Grafikkomprimierung Andreas Pretzsch.

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1 Grafikkomprimierung Andreas Pretzsch

2 Inhalt Allgemein Algorithmen Grafikformate

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

4 Algorithmen Kompression verlustfreie verlustbehaftet RLE DCT LZW
Fraktale Huffman Wavelet CCITT

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

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

7 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”.

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

9 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

10 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)

11 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

12 Huffman Encoding 1952 von Huffman entwickelt
stochastische Auswertung des Codes Beispiel

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

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

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

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

17 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

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

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

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

21 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)

22 JPEG-Algorithmus

23 JPEG-Algorithmus Beispiel 1 Beispiel 2
Beispiel 2

24 JPEG-Algorithmus

25 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”

26 3/27/2017 Fraktale Kompression

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

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

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

30 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

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

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

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

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

35 EPS Encapsulated PostScript
Seitenbeschreibungssprache Einbettung von Pixelgrafiken

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

37 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”

38 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

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

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

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

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

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

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

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

46 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

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

48 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

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

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

51 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

52 PIX Inhaltsfolie

53 BMP Inhaltsfolie

54 FPX Inhaltsfolie

55 LWF Inhaltsfolie

56 PCX Inhaltsfolie

57 RTF Inhaltsfolie

58 WMF Inhaltsfolie

59 SUN Inhaltsfolie

60 Ende