a technical speech about image compression algorithms, especially the steps needed for JPEG compressions

1. Kompressions­
verfahren

2. Kompressionsverfahren:
Kompressionsverfahren
„ Grund und Bedeutung
„ Abgrenzung
„ Erläuterung
MG 53 – Mai 006

3. 3
Kompressionsverfahren: Grund und Bedeutung
Grund und Bedeutung
All over: Verringerung der Dateigröße
MG 53 – Mai 006

4. Kompressionsverfahren: Grund und Bedeutung
Grund und Bedeutung
All over: Verringerung der Dateigröße
Ein Kamerabild mit 6 Megapixeln (3000 x 000 Pixel, RGB):
8­bit: 17, Megabyte
„
„ 16­bit: 3,3 Megabyte
unkomprimierte Datenmenge
MG 53 – Mai 006

5. 5
Kompressionsverfahren: Abgrenzung
Abgrenzung
Methoden zur Kompression:
„ Verringerung des Datenaufkommens (Redundanzreduktion)
„ Verringerung der Dateninformation (Irrelevanzredutkion)
MG 53 – Mai 006

6. 6
Kompressionsverfahren: Abgrenzung
Abgrenzung
Methoden zur Kompression:
„ Verringerung des Datenaufkommens (Redundanzreduktion)
Verlustfrei
„ Verringerung der Dateninformation (Irrelevanzredutkion)
Verlustbehaftet
MG 53 – Mai 006

7. 7
Kompressionsverfahren: Abgrenzung
Abgrenzung
Methoden zur Kompression:
„ Verringerung des Datenaufkommens (Redundanzreduktion)
Verlustfrei
TIFF, GIF, PNG, JPEG2000, alle Arten von Textkompression (z. B. ZIP)
„ Verringerung der Dateninformation (Irrelevanzredutkion)
Verlustbehaftet
JPEG, MPEG-3, MPEG-4
MG 53 – Mai 006

8. 8
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Algorithmen in der Bildbearbeitung
„ Verlustfreie Algorithmen
Huffmann-Codierung, LZ77, ZIP, CCIT T, Lauflängenkodierung
„ Verlustbehaftete Algorithmen
T iefpassfilterung Subsampling, Quantisierung
MG 53 – Mai 006

9. Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete
Komprimierung
MG 53 – Mai 006

10. 10
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
MG 53 – Mai 006

11. 11
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
1. Farbraumumrechnung in YCbCr und Subsampling
. Einteilung und Kosinustransformation von 8 x 8­Blöcken, Quantisierung
3. Lauflängenkodierung
. Umkodierung (Huffmann­Codierung)
MG 53 – Mai 006

12. 1
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
1. Farbraumumrechnung in YCbCr und Subsampling
. Einteilung und Kosinustransformation von 8 x 8­Blöcken, Quantisierung
3. Lauflängenkodierung
. Umkodierung (Huffmann­Codierung)
MG 53 – Mai 006

13. 13
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
1. Farbraumumrechnung in YCbCr und Subsampling
Eigenschaft des YCbCr-Farbmodells (basiert auf dem YUV-Farbraum):
Ein RGB-Wert wird in Grundhelligkeit Y und zwei weitere
Komponenten Cb und Cr aufgeteilt.
Dabei definiert Y die Grundhelligkeit für den Grünanteil.
Cb die Abweichung von Grau in Richtung Blau.
Cr die Abweichung von Grau in Richtung Rot.
MG 53 – Mai 006

14. 1
Farbraumumrechnung in YCbCr und Subsampling ::
RGB Y (Grünanteil) Volle Auflösung
Cb (abweichung zu Blau) Cr (abweichung zu Rot)
Halbe Auflösung Halbe Auflösung
MG 53 – Mai 006

15. 15
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
. Einteilung und Kosinustransformation von 8 x 8­Blöcken, Quantisierung
MG 53 – Mai 006

16. 16
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
. Einteilung und Kosinustransformation von 8 x 8­Blöcken, Quantisierung
MG 53 – Mai 006

17. 17
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
. Einteilung und Kosinustransformation von 8 x 8­Blöcken, Quantisierung
Die DCT-Koeffizienten, die mit größeren Frequenzen tendenziell kleinere Werte annehmen, werden durch
Quantisierungsfaktoren geteilt. Diese Faktoren werden mit höheren u- und v-Werten größer. Ergebnis: Viele der
kleinen DCT-Koeffizienten (diejenigen mit hohen Frequenzen) werden so (nach dem Teilen und Runden) zu Null
quantisiert.
MG 53 – Mai 006

