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Grafikkomprimierung

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.

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Presentation Transcript

  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. RLERun Length Encoding • einfach und schnell • verlustfrei • gut geignet für S/W-Bilder • Lauflängenkodierung Beispiel: aaaaaaaaaaaaaaa -> 15a 15 byte -> 2 byte

  8. RLERun Length Encoding Beispiel: 12 KB 2 KB

  9. 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 • erstellt Datenlexikon • zur verbesserung Differenzberechnung (=differencing)

  11. 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

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

  13. 1 0 0 1 1 1 0 0 „Huffman-Baum“ Beispiel: 15 7 6 6 5 A B C D E AAAAA CCC AAAAA BBBBB EEEE AAAAA BBCCC DD DDDDE

  14. 1 0 0 1 1 1 0 0 „Huffman-Baum“ Beispiel: 15 7 6 6 5 A B C D E 0000010110110100000100100100100100111111111111...

  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. DCTDiskrete Cosinus Transformation • Verwandt mit Fourier-Transformation • Ansatzpunkt menschliche Wahrnehmung • hoher Rechenaufwand

  21. verlustbehaftet! verlustfrei JPEG-Algorithmus • 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 • 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

  24. JPEG-Algorithmus

  25. Fraktale Kompression • Fraktale = sich wiederholende Muster • 1970 erstmals von Mandelbrot benutzt • Bild durch iterierte Funktion beschreiben • “Selbstähnlichkeiten”

  26. Fraktale Kompression

  27. Fraktale Kompression • extrem rechenintensiv • assymetrische Kompression • 1988 von Barnsley erstmals vorgestellt • inzwischen stark verbessert

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

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

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

  33. TIFFTagged Immage File Format • Für den Austausch über Plattformgrenzen hinaus geeignet • 1986 erste Spezifikation • universel einsetzbar

  34. EPSEncapsulated PostScript • Windows: • .eps • Kompression: • ohne • JPEG • Hersteller: • Adobe System Inc.

  35. EPSEncapsulated PostScript • Seitenbeschreibungssprache • Einbettung von Pixelgrafiken

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

  37. JPEGJoint 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. JPEGJoint 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. JPEGJoint 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: • “Interlaced” • ROI = Region of Interest • Kopierschutz per digitalem Wasserzeichen • nicht möglich: • Transparenz • Animationen

  43. GIFGraphics Interchange Format • Windows: • .gif • Hersteller: • Compuserve • Kompression: • LZW

  44. GIFGraphics Interchange Format • 1987 von CompuServe veröffentlicht • GIF87a • 1989 erweitert • GIF89a • 1994 Lizensschwierigkeiten

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

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

  48. PNGPortable 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. PNGPortable Network Graphics • möglich: • 16 Bit-Farbtiefe • Interlacing • Transparenz • verlustfreie Kompression • nicht möglich • Animationen

  50. PNGPortable Network Graphics • verwendet modifizierte LZW-Variante • keine Tabellen • Filtereinsatz zu verbesserung wählbar • None • Sub • Up • Average • Peath

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