Geschichte des Standards

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Einleitung

• JPEG2000 seit 2001 offizieller Standard
• JPEG2000 soll JPEG ablösen
• Techniken und Algorithmen
  • siehe Waveletbasierte Bildkodierung und JPEG2000 Kodierungstechnik
• Performance
  • siehe JPEG versus JPEG2000

Entwicklung von JPEG 2000

1. Verabschiedung des lizenzfreien und verbindlichen Kodierungsschemas im Dezember 2000
2. Ergänzungen des Standards. Diese können lizenzbelastet sein und sind nicht verbindlich. Erscheinungstermin des Entwurfs war im Juli 2001.
3. Motion-JPEG-2000. Erscheinungstermin des Entwurfs zum internationalen Standard war der März 2001, geplante Verabschiedung war Ende 2001.
4. Konformitätstests bis August 2001
5. Erscheinungstermin der Referenzsoftware im Spätsommer 2001.
6. Ein Entwurf für vermischte Bildformat-Inhalte (Grafik und Text) wird im Sommer 2001 erwartet und der geplante Verabschiedungstermin 2002.

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Einleitung

Das neue Bildformat JPEG 2000 ist eine Gemeinschaftsentwicklung zwischen der Universität von British Columbia, dem Unternehmen Image Power und der ISO. JPEG 2000 soll sowohl die verlustbehaftete, wie auch die verlustfreie Komprimierung ermöglichen. Bildinformationen können komprimiert und unkomprimiert gespeichert werden und die Fehlerquote soll deutlich niedriger liegen als bei seinem Vorgänger, dem JPEG Standard. Seit Jänner 2001 ist das JPEG 2000 von der ISO (International Standard Organization) zum neuen Bildstandard für das Internet erklärt worden. Dieser neue Standard löst das verbreitete JPEG-Format ab, welches bisher für digitale Farbfotografien maßgeblich war. diese Lerneinheit gibt einen Überblick über den Standard und dessen Verbesserungen gegenüber den JPEG Standard. In den Lerneinheiten Waveletbasierte Bildkodierung und JPEG2000 Kodierungstechnik werden Techniken und Algorithmen, die diesem Standard zu Grunde liegen, im Detail beschrieben. Weiters sei auf die Lerneinheit JPEG versus JPEG2000 hingewiesen, in der mit Hilfe eines Applets die qualitativen Unterschiede von JPEG und JPEG2000 komprimierten Bilder veranschaulicht werden.

Entwicklung von JPEG 2000

Die Entwicklung von JPEG 2000 lässt sich in sechs Abschnitte teilen:

1. Verabschiedung des lizenzfreien und verbindlichen Kodierungsschemas im Dezember 2000
2. Ergänzungen des Standards. Diese können lizenzbelastet sein und sind nicht verbindlich. Erscheinungstermin des Entwurfs war im Juli 2001.
3. Motion-JPEG-2000. Erscheinungstermin des Entwurfs zum internationalen Standard war der März 2001, geplante Verabschiedung war Ende 2001.
4. Konformitätstests bis August 2001
5. Erscheinungstermin der Referenzsoftware im Spätsommer 2001.
6. Ein Entwurf für vermischte Bildformat-Inhalte (Grafik und Text) wird im Sommer 2001 erwartet und der geplante Verabschiedungstermin 2002.

Teile des JPEG 2000 Standards

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auto

• Teil1: (ISO 135 / IEC 256 15444-1:2000) Beschreibung des Codecs
• Teil 2: beinhaltet Erweiterungen und Verfeinerungen des Kerns
• Teil 3: motion JPEG2000 - JPEG2000 als Videokompression (ISO / IEC15444-3:2002)
• Teil 4: Test von Implementationen auf Konformität zum JPEG2000 Standard (ISO / IEC 15444-4:2002)
• Teil 5: Referenzimplementationen (u.a. in C und Java)
• Teil 6: Zusammengesetzte Bilder, Bildsammlungen
• Teil 7: nicht fortgeführt
• Teil 8: JPSEC: JPEG2000 Sicherheitsaspekte
• Teil 9: Interaktive Protokolle
• Teil 10: JP3D: JPEG2000 für dreidimensionale Bilder
• Teil 11: JPWL: JPEG2000 wireless

Prinzipielle Erweiterung gegenüber JPEG

• Verbesserung der Performance
  • bei sehr niedrigen Datenraten
  • für unterschiedliche Bildtypen
• Gleiche Optionen und erweiterungen wie JPEG
  • Aber mit ein und derselben Architektur

