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Bildformate: JPEG und MPEG

Bildformate: JPEG und MPEG. Computer Grafik Bildformate: JPEG und MPEG Seminararbeit von Elena Tabuica SS 2006. Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica. Bildformate: JPEG und MPEG. JPEG

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  1. Bildformate: JPEG und MPEG Computer Grafik Bildformate: JPEG und MPEG Seminararbeit von Elena Tabuica SS 2006 Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  2. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Inhalt: • Historie • Kompression mit JPEG • Farbraumänderung von RGB nach YUV oder YCbCr • Unterabtastung von U und V und Indexverschiebung • Blockbildung und DCT • Quantisierung • Codierung • JPEG-Decodierung • Zusammenfassung • Beispiele Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  3. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Historie(1): • Anfang der 80er Jahre: Bildung von PhotographicsExperts Group (innerhalb von ISO). Ziel: progressives Kompressionsverfahren für ISDN-Kanäle (64kBit/s) • 1986: Zusammenschluß der Arbeitsgruppen (ITU, IEC, und ISO) zur Joint Photographic Experts Group (JPEG), um die Entwicklung von verschiedenen, konkurrierenden Standards zu verhindern • 1988: Aus 12 Vorschlägen 3 ausgewählt. Discrete Cosine Transform Coding Scheme als Basis festgelegt Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  4. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Historie(2): • 1988: Nachfolgeprojekt JBIG (Joint Bi-level Image Experts Group) für Kompression von Graustufbildern mit Textinhalt • 1989:BaselineSystem definiert • verlustbehaftet, DCT-basiert, sequenziell mit Huffman-Codes und 8 Bit Genauigkeit pro Bildpunkt Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  5. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Historie(3): • 1992: gleichnamiges Verfahren zur effektiven Kompression bei der Bitrate über 0.25 bppvon digitalen(natürlichen) Bildern • 2001: JPEG-2000als Nachfolger von JPEG • DWT (diskrete Wavelet-Transformation) anstatt von DCT • weniger Speicherplatz (20% gegenüber JPEG) • bessere Bildqualität • dafür aber viel aufwändiger als JPEG Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  6. Bildformate: JPEG und MPEG JPEG (Joint Photographics Experts Group) Kompression mit JPEG: 1. Farbraumumrechnung vom RGB-Raum in den YUV oder YCbCr und Indexverschiebung 2.Unterabtastung der Farbdifferenzsignale U und V (verlustbehaftet) 3.Einteilung in 8x8 Blöcke undderen diskrete Kosinustransformation (DCT) 4.Quantisierung (verlustbehaftet) 5. Kodierung Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  7. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:1. Farbraumumrechnung von RGB nach YUV • YUV-Farbmodell: • Y – die Helligkeitskomponente (Luminanz), • U und V – Farbdifferenzwerte (Chrominanzen) zu Blau und Rot entsprechend • Die Farbtransformation aus dem RGB-Raum in den YUV: • Y = 0,299R + 0,587G +0,114B • U = B - Y • V = R - Y • YCbCr-Farbmodell (aus YUV-Modell entwickelt): • Y – Luminanz wie bei YUV • Cb– Abweichung vom Grau- zum Blauwert • Cr – Abweichung vom Grau- zum Rotwert Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  8. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:2. Unterabtastung von U und V • Helligkeitsinformation wird mit einer höheren Auflösung wahrgenommen als die Farbe • Diese Eigenschaft des menschlichen Auges wird in Unterabtastung (Subsampling) ausgenutzt Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  9. YUV 4:4:4 YUV 4:1:1 YUV 4:2:0 YUV 4:2:2 Chrominanzen Luminanz Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:2. Unterabtastung • 4:4:4 – keineUnterabtastung, 4:2:2 – M = 2, 4:1:1 – M = 4, 4:2:0 – M = 2; Unterabtastformate Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  10. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:2. Unterabtastung und Indexverschiebung • ErgebnisderUnterabtastung: • Farbdifferenzsignale sind in reduzierter Auflösung gespeichert (mit 4:2:0 50% der Datenmenge ohne Verlust an subjektiver Bildqualität) • Indexverschiebung: • [0.. 255] -> [-128..127] – führt zur kleineren Werten nach DCT Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  11. Bildformate: JPEG und MPEG JPEG (Joint Photographics Experts Group) Kompression mit JPEG:3. Blockbildung und DCT JPEG (unkomprimiert) 71,0 KB JPEG (50% komprimiert) 11,9 KB Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  12. Bildformate: JPEG und MPEG Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  13. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:3. Blockbildung und DCT • Bei starker Vergrößerung, wird die JPEG-Komprimierungsarbeitsweise erkennbar: Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  14. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:3. Blockbildung und DCT • Die spektralen Anteile eines Bildes variieren von Ausschnitt zu Ausschnitt, daher ist es sinnvoll, jede Komponente (Y, U und V) des Bildes in 8×8-Blöcke einzuteilen: Die Werte nach der Indexverschiebung Die Anfangswerte Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  15. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:3. Blockbildung und DCT • DCT: • abgeleitet aus DFT, nur reelle Koeffizienten • transformiert die ortsabhängigen Pixelwerte, d.h. Helligkeits- oder Farbwerte, in frequenzabhängige Amplituden • die Frequenz gibt an, wie oft sich der Verlauf der periodischen Kosinusfunktion pro Ortseinheit wiederholt • die Amplitude – die betraglichen Maximalwerte, die eine dazugehörige Kosinusfunktion annimmt Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  16. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:3. Blockbildung und DCT • Jeder 8 x 8 Block wird der DCT (hier FDCT – Forward DCT) unterzogen • Die Formelzur Berechnung von (2D) FDCT: , F x,y:Amplitude der Kosinusschwingung mit der Frequenz der Nummer (x, y) x, y: Nummer der Frequenz in Horizontal- bzw. Vertikalrichtung i, j:Nummer des Ortes in Horizontal- bzw. Vertikalrichtung f i,j: Pixelwert am Ort (i,j) Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  17. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:3. Blockbildung und DCT • DasErgebnis: eine neue 8 x 8 Matrix Die berechneten DCT Koeffizienten zu der oben genannten Matrix Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  18. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:4. Quantisierung (verlustbehaftet) • Man unterscheidet dabei einen DC-Koeffizient (engl. directcurrent) und 63 AC-Koeffizienten (engl. alternating current) • DC(F(0,0)) bildet den ungefähren • Gleichanteil aller Werte F(x,y), • AC – den Wechselanteil • Benachbarte Pixel unterscheiden sich • nur geringfügig voneinander -> die • meisten Werte um Null oder gleich Null Horizontale Frequenz vertikale Frequenz Positionen der DCT-Koeffizienten in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  19. F‘(x,y) = F (x,y)/ Q(x,y) +0.5 Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:4. Quantisierung (verlustbehaftet) • Die DCT Koeffizienten werden durch so genannte Quantisierungsmatrix geteilt und abgerundet: • Die Quantisierungsmatrix ist sowohl für die Qualität als auch für die Kompressionsrate verantwortlich • Je größer der Quantisierungsfaktor, desto mehr Informationen vom ursprünglichen Bild gehen verloren, wobei man für höhere Frequenzen höhere Quantisierungsfaktoren nehmen kann Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  20. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:4. Quantisierung (verlustbehaftet) • Beispiel Quantisierungsmatrizen: Matrix mit Quantisierungswertenfür Luminanz Y Matrix mit Quantisierungswerten für Chrominanzen Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  21. F‘(x,y) = F (x,y)/ Q(x,y) +0.5 Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:4. Quantisierung (verlustbehaftet) • Die DCT Koeffizienten werden durch so genannte Quantisierungsmatrix geteilt und abgerundet: • Die Quantisierungsmatrix ist sowohl für die Qualität als auch für die Kompressionsrate verantwortlich • Je größer der Quantisierungsfaktor, desto mehr Informationen vom ursprünglichen Bild gehen verloren, wobei man für höhere Frequenzen höhere Quantisierungsfaktoren nehmen kann Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  22. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:4. Quantisierung (verlustbehaftet) • Viele der kleinen DCT-Koeffizienten (diejenigen mit hohen Frequenzen) werden so zu Null quantisiert: quantisierte DCT-Koeffizienten Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  23. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:5. Codierung • DC- und AC-Koeffizienten werden jeweils anders kodiert • DC-Codierung: • berechne die Differenz zu dem DC-Wert des vorangehenden Blocks: • DIFF = DC(i) –DC(i-1) • teile die DIFF-Werte in 12 Kategorien ein: jede Kategorie gibt die Anzahl der benötigten Bits, um das Codewort zu codieren • codiere jede Kategorie mit dem Huffman-Code Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  24. S(i) P(i) 1 R B G Y L 0.4 0.1 0.1 0.1 0.3 1 1..0 1 1 0 0.3 0 0 0.2 0.6 0 Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:5. Codierung • Huffman-Code-Beispiel: • gegeben einen Bildausschnitt der Länge 80: RGBLRBRYBR • bilde die Häufigkeitstabelle der Farben: • codierte Folge: 0 110 10 1110 0 10 0 11110 10 0 • aus 80 Bit wird 22 Bit, also die Kompressionsrate ~4 Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  25. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:5. Codierung • Kategorien für die Codierung von DC-Koeffizienten und Huffman-Code-Beispiele für die Codierung von Luminanz und Chrominanzen: Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  26. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:5. Codierung • AC-Codierung: • sortiere die 8 x 8 Koeffizientenmatrix • durch eine Zick-Zack-Abtastung: • 1 -9 3 0 0 …0 • man geht davon aus, dass es weniger • hochfrequente Anteile als tieffrequente • in den Blöcken gibt • Alle Nullen konzentrieren sich am Ende • des AC-Koeffizientenvektors Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  27. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:5. Codierung • teile alle AC-Koeffizienten ungleich Null in Kategorien ein • weise jeder Kombination Lauflänge/Kategorie ein Huffman-Codewort zu Beispieltabelle für die Codierung von Lauflänge und Kategorien der AC-Koeffizienten Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  28. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:5. Codierung • jetzt kann der AC-Koeffizient mit zwei Komponenten codiert werden: • Die erste Komponente besteht aus der Lauflänge und Anzahl von Bits • Die zweite ist der tatsächliche Koeffizientenwert selbst • EOB(End-Of-Block) – Zeichen folgt dem letzten AC-Koeffizienten ungleich Null • Beispiel: • DC= 2, DIFF = 0, AC-Folge = 1 -9 3 0 0 …0 • DC-Zwischendarstellung = (2,3.El) • AC-Zwischendarstellung = (0/1)(2.El) (0/4)(7.El) (0/2)(4.El)(EOB) • Endergebnis: 011 10 00 1 1011 0110 01 11 1010 Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  29. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • DieJPEG-Dekodierung: • Um das komprimierte Bild nun wieder herzustellen, wird das gesamte bisherige Verfahren "rückwärts" angewandt: • Dekodierung • Dequantisierung • Die Inverse Diskrete Kosinustransformation (IDCT) • Indexverschiebung • Farbraumänderung von YUV oder YCbCr zu RGB Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  30. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Die JPEG-Dekodierung: • Dekodierung • Entschlüsselung des Binärcodes: leicht gemacht, da mit Huffman-Code codiert (präfixfrei und injektiv) • anhand der mitgespeicherten Tabellen • oder den programmeigenen empirisch erstellten Tabellen, auf die in der Bilddatei verwiesen wird Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  31. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Die JPEG-Dekodierung: • Dequantisierung(1) • wegen Teilen und Runden keine 100% Wiederherstellung der Ursprungsdaten • der rekonstruierte DCT-Koeffizient wird berechnet: • wobei F‘(x,y) der quantisierte Wert ist und Q(x,y) der jeweilige Quantisierungsfaktor F(x,y) = F‘ (x,y)* Q(x,y) Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  32. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Die JPEG-Dekodierung: • Dequantisierung(2) • Die rekonstruierten DCT-Koeffizienten aus dem obigen Beispiel Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  33. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Die JPEG-Dekodierung: • Inverse Diskrete Kosinustransformation(IDCT) • Die Formel der (2D)IDCT lautet: • Indexverschiebung • Eine Zurück-Verschiebung in die Wertemenge [0;255] ergibt dann die ursprünglichen Pixel, die Orts- und Farbinformationen tragen Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  34. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Die JPEG-Dekodierung: • Farbraumänderung von YUV nach RGB • das komprimierte Ausgangsbild (eine Konvertierung zurück in den RGB-Farbraum kann erfolgen): • von YUV nach RGB: • R =Y + V • B = Y + U • G = Y - B – R Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  35. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Die JPEG-Dekodierung: • Der rekonstruierte Block und das Original: rekonstruiert original Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  36. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Die JPEG-Dekodierung: • Die Differenz zwischen dem Original und dem rekonstruierten Block: • Trotz des Übergangs von 8 zu 3/8 Bits per Pixel, ist das Ergebnis sehr nah zum Original Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  37. Bildformate: JPEG und MPEG Originalblock Quantisierungstabelle Rekonstruierte Koeffizienten Rekonstruierter Block Quantisierte Koeffizienten DCT-Koeffizienten Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  38. