Weblog-Suside: 2005-01-02

Sonntag, 2. Januar 2005

Aufgabe 7; Digitale Medien - JPEG

susanne.deisl.uni-sbg, 20:12h

1. Beschreibung des Dateiformats JPEG

2. Qualitätsmerkmale

3. Kompressionsmethoden
3.1. Verlustfreie und Verlustbehaftete Kompression
3.2. Kompressionsmodi bei JPEG
3.3. Ablauf der JPEG-Kompression:

4. Einsatzgebiete

5. JPEG 2000

6 JPEG 2000-Software

7 Sicherheitslücken

8 Quellenverzeichnis

Beschreibung des Dateiformats JPEG

JPEG steht für Joint Photographic Expert Group, also nicht der Name des Grafikformats, sondern der Name der Korporation, die das Format entwickelt hat. Das JPEG-Verfahren ist ein Kompressions-Algorithmus für Datenströme, der auf dem Algorithmus DCT (Diskrete Cosinus Transformation) in Verbindung mit der Huffman-Kodierung basiert. Das gleichnamige Dateiformat für Grafiken ist einfach eine Anwendung dieses Algorithmus auf Pixelgrafiken. Mittlerweile wird der JPEG-Algorithmus auch auf Videos angewendet und hat das auch schon vielvertreitete Video-Format MPEG hervorgebracht.

Das JPEG-Grafikformat komprimiert wie das GIF-Format ebenfalls sehr gut und hat gegenüber dem GIF-Format den Vorteil, dass es pro Bild bis zu 16,7 Millionen Farben speichern kann. Es arbeitet deshalb nicht wie das GIF-Format mit Farbpaletten bestimmter Farben, sondern mit dem gesamten Farbspektrum. Der Nachteil bei JPEG ist, dass es mit Verlust komprimiert. Je höher der Kompressionsfaktor, desto schlechter die Qualität der Grafik.

Beim JPEG-Format kann man bei besseren Grafikprogrammen zwei Parameter selbst bestimmen:

DPI-Dichte: Das ist die Punktdichte (dpi = dots per inch). Bei JPEG-Dateien, die Sie nur für die Anzeige in Web-Seiten benötigen, genügt ein Wert zwischen 70 und 100 dpi. Falls Sie die Grafik ausdrucken wollen, benötigen Sie allerdings deutlich mehr dpi.

Kompressionsfaktor: Je höher der Kompressionsfaktor, desto schlechter die Bildqualität. Je geringer der Kompressionsfaktor, desto größer die Datei.
Verluste durch Kompression entstehen bei JPEG-Grafiken vor allem bei scharfen Farbübergängen im Bild, also bei Ecken und Kanten von abgebildeten Gegenständen ("Ränder fransen aus"). Für Bilder mit wenigen Farben, aber klaren Konturen, also z.B. für einfache Zeichnungen, scharfe Schriftzüge usw. ist das JPEG-Format deshalb nicht geeignet. Seine Stärke zeigt das Format dagegen beim Abspeichern von Fotos und anderen Grafiken, in denen sehr feine Farbverläufe vorkommen. Selbst bei geringer Kompression sind die Dateigrößen schon um ein Vielfaches kleiner als etwa bei Bitmap-Grafiken. Sogar den Bildschirm füllende Fotos lassen sich mit JPEG bei brauchbarer Qualität auf Dateigrößen bringen, die im Web als akzeptabel gelten können.

Es gibt eine Variante von JPEG-Grafiken, so genannte "progressive JPEG-Grafiken". Dabei wird, ähnlich wie beim GIF-Format in der Variante "interlaced", zuerst eine vollständige, aber noch undeutliche Fassung der Grafik am Bildschirm aufgebaut. Das erste, noch nicht ganz deutliche Bild kann bereits am Bildschirm angezeigt werden, nachdem etwa 15% der Grafikdatei an den aufrufenden Web-Browser übertragen wurden.