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auto

Der JPEG 2000 standard besteht aus 11 Teile: Neben dem ersten Teil (ISO 135 / IEC 256 15444-1:2000) des Codecs befinden sich noch weitere 10 Teile von JPEG2000 in der Entwicklung, welche ich im folgenden kurz anführen möchte, obwohl sie nicht Hauptgegenstand dieses Textes sein werden:

• Teil1: (ISO / IEC 15444-1:2000) Beschreibung des Codecs
• Teil 2: beinhaltet Erweiterungen und Verfeinerungen des Kerns
• Teil 3: motion JPEG2000 - JPEG2000 als Videokompression (ISO / IEC15444-3:2002)
• Teil 4: Test von Implementationen auf Konformität zum JPEG2000 Standard (ISO / IEC 15444-4:2002)
• Teil 5: Referenzimplementationen (u.a. in C und Java)
• Teil 6: Zusammengesetzte Bilder, Bildsammlungen
• Teil 7: nicht fortgeführt
• Teil 8: JPSEC: JPEG2000 Sicherheitsaspekte
• Teil 9: Interaktive Protokolle
• Teil 10: JP3D: JPEG2000 für dreidimensionale Bilder
• Teil 11: JPWL: JPEG2000 wireless

Prinzipielle Erweiterung gegenüber JPEG

JPEG2000 wurde mit dem primären Ziel entwickelt, das bekannte JPEG Verfahren dort zu ergänzen, wo JPEG selbst nicht das geeignete Verfahren ist, so zum Beispiel bei der Kompression unterschiedlichster Bildtypen (JPEG selbst ist primär für die Kompression von „natürlichen“ Bildern ausgelegt) oder bei der Kompression mit sehr niedrigen Bitraten.

Im Gegensatz zu JPEG mit über 40, teilweise proprietären und nicht standardisierten Optionen und Erweiterung, welche in kaum einem Codec vollständig implementiert werden und zum Teil. mit sehr hohen Lizenzkosten einhergehen, deckt JPEG2000 in nur einem Standard eine große Fülle unterschiedlichster Anwendungsbereiche ab.

JPEG2000 als Nachfolger von JPEG

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Fehlende Eigenschaften vom bisherigen JPEG

• Qualität bei niedrigen Kompressionsraten nicht akzepabel (siehe Flash Applikation in JPEG versus JPEG 2000)
• Verlustfreie und verlustbehaftete Kompression nur mit unterschiedlichem Datenstrom
• JPEG ist begrenzt auf Bilder mit 64K x 64K Pixel
• JPEG kennt 44 Modi
  • Aber keine einheitliche Decoderarchitektur
• Fehlende Algorithmen zur Fehlerrobustheit
  • JPEG für Funkübertragung ungeeignet
• Unbrauchbar für berechnete Computerbilder mit harten Übergängen
• JPEG ist für natürliche Bilder entwickelt worden
  • Gute Performance für natürliche Fotografien
  • Unbrauchbar für berechnete Computerbilder mit harten Übergängen
• JPEG unbrauchbar für Verbunddokumente
  • Schlechte Performance bei Text und Strich

Neuerungen von JPEG 2000

• JPEG 2000 bietet 4 Methoden der progressiven Darstellung
  • Qualität
  • Auflösung
  • Position
  • Farbe
• JPEG 2000 bietet verlustlose Komprimierung
• ROI (Region of Interest)
  • Einzelne Bildausschnitte können nach Bedarf hervorgehoben werden
    • können genauer kodiert werden

Technischer Unterschied zwischen JPEG und JPEG 2000

• Transformationskodierung
  • JPEG Diskrete Cosinus Transformation (DCT)
  • JPEG 2000 Wavelets (siehe Lerneinheit Waveletbasierte Bildkodierung)
    • Jedes Wavelets beschreibt nur spezielle Region
      • Fehlerrobustheit
• Farbinformation
  • JPEG 2000 bist zu 256 Kanäle
• JPEG 2000 höhere Performance besonders bei niedrigen Kompressionsraten
  • siehe Flash Applikation in JPEG versus JPEG 2000
• Bildgröße
  • JPEG begrenzt auf64K x 64K Pixel
  • JPEG2000 keine Beschränkung
    • Um Übergrößen Hardwarefreundlich zu machen, kann Bild in Tiles unterteilt werden
• Wahl der Kompression
  • JPEG User gibt Qualitätsstufe vor
  • JPEG2000 User gibt gewünschte Dateiengröße vor