18. 18
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
3. Lauflängenkodierung
MG 53 – Mai 006

19. 1
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
3. Lauflängenkodierung
...reduziert Bereiche gleicher Farben und gibt nur deren Häufigkeit an
MG 53 – Mai 006

20. 0
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
3. Lauflängenkodierung
Auffeinander folgende Bildpunkte
MG 53 – Mai 006

21. 1
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
3. Lauflängenkodierung
Auffeinander folgende Bildpunkte
Absolut eindeutige Farben (gleiche Farben)
MG 53 – Mai 006

22. Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
3. Lauflängenkodierung
Auffeinander folgende Bildpunkte
Absolut eindeutige Farben (gleiche Farben)
3x 5x 3x
Lauflängenkodierung
MG 53 – Mai 006

23. 3
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
. Umkodierung (Huffmann­Codierung)
MG 53 – Mai 006

24. Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustbehaftete Komprimierung anhand von JPEG
. Umkodierung (Huffmann­Codierung)
Häufig vorkommende Farben erhalten kurze, selten
vorkommende Farben lange Codes zugeordnet.
MG 53 – Mai 006

25. 5
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Lauflängenkodierte Farbenfolge 3x 5x 3x
MG 53 – Mai 006

26. 6
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Lauflängenkodierte Farbenfolge 3x 5x 3x
3 1 1 1 1
Häufigkeit der Farben Kodierungen
3x 5x
MG 53 – Mai 006

27. 7
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Lauflängenkodierte Farbenfolge 3x 5x 3x
3 1 1 1 1
Häufigkeit der Farben Kodierungen
3x 5x
3 1 1
1. Schritt zum Binärbaum
3x
5x
MG 53 – Mai 006

28. 8
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
3
. Schritt zum Binärbaum
3x
5x
MG 53 – Mai 006

29. Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
3
. Schritt zum Binärbaum
3x
5x
3
3. Schritt zum Binärbaum
3x
5x
MG 53 – Mai 006

30. 30
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
5
3. Schritt zum Binärbaum
3x
5x
MG 53 – Mai 006

31. 31
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
5
3. Schritt zum Binärbaum
3x
5x
Der Huffman­Codierte Binärbaum
3x
5x
MG 53 – Mai 006

32. 3
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Kodierung des Binärbaums
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
MG 53 – Mai 006

33. 33
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Kodierung des Binärbaums
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
3x 5x 3x
MG 53 – Mai 006

34. 3
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Kodierung des Binärbaums
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
3x 5x 3x
00
MG 53 – Mai 006

35. 35
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Kodierung des Binärbaums
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
3x 5x 3x
00 101
MG 53 – Mai 006

36. 36
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Kodierung des Binärbaums
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
3x 5x 3x
00 101 00
MG 53 – Mai 006

37. 37
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Kodierung des Binärbaums
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
3x 5x 3x
00 101 00 01
MG 53 – Mai 006

38. 38
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Kodierung des Binärbaums
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
3x 5x 3x
00 101 00 01 100 110 111 00 01
MG 53 – Mai 006

39. 3
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman­Codierung)
Huffmann­ Lauflängen­
3x 5x 3x
Codierte Pixelfolge
Original Pixelfolge im Bild
Binärfolge 00 101 00 01 100 110 111 00 01
Das „Wörterbuch“ zum kodieren
und dekodieren: Der Binärbaum
0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
MG 53 – Mai 006

40. 0
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Zusammenfassung JPEG­Kompression
1. Farbraumumrechnung in YCbCr und Subsampling
. Einteilung und Kosinustransformation von 8 x 8­Blöcken, Quantisierung
27
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman-Codierung)
3. Lauflängenkodierung
Lauflängenkodierte Farbenfolge 3x 5x 3x
40
Kompressionsverfahren: Umkodierung (Huffman-Codierung)
Kodierung des Binärbaums
. Umkodierung (Huffmann­Codierung) 0 1
0 1 0 1
3x
0 1 0 1
5x
MG 53 – Mai 006
3x 5x 3x
00 101 00 01 100 110 111 00 01

41. 1
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Dekodierung von JPEG
MG 53 – Mai 006