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Zusammenfassung: • Vorteile: • hohe Kompressionsraten • wird von fast allen Rechnerplattformen unterstützt • kann in fast jeder Bildbearbeitung nachbearbeitet werden • Nachteile: • nicht geeignet für digitale Strichzeichnungen mit wenigen Farben und harten Kanten • nicht geeignet für Schwarzweißbilder • gerasterte Bilder • Schärfe- und Farbverluste durch die Komprimierung Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  39. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Beispiele: • Artefakte von JPEG: • 8 x 8 Block-Muster als Folge von 8 x 8 Blöcke-Einteilung • Gibbssches Phänomen als Folge von DCT Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  40. Bildformate: JPEG und MPEG 8 x 8-Block-Bildung Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  41. Bildformate: JPEG und MPEG • JPEG • (Joint Photographics Experts Group) • Kompression mit JPEG:4. Quantisierung (verlustbehaftet) • Gibbssches Phänomen: das typische Verhalten von Fourierreihen in der Umgebung von Sprungstellen • entsteht, wenn ein hochfrequentes Ausgangssignal zu stark quantisiert wurde Überschwinger Unterschwinger Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  42. Bildformate: JPEG und MPEG Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  43. Bildformate: JPEG und MPEG Original: raytracer.bmp 3,07MB jpeg_lowest 57KB jpeg_max 296KB 1:16 1:16 1:16 Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  44. Bildformate: JPEG und MPEG • MPEG • (Moving Pictures Experts Group) • Inhalt: • Weshalb Videokompression? • Was ist MPEG? • MPEG-Videostream • MPEG-Codierung • Zusammenfassung Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  45. Bildformate: JPEG und MPEG • MPEG • (Moving Pictures Experts Group) • Weshalb Videokompression? • Speicherplatzreduktion: • Die Datenrate eines digitalisierten Farbfernsehsignals beträgt ~ 166 Mbit/s: • CD (700MB = 5600 Mbit) max. 33 Sekunden • DVD (4,7 GB = 38502,4 Mbit) ~ 3,8 Minuten • Übertragungszeitenreduktion: • z.B. im Internet max. Übertragungsrate von VDSL: 50 Mbit/s Downstream Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  46. Bildformate: JPEG und MPEG • MPEG • (Moving Pictures Experts Group) • Was ist MPEG? • Eine Arbeitsgruppe der ISO und IEC (International Electrotechnical Society)(1988), die sich mit der Standardisierung im Videobereich beschäftigt • Bestand der Arbeit: die Bildsequenzcodierung und die Kompression von Audiodaten • Die Algorithmenauswahl wurde von JPEG beeinflusst • Die MPEG-Standards geben die Bitstrom-Syntax und die Anforderungen an die Decoder vor • Die Implementierung der Encoder ist nicht vorgeschrieben und damit flexibel Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  47. Bildformate: JPEG und MPEG • MPEG • (Moving Pictures Experts Group) • Was ist MPEG? • Die wichtigsten davon sind: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3 und MPEG-4 , wobei der MPEG-3-Standard mittlerweile in MPEG-2 integriert wurde: • MPEG-1(1993): Video-CD • MPEG-2(1994): Super-VCD (SVCD) und DVD • MPEG-4(1998): Weiterentwicklung von MPEG-1 und MPEG-2, DivX Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  48. Bildformate: JPEG und MPEG • MPEG • (Moving Pictures Experts Group) • Bewegt-Bildcodierung: • Einfachste Lösung: getrennte Codierung jedes einzelnes Bildes (Intracodierung) • Besser: Nutzung der Korrelation zeitlich benachbarter Bilder Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  49. Bildformate: JPEG und MPEG • MPEG • (Moving Pictures Experts Group) • Bewegt-Bildcodierung: • Nutzung jedes Einzelnbildes als Schätzung für das nächste Bild. Übertragung der Differenz aus Ist-Bild und Schätzung • Verfeinerung: • Erkennen der bewegten Bereiche • Verbesserung der Schätzung durch Prädiktion der Bewegung Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

  50. Bildformate: JPEG und MPEG • MPEG • (Moving Pictures Experts Group) • MPEG-Videostream: • Ein MPEG-Videostream besteht aus mehreren Sequenzen, die durch einen Sequenzkopf eingeleitet und mit einem Ende-Code beendet werden • Die Sequenzen sind wiederum in verschiedene Layer unterteilt • Jedes Layer (außer Block-Layer) hat einen Header, der verschiedene Informationen enthält: • z.B. Bildbreite, Bildhöhe, Bildrate, Seitenverhältnis, Bildtyp, Quantisierungsmatrix usw. Seminar Computer Grafik SS2006 Elena Tabuica

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