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Fehlende Eigenschaften vom bisherigen JPEG

Folgende Bereiche konnten/können mit JPEG nicht abgedeckt werden:

• Bildqualität bei hohen Kompressionsraten unter 0,25 bpp bei hochaufgelösten Grautonbildern ist nicht akzeptabel.
• Kein Standard verbindet bisher verlustfreie und verlustbehaftete Kompression in einem einzelnen Codestream.
• JPEG ist begrenzt auf Bilder mit 64K x 64K Pixel
• Keine einheitliche Dekompressionsarchitektur: JPEG kennt 44 Modi, viele davon sind anwendungsspezifisch. Es gibt sogar eine (fast unbekannte) verlustfreie Variante.
• Schwierige Übertragung auf gestörten Kanälen: Die Bildqualität von JPEG leidet dramatisch bei Bitfehlern. Für Funknetze ist es daher nicht geeignet.
• Unbrauchbar für berechnete Computerbilder mit harten Übergängen: JPEG ist für natürliche Bilder entwickelt worden.
• Unbrauchbar für Verbunddokumente: JPEG wird wegen seiner schlechten Performance bei Text und Strich kaum für Verbunddokumente (Text, Grafik, Bild) verwendet.

Neuerungen von JPEG 2000

• JPEG 2000 bietet 4 Methoden der progressiven Darstellung Qualität, Auflösung, Position und Farbe
• JPEG 2000 bietet die Möglichkeit Bilder ohne Verlust zu komprimieren (durch Auswahl eines bestimmten Typs von Wavelet)
• JPEG 2000 bietet die Möglichkeit ein Bild in eine gewünschte Größe zu komprimieren.

Für Details siehe Lerneinheit JPEG2000 Kodierungstechnik

Technischer Unterschied zwischen JPEG und JPEG 2000

• Der nennenswerte Unterschied zwischen JPEG und JPEG 2000 ist, dass JPEG die Diskrete Cosinus Transformation (DCT) nutzt, während JPEG 2000 Schwingungspakete (Wavelets, siehe Lerneinheit Waveletbasierte Bildkodierung) nutzt um ein Bild zu zerlegen.
• Durch diese Begrenzung der Region entstehen nur örtliche kleine Störungen, die kaum sichtbar sind. Dies erlaubt ebenfalls eine sichere Übertragung von sensiblen Daten z.B. medizinischen Dokumenten.
• JPEG 2000 bietet eine erhöhte Kapazität für Farbinformationen, bist zu 256 Kanäle stehen zur Verfügung um ein Bild zu beschreiben.
• Es besteht die Möglichkeit Metadaten innerhalb des JPEGS abzulegen und diese später zu bearbeiten.
• JPEG 2000 erlaubt theoretisch, eine bis zu 200fache Kompression der originalen digitalen Bilddatei.
• ROI (Region of Interest): Einzelne Bildausschnitte können nach Bedarf hervorgehoben werden.
• Sehr große Bilder (ohne Zerlegung). Keine Beschränkung der Bildgröße auf 65536x65536 mehr, wie bei JPEG.

Ziele von JPEG2000

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auto

• Hohe Kompressionsrate
• Hohe Leistung bei 0,25bpp - wichtig für Netzübtragung
• Ungehinderter Zugriff auf Daten
• Gemeinsame Halbton- und Strichkomprimierung
• Verlustfrei/verlustbehaftet
• Beschreibungsdaten
• Verschiedene progressive Modi
• Interface zu MPEG-4
• ROI

Komplexität

• JPEG2000 etwa zwei- bis dreimal rechenintensiver als der Vorgänger
  • Komplexität ist Problem für digitale Kameras
    • Höherer Stromverbrauch
    • längere Reaktionszeit

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Die Überarbeitung des JPEG-Standards verspricht bei höheren Kompressionsfaktoren eine bessere Bildqualität. Dies ist besonders interessant für Bilddatenbanken sowie für die professionelle Bildbearbeitung im wissenschaftlichen und medizinischen Bereich.

