Grafik-Kompression

Warum komprimieren?

Grafiken, sofern nicht im Vektor-Format abgespeichert, benötigen sehr viel Speicherplatz. Daher werden Grafik-Dateien oft komprimiert gespeichert. Besondere Bedeutung erhalten Kompressionsmechanismen im Hinblick auf Video-Daten. Zukünftig könnten in jeden Haushalt via Kabel individuelle Programme gesendet werden (Video on demand). Die dabei entstehenden riesigen Datenmengen müssen komprimiert werden um sie überhaupt über das Netzwerk in Echtzeit transportieren zu können. Prinzipiell kann zwischen verlustfreier und verlustbehafteter Komprimierung unterschieden werden. Bei verlustfreier Komprimierung werden Redundanzen zusammengefaßt, also wiederkehrende Pixel (=Bildpunkte) gleicher Farbe. Die Redundanz kann bei Videosequenzen auch in einer Zeitfolge betrachtet werden. Im anderen Fall werden irrelevante Informationen weggelassen. Das sind solche Informationen, die das menschliche Auge nicht wahrnehmen oder unterscheiden kann. Dabei muß der Kompressionsgrad so eingestellt werden, daß ein Kompromiß zwischen Dateigröße und Qualität gefunden wird. Es gilt: Je höher die Kompression desto kleiner die Datei und größer die Störungen. Das Original kann nicht mehr rekonstruiert werden.

Zielsetzungen

Le Galle formulierte folgende Zielsetzungen:

• Bildfehlerkorrektur: Fehler, die beim Abspielen, Speichern oder Kopieren auftreten können sollen erkannt und korrigiert werden können.
• Skalierbarer Aufwand: Kompression/Dekompression soll auf allen Systemen, auch auf jenen mit niedriger Leistungsfähigkeit, möglich sein.
• Format- und Auflösungsvielfalt: Unterschiedliche Formate und Auflösungen sollen unterstützt werden.
• Kosten: Der Algorithmus soll kostengünstig, mit vertretbarem Aufwand an Hard- und Software durchführbar sein.

Bilddarstellungen

Wie wird ein Bild überhaupt digital dargestellt?

Lichtwellen verschiedener Wellenlänge treffen auf die Rezeptoren des Auges, über die Verarbeitung im Gehirn werden Farben wahrgenommen. Am Computer ist das RGB (red/green/blue)-Schema das gebräuchlichste, bei Druckern das CMYB (cyan/magenta/yellow/black)-Schema. Bei RGB wird jede Farbe aus einem Rot-, einem Grün- und einem Blau-Anteil gemischt. Das menschliche Auge kann kaum mehr als 256 Abstufungen einer Farbe und in Summe überhaupt nur rund 60.000 Farben wahrnehmen. Somit ergeben sich rund 16 millionen unterscheidbare Farbwerte. Allerdings kann das menschliche Auge auch Helligkeitsnuancen, nämlich bis zu 600, unterscheiden.

Kompressionsverfahren

Für die Beseitigung von Redundanzen können folgende Arten von Redundanzen unterschieden werden: Räumliche Redundanz: eine gleiche oder ähnliche Farbinformation kommt mehrmals, etwa bei sich wiederholdenden Mustern, vor. Spektrale Redundanz: ähnliche Farbkomponenten kommen vor. Zeitliche Redundanz: Nur Teile eines Bildes bei einer Videosequenz ändern sich, der Rest des Bildes bleibt gleich.

Bei Kompression werden Redundanzen mit oder ohne (siehe oben) Verlust entfernt. Die Kompression verläuft prinzipiell in folgenden 4 Phasen:

1. In der Vorverarbeitung wird das Bild durch Filterung, Löschung unerwünschter Bildausschnitte oder Transformation von Bildelementen so verändert, daß eine bessere Kompression ermöglicht wird.
2. In der reversiblen Transformation werden Bildelemente reversibel zu anderen Bildelementen in Relation gestellt und abgebildet.
3. In Zuge der Quantisierung wird eine Irrelevanzreduktion durchgeführt und natürlich nur bei verlustbehafteter Kompression vorhanden.
4. Bei der Umcodierung werden häufig vorkommende Elemente kurze und selten vorkommende Informationen lange Codes erhalten.