Beschreibung des Dateiformats auf WIKIPEDIA:
http://de.wikipedia.org/wiki/JPEG

Qualitätsmerkmale

Für Schriften, Logos und Zeichnungen ist das Verfahren des JPEG nicht geeignet - dafür setzt man GIF ein, das aber nur 256 Farben beinhaltet. Für Fotos mit Konturen ist JPEG ideal!
JPEG beginnt dort, wo GIF aufhört: in Farbräumen oberhalb der 8-Bit-Tiefe. Fotos und künstlerische Darstellungen mit vielen Farbnuancen sind ideal für JPEG. Entsprechend ungeeignet ist diese Komprimierungs-Methode für scharfe Ränder und kurze Verläufe.
Die JPEG-Komprimierung soll vor allem Speicherplatz sparen, dafür nimmt man Kompromisse bei der Bildqualität in Kauf.
JPEG-Dateien sind nicht einheitlich wie GIF-Dateien. Es kann passieren, daß die Bildbearbeitungs-Software eine Datei mit der Endung 'jpg' nicht einliest und als "unbekanntes Format" zurückweist. Es gibt unterschiedliche Dateien, die sich "jpg" nennen. Sie komprimieren zwar ein Bild nach dem gleichen Verfahren, aber sie speichern das Ergebnis in unterschiedlich aufgebauten Dateien. Die "echten" JPEG-Dateien heißen eigentlich JFIF-Dateien, "JPEG FILE INTERCHANGE FORMAT", ein Austauschformat für JPEG-kodierte Bilder, das dokumentiert ist und von den meisten Bildprogrammen verwendet wird.

Kompressionsmethoden

3.1. Verlustfreie und verlustbehaftete Kompression
Die Bildkompression wird in zwei Methoden unterschieden: Der verlustfreien und der verlustbehafteten Kompression.

Verlustfreie Kompression (lossless compression):
Bei dieser Variante findet keine Reduktion der Bilddaten statt und somit werden auch keine Bildinformationen zerstört und alle Bildelemente bleiben erhalten. Sie wird oft bei aufwendigen und sehr teuren Bilddaten verwendet wie etwa in der Medizin.
Digitale Formate, die ohne Qualitätsverlust speichern, sind zum Beispiel BITMAP und TIFF. Solche unreduzierten Bilddaten sind speicheraufwendig, dafür haben sie auch eine hohe Qualität.

Verlustbehaftete Kompression (lossy compression):

Bei der verlustbehafteten Kompression wird weniger Wert auf die Bildqualität gelegt jedoch dass die Dateigröße so gering wie möglich gehalten wird. Daher werden die Bilddaten bei dieser Methode reduziert, sodass das Ausgangsbild nicht 1:1 wiederherstellbar ist, sondern eine schlechtere Qualität bietet. Das bedeutet, dass die Bilder nach dem Speichern im JPEG-Format und anschließendem Zurückladen in Ihre Anwendung in der Darstellungsqualität schlechter geworden sind.
Fehler im Bild können dann durch zu starkes Komprimieren und den daraus resultierendem Wegfall von Bilddaten entstehen (das nennt man Artefakte). Verlustbehaftete Bildkompression wird dort eingesetzt, wo große Datenmengen nicht ohne Weiteres verarbeitet werden können, ein Beispiel ist hier das Internet, das wie alle Netzwerke keine besonders hohe Übertragungsgeschwindigkeit hat, sodass BMP-Bilder zum Beispiel viel zu viel Ladezeit in Anspruch nähmen. Dateiformate, die Bilddaten reduzieren und daher auch weniger Speicherplatz benötigen, sind zum Beispiel GIF und JPEG

3.2. Kompressionsmodi bei JPEG:

Das Kompressionsverfahren ist hier in vier verschiedene Modi gegliedert:
·progressive mode
das Bild wird in verschiedenen Läufen kodiert und dekodiert. Jeder nachkommende Durchgang verbessert dabei die Bildqualität, was bei Übertragungen von größeren Entfernungen sehr hilfreich ist. Wenn dann das Bild für den Benutzer die optimaleSchärfe erreicht hat, kann er die Übertragung stoppen.
· Der hirarchical mode
hier wird das Bild in einer geringeren Auflösung gespeichert und auch in voller. Das gering aufgelöste Bild kann wesentlich schneller übertragen und dekodiert werden und eignet sich damit als schnelle Vorschau auf das eigentliche Bild.
·lossless mode
Dieses ist das einzige Verfahren, bei dem verlustfrei kodiert und dekodiert wird. Die Kompressionsrate ist sehr gering, was einen wesentlichen Nachteil darstellt.
·sequentiell mode
bei diesem Verfahren wird das Bild in einem einzigen Durchgang von links oben nach rechts unten dekodiert, was grundsätzlich für fast alle Anwendungen recht gut geeignet ist.
Die Methode des sequentiell mode ist die gebräuchlichste. Die anderen drei Techniken sind nur in Ausnahmefällen und ganz spezifischen Einsatzbereichen sinnvoll, basieren aber im Prinzip auf den gleichen Verfahren wie der sequentiell mode.

