JPEG (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 verlustbehaftete Kompression, bei der man bewusst Informationsverluste akzeptiert um dadurch eine höhere Kompressionsrate zu erreichen.


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 Fotos 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 JPEG-Kompression

Die JPEG-Kompression läuft in mehreren Stufen ab: Zunächst werden die Primärfarben RGB der zu komprimierenden 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 Pixelblöcke für Helligkeits- und Farbsignale aufgeteilt. Man spricht in diesem Zusammenhang von Downsampling, weil man zwei, vier oder acht benachbarte Pixel im Farbwert mittelt und zu einem Pixel zusammenfasst.

Die Stufen der JPEG-Kompression

Die Stufen der JPEG-Kompression

In der folgenden Discrete Cosine Transformation (DCT) werden die Intensitätsdaten in Frequenzdaten transformiert. Dabei werden die einzelnen 8x8-Pixelblöcke kanalweise in ihre frequenzmäßigen Anteile übersetzt und daraus eine Koeffizientenmatrix erstellt.

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

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.

Die Quantisierung

JPEG-Komprimierung mit verschiedenen 
   Komprimierungsfaktoren

JPEG-Komprimierung mit verschiedenen Komprimierungsfaktoren

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.

Kennwerte 
   von JPEG

Kennwerte von JPEG

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 Run Length Encoding (RLE) und anschließender Huffman-Codierung codiert. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird durch die Qualitätsklassen für die JPEG-Codierung unterstrichen.

Die Extension für das JPEG-Dateiformat ist .jpg. 2001 hat die internationale Standardisierungs-Organisation (ISO) ein verbessertes JPEG-Format mit der Bezeichnung JPEG 2000 standardisiert.

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Deutsch:
Englisch: joint photographics expert group - JPEG
Veröffentlicht: 10.02.2015
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Tags: #Grafik-Dateien #Grafikkompression
Links: Arbeitsgruppe, Auflösung, Bild, Bildkompression, Chrominanz