| Title: | JPEG versus JPEG 2000 | ||
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| Abstract: | Der JPEG 2000 Standard soll die Vorherrschaft des momentan vorherrschenden JPEG Standards ablösen und selbst zum neuen Standard für Bildkompression werden. Doch wie effizient ist er wirklich? Diese Lerneinheit soll eine Vergleichsmöglichkeit zwischen den beiden Standards bieten, sowohl auf mathematischen bzw. computertechnischen Kennzahlen, als auch durch den einfachen optischen Vergleich mehrerer mit verschiedenen Verfahren kodierten Bildern. | ||
| Status: | Captions missing | Version: | 2005-01-17 |
| History: | 2005-01-17
(Thomas migl): math-xml hinzugefügt 2005-01-07 (Robert Fuchs): Changed some <br> to <p>. 2004-11-09 (Thomas migl): Applet Iinstruktions hinzugefügt 2004-11-04 (Thomas migl): Acros added 2004-09-23 (Thomas Migl): Abb. explanantions korrigiert 2004-09-15 (Thomas Migl): pda Abbildung hinzugefügt 2004-09-13 (Thomas Migl): 1Abb importiert 2004-09-07 (Thomas Migl): Flash Applet upgedated 2004-09-03 (Thomas Migl): LU finalisiert, Flash Implementiert |
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| Author 1: | Marie-Theres Tschurlovits | E-Mail: | |
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| Author 2: | Thomas Migl | E-Mail: | migl@ims.tuwien.ac.at |
| Author 3: | (empty) | E-Mail: | (empty) |
| Author 4: | (empty) | E-Mail: | (empty) |
| Author 5: | (empty) | E-Mail: | (empty) |
| Organization: | Technische Universität Wien; Institut für Softwaretechnik und Interaktive Systeme; Arbeitsgruppe für Interaktive Multimediale Systeme; http://www.ims.tuwien.ac.at/ | ||
Einleitung1auto
2autoIn den Lerneiheiten JPEG Standard, JPEG Bildvorbereitung, JPEG Kodierungstechnik, Waveletbasierte Bildkodierung, JPEG2000 Standard, JPEG2000 Kodierungstechnik wurde ausführlich die Funktionsweise der beiden Formate JPEG und JPEG2000 erläutert. In dieser Lerneinheit sollen die beiden nun konkret einander gegenübergestellt werden. Erweiterungen von JPEG gegenüber JPEG20001Erweiterungen in JPEG2000
2Erweiterungen in JPEG2000BildgrößeWährend die Bildgröße im JPEG-Format mit 65536 x 65536 Pixel begrenzt ist, unterliegen die Bilder in JPEG2000 keiner solchen Einschränkung mehr. TilingAufteilung in Bildabschnitte: In JPEG2000 kann ein Bild (ausgenommen von Restflächen an den Bildrändern) in Quadrate der Seitenlänge 2x aufgeteilt werden, was zu einer Reduzierung des Speicherbedarfs führt. Die Kodierung der Bildabschnitte erfolgt unabhängig voneinander. Diese Aufteilung des Bildes in Tiles darf jedoch nicht mit der im JPEG üblichen Aufteilung in 8x8-Pixelblöcke verwechselt werden. Durch eine symmetrische Erweiterung des Signals einzelner Tiles vor der Wavelet-Transformation werden Randeffekte, die durch die Länge der Filter verursacht werden, reduziert. Im ersten Teil des JPEG2000 Standards sind nur Tiles vorgesehen, die sich nicht überlappen, während im zweiten Teil auch die Möglichkeit überlappender Tiles gegeben ist, die für eine weitere Verminderung der Bildung von störenden Effekten sorgen. Progressiver BildaufbauIn JPEG2000 lassen sich unterschiedliche Darstellungen eines Bildes aus einer einzigen Datei generieren. Benötigt man z.B. nur ein kleines Vorschaubild, wird vorerst nur dieses angezeigt. Ist man an einer Darstellung mit höherer Auflösung interessiert kann dieses, durch den Betrachter gesteuert, nachgeladen werden. Außerdem ist es so möglich in einer Datei sowohl eine verlustfreie als auch eine verlustbehaftete