Die Codierung erfolgt dann entweder nach der Huffman-Codierung, in der nach Häufigkeit des Vorkommens codiert wird und jedem Zeichen ein Code zugeordnet wird, oder nach der arithmetischen Codierung, wo Zeichenfolgen codiert werden. Das zweite Verfahren ist meist effizienter.

Grafikformate

GIF

Das GIF (Graphics Interchange Format) von Compuserve ist eines der bekanntesten Formate und wird im Internet häufig genutzt. Das GIF-Bild kann 256 Farben verarbeiten, wobei nur die tatsächlich benötigte Farbpalette gespeichert wird. Mit Version 87 kann man Grafiken rastern, so kann man während des Ladenvorgangs bereits Teile des Bildes erkennen, seit 1989 können mehrere Grafiken in einer Datei ge speichert werden. Somit sind einfache Animationen möglich. Eine Kompression bis 5:1 ist erreichbar.

JPEG

JPEG ist ein verlustbehaftetes Kompressionsformat von der Joint Photographic Experts Group. Ziel war eine Reduktion ohne merkbaren (aber vorhandenem) Qualitätsverlust.

Eine weitere Methode ist die Diskrete Cosinus-Transformation (DCT), wo nach einer Fourier-Transformation (Auflösung von Schwingungen in überlagerte Sinuswellen) komprimiert wird.

Quantisierung

Bei der Quantisierung werden die Amplituden der höherfrequenten Anteile des Bildes geringer gewichtet als die der niederfrequenten. So werden eng beieinander liegende Farbwerte zu einem zusammengefaßt.

Weiters kann die fraktale Kompression genannt werden. Wie bei fraktalen Bildern werden Ähnlichkeiten großer und kleiner Bildbereiche zu ermitteln - ähnlich wie bei fraktalen Bilden (Apfelmännchen, Mandelbrot, Juliamengen). Auch in der Natur finden sich solche Ähnlichkeiten. Ein Muster eines Blattes kann auch im Inneren eines Bereiches wiedergefunden werden. Dann sei erwähnt die Wavelet-Kompression, die dem JPEG-Verfahren ähnlich ist, aber Sinus- und Cosinuswellen verschiedene Wellenformen, den Wavelets, einsetzt.

Kodierung von Videoinformation

Für Animationen existiert der das Motion-JPEG-Format, eine Weiterentwicklung des JPEG-Standards als eine kostengünstige, da weniger Hardware-intensive Möglichkeit. H261 ist Standard für Videotelefonie und -konferenzen via ISDN. Die aus mehreren Codierungsverfahren bestehende Kompression muß schnell und gleichmäßig, da zeitkritisch, ablaufen. Bei DPCM werden Bildpunkte auf der zeitlichen Ebene "vorhergesagt" (Prädiktion) und der Unterschied wird übertragen. Dies ist extrem schnell bei Farbübergängen auf der Zeitachse. MPEG (Moving Picture Experts Group) ermöglicht die Kompression von Bild- und Ton(Audio)informationen und deren Synchronisation. Der Aufwand für die Kompression ist höher als bei anderen Verfahren und wird eingesetzt bei asynchroner Komprimierung und Dekomprimierung, wie z.B. bei elektronischen Lexika oder Videos auf CD-ROM. Mittlerweile sind mehrere MPEG-Versionen für verschiedene Anwendungen und Anforderungen etabliert. Der Einsatz von MPEG erstreckt sich bis von Funktelefonie, Fernsteuerung bis Videotelefonie über analoge Telefonleitungen.

Kurze Zusammenfassung

JPEG eignet sich für Fotografische Darstellungen mit Kompressionsraten bis 25:1. Fraktal-Kompression ist hier ebenfalls gut geeignet. GIF eignet sich für Bilder mit bis zu maximal 256 Farben bei einer Kompressionsrate bis 5:1. Die Wavelet-Kompression ist mit JPEG vergleichbar.

Werkzeug(e)

Es existieren eine große Anzahl von Werzeugen zur Datenkompression bzw. Reduzierung von Dateigröße. Hier sei beispielhaft ein Produkt erwähnt: ein neues File-Format, das allerdings derzeit noch von wenigen Programmen unterstützt wird, mit extrem hohem Kompremierungsfaktor: das LuraWave-Format von LuraWaveTech.

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