joint photographics expert group

Joint Photographics Expert Group (JPEG) ist sowohl ein Standardisierungs-Gremium und Datenkompressionsverfahren als auch ein grafisches Dateiformat.

Seit 1987 beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe der ISO/IEC SC29/WG10 mit der Standardisierung eines Verfahrens zur Kompression von Farbbilder und Digitalfotos. Bei dem Verfahren zur Kompression von Pixelgrafiken handelt es sich um eine so genannte verlustbehaftete Kompression, bei der man bewusst Informationsverluste akzeptiert.

Bildqualität von JPEG in Abhängigkeit von den Kompressionsfaktoren

Ziel der JPEG-Aktivitäten war die Entwicklung eines Kompressionsalgorithmus, der sich an anwendungsspezifischen Anforderungen orientierte. Dazu gehört beispielsweise, dass der Anwender die Möglichkeit hat, reproduzierte Bilder in verschiedenen Qualitätsstufen darzustellen. Außerdem sollte JPEG für Bilder mit Farbverläufen geeignet sein und keine Beschränkungen in Bezug auf die Bildgröße, Farbtiefe, Pixelformat oder Komplexität und Farbvielfalt aufweisen. Darüber hinaus bezog sich eine Anforderung auf die Überschaubarkeit des Verfahrens, damit es in vielen unterschiedlichen Hardware-Plattformen eingesetzt werden kann.

Die Stufen der JPEG-Kompression

Die JPEG-Kompression läuft in mehreren Stufen ab: Zunächst werden die Primärfarben RGB der zu komprierenden Pixelgrafik in ihren Helligkeitsanteil, die Luminanz (Y), und ihren Farbanteil, die Chrominanz (C), zerlegt und in das YCbCr-Farbmodell konvertiert. Mittels Farb-Subsampling wird das YUV- oder YCbCr-Signal einer ersten Datenreduktion unterzogen. Anschließend wird das Farbbild in 8x8-Pixelblöcke für Helligkeits- und Farbsignale aufgeteilt. In der folgenden DCT-Transformation werden die Intensitätsdaten in Frequenzdaten transformiert. Dabei werden die einzelnen Pixelblöcke kanalweise in ihre frequenzmäßigen Anteile übersetzt und daraus eine Koeffizientenmatrix erstellt.

DCT-Transformation eines 8x8-Pixelblocks in eine Koeffizientenmatrix bei JPEG

Diese Matrix enthält 64 DCT-Koeffizienten, die den Anteil der jeweiligen Funktion an dieser Darstellung repräsentieren. Sie enthält genau so viele oder sogar mehr Daten wie vor der DCT-Transformation, da die einzelnen Spektralwerte wegen der Vermeidung von Rundungsfehlern mit höherer Genauigkeit dargestellt werden. Allerdings können diese Matrixdaten reduziert werden, ohne dass der Bildeindruck sichtbar beeinträchtigt wird. Da das menschliche Auge geringe Helligkeitsänderungen in feinen Bilddetails nicht mehr erkennt, werden die hochauflösenden Bilddetails mit geringerer Auflösung quantisiert.

Da die DCT-Transformation selbst keine Datenkompression verursacht, wird die Koeffizientenmatrix quantisiert. Bei dieser Quantisierung wird jeder Koeffizient durch einen bestimmten Faktor geteilt und anschließend gerundet, kleinere Werte werden eliminiert. Die Divisoren für die Koeffizienten werden in Quantisierungstabellen in den Headern der JPEG-Datei gespeichert, getrennt für Farb- und Helligkeitssignale. Bei höherer Bildkompression werden die Quantisierungswerte größer und es entfallen mehr DCT-Koeffizienten. Die quantisierte Koeffizientenmatrix enthält daher wesentlich weniger und kleinere Werte als die nichtquantisierte.

JPEG-Komprimierung mit verschiedenen Komprimierungsfaktoren

Nach der Quantisierung erfolgt die eigentliche Kompression, die nur die Differenzwerte der Farbkomponenten in Relation zu einem Basiswert umfasst, da aufeinander folgende Werte nur geringfügig voneinander abweichen. Da die Abweichungen gegenüber dem ermittelten Referenzwert relativ gering sind, benötigt JPEG für die Kompression einer 8x8-Matrix relativ wenige Daten. Diese werden mit der Lauflängencodierung (RLE) und anschließender Huffman-Codierung codiert.

Kennwerte von JPEG

Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird durch die Qualitätsklassen für die JPEG-Codierung unterstrichen.

Die Extension für das JPEG-Dateiformat ist .jpg.

2001 hat die ISO ein verbessertes JPEG-Format mit der Bezeichnung JPEG 2000 standardisiert.