Variante desselben Bildes zu speichern, wozu früher zwei separate Dateien nötig waren (z.B. eine im JPEG - und die andere im TIFF 518 -Format). Diese Eigenschaft findet sowohl im Webbereich (z.B. Thumbnails) als auch in der Druckindustrie (z.B. Probeabzug) Verwendung. Der progressive Bildaufbau ist zwar bereits mit JPEG möglich, leider steht diese Variante nur in spezifischen Implementierungen des Standards zur Verfügung. Regions of Interest (ROI)Durchschnittlich liefert JPEG2000 gegenüber JPEG einen 30% höheren Kompressionsfaktor bei gleicher Qualität. In Spezialfällen ist es jedoch möglich noch weitaus höhere Kompressionsraten zu erzielen. In JPEG2000 lassen sich so genannte Regions of Interest ROI definieren, die Bildteile beschreiben, die besonders schonend komprimiert werden sollen. Im Gegenzug werden dafür Bildteile außerhalb dieses Bereichs stärker komprimiert. Das Bildmaterial innerhalb der ROI 144 behält so auch bei starker Kompression seine Schärfe bei, während die anderen Bereiche mit geringerer Detailgenauigkeit gespeichert werden. Verlustlose KomprimierungIm Gegensatz zu JPEG, wo verlustlose Kompression zwar prinzipiell möglich ist, aber nur sehr unbefriedigende Resultate liefert, und deshalb ein eigenständiges Format mit verlustloser Kompression, JPEG-LS 521, ausgegliedert wurde, vereint JPEG2000 verlustbehaftete und verlustlose Kompression und ermöglich einen fließenden Übergang der beiden. Stufenlose KompressionBei JPEG2000 werden die begrenzten Wavelet-Basisfunktionen so lange passend verschoben und skaliert, bis das gesamte Bild in der gewünschten Detailtiefe repräsentiert wird. Dieses Verfahren lässt sich beliebig iterieren, was in weiterer Folge eine stufenlose Anpassung der Kompressionsrate an die jeweilige Anwendung ermöglicht. JPEG lässt zwar auch eine manuelle Steuerung der Kompression zu, jedoch nur durch Festlegung fixer Qualitätsparameter. Eine gr0ßer vorteil von JPEG2000 sit dabei, dass der User für die Kompression die gewünschte Dateiengröße angeben kann. Hohe FehlertoleranzDurch Aufteilung des Bildes, fehlerkorrigierende Codes und Resynchronisierung weist JPEG2000 eine hohe Fehlertoleranz auf was zu einer relativ geringen Auswirkung von Übertragungsfehlern führt. FarbkanäleJPEG2000 stellt im Gegensatz zu JPEG insgesamt 256 Kanäle zur Beschreibung des Bildes zur Verfügung, wodurch auch die Möglichkeit zur Speicherung und Verarbeitung komplexerer Farbräume gegeben ist. Es ist beispielsweise möglich, ein Bild nun sowohl im RGB 302- als auch im CMYK 391 -Format gleichzeitig zu speichern, während man sich in JPEG noch für eine Variante entscheiden musste. Die Kanäle bieten auch genügend Kapazität um ICC-Profile zu berücksichtigen, was eine geräteunabhängige Konstanz der Farben gewährleistet. MetadatenEine wichtige Erweiterung zu JPEG stellt die Möglichkeit dar, in JPEG2000 auch Metainformationen eines Bildes speichern zu können. Beispiele für solche Metadaten sind u.a. der Ersteller eines Bildes, die Kamera mit der ein Bild aufgenommen wurde, Lizenzrechte, etc. Die Metadaten sind auch im Nachhinein noch editierbar. Weiters lassen sich beispielsweise digitale Wasserzeichen u.ä. als Kopierschutz einfügen Vorteile von JPEG gegenüber JPEG20001auto