42. Kompressionsverfahren: Erläuterung
Dekodierung von JPEG
„ Alle Kompressionsvorgänge werden rückwärts ausgeführt
MG 53 – Mai 006

43. 3
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie
Komprimierung
MG 53 – Mai 006

44. Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung anhand von T IFF
MG 53 – Mai 006

45. 5
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung anhand von T IFF
„ T IFF erlaubt verlustfreie Komprimierung mit
LZW, ZIP oder der Lauflängenkodierung
„ T IFF erlaubt auch verlustbehaftete
Komprimierung mittels JPEG
MG 53 – Mai 006

46. 6
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung anhand von T IFF
„ T IFF erlaubt verlustfreie Komprimierung mit
LZW, ZIP oder der Lauflängenkodierung
„ T IFF erlaubt auch verlustbehaftete
Komprimierung mittels JPEG
MG 53 – Mai 006

47. 7
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
Lempel-Ziv-Welch-Algorithmus
MG 53 – Mai 006

48. 8
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
Lempel-Ziv-Welch-Algorithmus
„ Kompression mittels Wörterbuch
MG 53 – Mai 006

49. Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
Lempel-Ziv-Welch-Algorithmus
„ Kompression mittels Wörterbuch
„ Zerlegung des Datenstroms in Zeichenketten
MG 53 – Mai 006

50. 50
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
Lempel-Ziv-Welch-Algorithmus
„ Kompression mittels Wörterbuch
„ Zerlegung des Datenstroms in Zeichenketten
„ Prüfen ob jene Zeichenkette bereits im Wörterbuch enthalten ist
MG 53 – Mai 006

51. 51
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
Lempel-Ziv-Welch-Algorithmus
„ Kompression mittels Wörterbuch
„ Zerlegung des Datenstroms in Zeichenketten
„ Prüfen ob jene Zeichenkette bereits im Wörterbuch enthalten ist
„ Einfügen ins Wörterbuch
oder
Verweis auf einen vorhanden Eintrag
MG 53 – Mai 006

52. 5
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
kodierung von „Rokokokotten“
das Ausgangswörterbuch
enthält für jedes Zeichen
einen Eintrag.
R = #1
o = #2
k = #3
t = #4
e = #5
n = #6
MG 53 – Mai 006

53. 53
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
dekodierung von „Rokokokotten“
das Ausgangswörterbuch
enthält für jedes Zeichen
einen Eintrag.
R = #1
o = #2
k = #3
t = #4
e = #5
n = #6
MG 53 – Mai 006

54. 5
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
„ die Arbeitsweise mit Buchstaben lässt sich
auch auf Farben übertragen.
MG 53 – Mai 006

55. 55
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit LZW
„ die Arbeitsweise mit Buchstaben lässt sich
auch auf Farben übertragen.
„ dabei besitzt jede Farbe ein Wörterbucheintrag. Im Datenstrom
folgende Kombinationen werden dem Wörterbuch hinzugefügt.
#1 =
# =
#3 =
# =
MG 53 – Mai 006

56. 56
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit ZIP
MG 53 – Mai 006

57. 57
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Verlustfreie Komprimierung mit ZIP
„ ZIP unterstützt mehrere Algorithmen
„ beste Ergebnisse mit Deflate
Deflate kombiniert die Arbeitsweise von LZ77 (Vorgänger
von LZW) und der Huffmann-Kodierung.
LZ77 komprimiert dabei Farben, die mehrmals vorkommen, die
Umkodierung nach Huffmann weist häufigen Wörterbuchreferenzen
kurze Codes, seltenen Referenzen hohe Codes zu.
MG 53 – Mai 006

58. 58
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Andere Verwendung von Verlustfreien
Komprimierungsalgorithmen
MG 53 – Mai 006

59. 5
Kompressionsverfahren: Erläuterung
Andere Verwendung von Verlustfreien
Komprimierungsalgorithmen
„ ZIP (Deflate) zur Komprimierung von Bildern und Text
verwendung in PDF, PNG, ZIP
„ CCIT T: Komprimierung von Binärbildern (Schwarz­/Weiß­Bilder)
CCIT T Group 4: Ähnlich wie Lauflängenkodierung, Komprimierung erfolgt
anhand von festgelegten Tabellen (ø Häufung von schwarzen und weißen
Pixeln). Tabellen sind statistische Erhebungen über Faxdaten.
„ LZW ausserdem in GIF
MG 53 – Mai 006