEG, verlustfrei komprimiert: 123 K JPEG, Qual.faktor 10 %: 7,4 K

JPEG2000 Windows: .jp2 Kompression: Wavelet Hersteller: JPEG ISO

JPEG2000 1997 erste Entwürfe 2000 Spezifikation an ISO übergeben Ziele höhere Kompressionraten als JPEG auch verlustfreie Methode möglich S/W Bilder

JPEG2000 möglich: nicht möglich: “Interlaced” ROI = Region of Interest Kopierschutz per digitalem Wasserzeichen nicht möglich: Transparenz Animationen

GIF Graphics Interchange Format Windows: .gif Hersteller: Compuserve Kompression: LZW

GIF Graphics Interchange Format 1987 von CompuServe veröffentlicht GIF87a 1989 erweitert GIF89a 1994 Lizensschwierigkeiten

GIF Graphics Interchange Format Ungeignet für: Farbverläufe Halbtonbilder geignet für: wenig Farben z.B. Logos harte Kanten z.B. Zeichnung

GIF Graphics Interchange Format Farbpalette bis 8 Bit unterstützt websichere Farben Dithering Mischung mehrere Punkte zu anderen Farben Transparence Alpha-Kanal wählbar Interlaced Schrittweises Aufbauen des Bildes

PNG Portable Network Graphics Windows: .png Hersteller: Thomas Boutell, Tom Lane u.a. Massachusetts Institute of Technologiy (MIT) Kompression: LZ77 Variante

PNG Portable Network Graphics 1996 dem W3C-Konsortium vorgelegt Entwickelt aufgrund unklarer Linzenssituation beim GIF Ziele: Soll gleiche Möglichkeiten wie GIF bieten keine Lizenseinschränkungen einfache implementierung auf verschidenen Plattformen einsetzbar

PNG Portable Network Graphics möglich: 16 Bit-Farbtiefe Interlacing Transparenz verlustfreie Kompression nicht möglich Animationen

PNG Portable Network Graphics verwendet modifizierte LZW-Variante keine Tabellen Filtereinsatz zu verbesserung wählbar None Sub Up Average Peath

PNG Portable Network Graphics Im Internet nicht etabliert Größere dateien als bei GIF und JPEG bei gleicher Qualität d.h. zur Zeit noch ungeeignet für Internet erst ab 8-Bit Farbtiefe bei GIF Interlaced erhöht Dateigröße um 35 % (bei GIF nur ca. 5%) erst ab Netscape 4.7 und 6.0 sowie Internet Explorer 5.5 unterstützt (ohne Plugin) Transparenz nicht / kaum möglich

PIX Inhaltsfolie

BMP Inhaltsfolie

FPX Inhaltsfolie

LWF Inhaltsfolie

PCX Inhaltsfolie

RTF Inhaltsfolie

WMF Inhaltsfolie

SUN Inhaltsfolie

Ende