2autoAuch wenn es vielleicht so scheinen mag, als wäre JPEG2000 die Lösung aller Probleme, so darf man nicht vergessen, dass es sich eigentlich nur um eine verfeinerte und nachgebesserte Version des JPEG-Formats han-delt. Auch wird JPEG deshalb noch nicht so schnell von der Bildfläche verschwinden, da es durch die langjährige Entwicklung zu einem sehr ausgereiften Format wurde, welches auch jetzt noch einige Pluspunkte aufweist. Geringere Komplexität und RechenzeitDie mathematische Komplexität der Wavelet-basierten Kompression ist ungefähr zehnmal so hoch wie die der Diskreten Cosinus Transformation. Während dies bei schnellen Rechnern nicht unbedingt ins Gewicht fallen muss, bereitet dieser Umstand beispielsweise Digitalkameras Probleme. Hier muss deshalb ein Kompromiss zwischen Rechenleistung, Speicherbedarf und Batterieverbrauch gesucht werden. Gut geeignet für TexturenObwohl JPEG2000 insgesamt höhere Kompressionsraten erzielt, gibt es trotzdem noch Anwendungsfelder in denen man mit JPEG besser beraten ist. Als Faustregel könnte man sagen, dass JPEG2000 eine bessere Komprimierung bei Bildmaterial mit hohen Kontrasten aufweist, JPEG sich jedoch für Texturen besser eignet. Objektive Evaluierung von Bildqualität1PSNR
2autoUm Bildstörungen, die durch Kompression in das Bildsignal eingeführt worden sind, auch messtechnisch beurteilen zu können, wurde das Maß PSNR eingeführt. PSNRDas so genannte Spitzenwert-Signal-Geräusch-Verhältnis, besser bekannt als Peak Signal to Noise Ratio PSNR, stellt eine weit verbreitete, objektive Messgröße für die Qualität eines Bildes dar. Je höher der Wert der PSNR, desto besser ist das Ergebnis, also die Bildqualität. Das PSNR 455 wird in [dB 502 ]angegeben und lässt sich folgendermaßen berechnen:
Das Rauschen (noise) entspricht dem Fehler zwischen dem Originalsignal
Grenzen der Bildevaluierung mittels PSNRMit PSNR 455 wird zwar eine Möglichkeit zur objektiven Messung von Bildqualität geboten, oft beschreibt diese Größe die vom Menschen subjektiv empfundene Bildqualität nur unzureichend. Trotzdem bietet PSNR eine gute Möglichkeit verschiedene Kompressionsverfahren miteinander zu vergleichen. rau1999 PSNR von JPEG und JPEG20001Abbildung: PSNR bei JPEG und JPEG2000 PC rau1999
Abbildung: PSNR bei JPEG und JPEG2000 PDA_Phone rau1999
2Abbildung: PSNR bei JPEG und JPEG2000 PC rau1999
Abbildung: PSNR bei JPEG und JPEG2000 PDA_Phone rau1999
Erklärung zur Abbildung: PSNR bei JPEG und JPEG2000Die Abbildung zeigt einen Vergleich derPSNR 455-Werte (ein höherer Wert zeugt von besserer Bildqualität) der Kodierung im JPEG-Format (mit Diskreter Cosinus Transformation) und mit der Wavelet-Transformation, wie sie auch im JPEG2000-Standard verwendet wird. Sowohl bei neidrigen (< 5) als auch bei höheren Kompressionsraten (> 20) zeigt sich die Überlegenheit der Wavelets gegenüber der Kodierung mit JPEG. Bei mittleren Kompressionsraten sind sich die beiden Formate relativ ähnlich. Subjektive Evaluierung der Bildqualität1Applet: JPEG versus JPEG2000 applet-m4_04_26_01
2Applet: JPEG versus JPEG2000 applet-m4_04_26_01BeschreibungDas Applet soll eine subjektive Beurteilung von JPEG und JPEG2000 ermöglichen. Durch Anklicken einer der 5 Beispielbilder wird das gewünschte Bild links als JPEG und rechts als JPEG2000 geladen. Man wähle nun einen beliebigen Kompressionsfaktor und betrachte die beiden Bilder. Die Maus fungiert dabei als Lupe. Bei hohen Kompressionsraten werden bei JPEG die störenden Blockartefakte und Farbverfälschungen deutlich sichtbar, während bei JPEG2000 das Bild nur unschärfer wird. Weiters werden die entsprechenden PSNR Werte angzeigt. Instruktionen
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und der Rekonstruktion
des Signals 
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