3.3. Ablauf der JPEG-Kompression
http://www.mathematik.de/spudema/spudema_beitraege/beitraege/rooch/kap04.html

Einsatzgebiete

JPEG 2000

Die International Organization for Standardization (ISO) hat das Format "JPEG 2000" am 2. Januar 2001 zum Standard erklärt. An der Entwicklung von JPEG 2000 sind seit 1997 die Universität von British Columbia, das Unternehmen Image Power sowie die ISO beteiligt.
Die Überarbeitung des JPEG-Standards beinhaltet bei höheren Kompressionsfaktoren eine bessere Bildqualität. Dies ist besonders interessant für Bilddatenbanken sowie für die professionelle Bildbearbeitung im wissenschaftlichen und medizinischen Bereich. Ein Pixel-Bild wird dazu ausführlich vor der Kompression analysiert und unifarbene, glatte Flächen werden nur noch grob aufgelöst. Gleichzeitig bietet JPEG 2000 durch eine reduzierte Artefaktbildung eine deutlich bessere Bildqualität. JPEG 2000 kann außerdem digitale Wasserzeichen speichern.
JPEG 2000 basiert auf dem Wavelet-Verfahren. Wavelets wirken wie ein Tiefpass/ Hochpass- Filter und zerlegen den Bildinhalt in zwei Frequenzbereiche. Jeder Filterdurchlauf erzeugt ein geglättetes Bild mit den niedrigen Frequenzanteilen sowie ein komplementäres mit den hohen Frequenzen. Beide Teilbilder beziehungsweise die erzeugten Wavelet- Koeffizienten enthalten genau die halbe Informationsmenge und ergeben zusammengesetzt wieder ein Bild der Ausgangsgröße. So gehen weder Informationen verloren noch entstehen redundante Daten.
Die Industrie hat den neuen Standard relativ schnell angewendet und 2002 erste Produkte wie digitale Kameras herausgebracht. Die Vorzüge 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 auswirken kann.
JPEG 2000 wurde in mehreren Stufen veröffentlicht.
· Zunächst erscheint das JPEG 2000 Image Coding System,
· dann eine Version mit Erweiterungen.
· Die dritte Stufe beinhaltet Motion JPEG 2000 den Nachfolger von M-JPEG .
· In der vierten Stufe stehen Anpassungsmaßnahmen im Mittelpunkt.
· Im fünften Teil geht es um die Beziehung zu anderer Software wie zum Beispiel Java und C Implementierungen.
· Und in der sechsten und letzten Stufe wurden spezielle Bilddateiformate behandelt, wie sie zum Beispiel für Druckvorstufen und faxähnliche Applikationen benötigt werden.

JPEG 2000-Software

JJ2000 Projekt - eine Java Implementierung des JPEG 2000 Kodierers/Dekodierers
http://jj2000.epfl.ch

JASPER - JPEG 2000 in C
http://www.ece.uvic.ca/~mdadams/jasper/

Kakadu - umfangreiche Softwarewerkzeuge für JPEG 2000, puls mehrere freie Demonstrationsapplikationen. (Hinweise zur vollen Softwarelizensierung unter diesem Link)
http://www.kakadusoftware.com/

Aware Inc. - optimierteJPEG 2000 Toolkits, SDKs und andere Software
http://www.aware.com/products/compression/jpeg2000.html

Imagepower - einer der Autoren der JPEG 2000 Referenzsoftware.
http://www.imagepower.com/products/index.html

Algo Vision LuraTech - LuraWave.jp2: SDKs und Anwendungen für JPEG 2000 Teil 1, 2 und 6
http://www.algovision-luratech.com/