Mit der Einführung von JPEG 2000 werden eine ganze Reihe wichtiger Eigenschaften zur Verfügung gestellt, die für viele Anwendungsfälle von großer Bedeutung sind:

• Erhöhung des Kompressionsgrads über alle Bereiche um durchschnittlich 20 - 30 %. Frei skalierbar von verlustfrei (Kompression 50 %) bis verlustbehaftet.
• Hervorragende Leistungen bei niedrigen Bitraten unter 0,25 bpp, wie sie in der Netzübertragung und der Fernerkundung auftreten.
• Ungehinderter Zugriff auf den komprimierten Datenstrom. Dadurch können komprimierte Bilder betrachtet, verändert, bearbeitet, übertragen und gespeichert werden.
• Gemeinsame Halbton- und Strichkomprimierung: J2K kann unterschiedliche Dynamikbereiche von 1 bis 16 bit pro Farbkanal gleichermaßen gut komprimieren. Wichtig ist das für Verbunddokumente, Röntgenbilder mit Text-Overlay oder computergenerierte Bilder mit binären Regionen, Alpha- und Transparenzmasken.
• Verlustfreie und verlustbehaftete Kompression. In vielen Bereichen wie PrePress, Medizin oder der Langzeitarchivierung von Kulturgütern ist eine verlustfreie Kompression unverzichtbar.
• Progressive Übertragung entweder nach Pixelgenauigkeit (Farbtiefe) oder ortsfrequenter Auflösung.
• Beschreibungsdaten innerhalb des Bildformats sind für medizinische , juristische und archivarische Aufgaben unverzichtbar.
• Interface zu MPEG4: Standbilder können aus der Bewegtbildfolge entnommen und wieder eingefügt werden.
• Frei in der Form definierbarer Objekte (Object based composition): Erlaubt die Definition und die objektbezogene Beschreibung von „Regions of Interest“.

Komplexität

Die Vorzüge des neuen Standards haben jedoch ihren Preis. JPEG2000 ist etwa zwei- bis dreimal rechenintensiver als der Vorgänger, was sich auf den Stromverbrauch und die Reaktionszeit digitaler Kameras und anderer mobiler Geräte nachteilig auswirkt.

Fazit

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Teile des JPEG2000 Standards, die zur Zeit in Entwicklung sind

• Teil2 - Erweiterungen des Kerncodecs
• Teil 3 - Definition des JPEG2000 Standard als Videostandard
• Teil 6 - unterschiedliche Elemente eines Bildes werden verschieden komprimiert

Fragen zur Durchsetzbarkeit

• Wann können die Browser standardmäßig JPEG2000 Bilder darstellen?
• Sind die Vorteile gegenüber JPEG so groß, dass er ihn verdrängen kann ?

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Teile des JPEG2000 Standards, die zur Zeit in Entwicklung sind

Momentan sind neben dem vorgestellten ersten Teil des Standards noch weitere Teile in Planung bzw. schon fertig gestellt.

• Teil 2 des Standards wird Erweiterungen des Kerncodecs enthalten, u.a.0 Farbprofile, Urheberinformationen und erweiterte Metadaten. Erweiterungen dieses Teils sind unter Umständen nicht frei von Lizenzgebühren.
• Teil 3 definiert JPEG2000 als Videokompressionsstandard. Es bleibt abzuwarten, ob sich JPEG2000 hier trotz seiner hohen Komplexität durchsetzen kann.
• Teil 6 bietet die Möglichkeit, zusammengesetzte Bilder, z.B. einen Text mit Grafiken, in einem Bild zu komprimieren, wobei die verschiedenen Komponenten mit unterschiedlichen Einstellungen komprimiert werden können. Dieser Teil sieht auch die Implementation der automatischen Erkennung der verschiedenen Regionen eines Bildes vor.

Fragen zur Durchsetzbarkeit

• Bis sich der Standard, zumindest was seinen ersten Teil angeht, vollständig durchsetzt, wird es allerdings noch eine ganze Weile dauern. Betrachtet man z.B. gängige Webbrowser wie den Internet Explorer oder Netscape, so gibt es zwar schon entsprechende Plugins (meistens von Drittanbietern), aber man kann noch nicht voraussetzen, dass eine große Anzahl von Benutzern bereits in der Lage ist, Internetseiten mit JPEG2000 - Grafiken zu betrachten.
• JPEG2000 ist zwar ein recht universeller Codec, hat gegenüber JPEG und anderen Formaten jedoch den Nachteil, dass seine Vorteile für den allgemeinen Anwendungsfall nicht so überragend sind, dass er gebräuchliche Lösungen automatisch verdrängt.