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Datenkompression

Bildformate

Viele Bilddateiformate reduzieren den von Bitmap-Bilddaten benötigten Speicherplatz durch Komprimierungsmethoden.

Komprimierungsmethoden werden danach unterschieden, ob sie Details und Farben aus dem Bild entfernen.  

Lossless-Methoden (verlustfreie) komprimieren Bilddaten, ohne Details zu entfernen.
Lossy-Methoden (verlustreiche) komprimieren Bilder durch Entfernen von Details.

Die folgenden Komprimierungsmethoden sind am gängigsten:

Run Length Encoding (RLE)

  • In einer Pixelzeile wird die Anzahl gleicher, aufeinander folgender Pixel zusammengefasst und somit eine Datenreduktion erzielt.
  • abstrahiertes Beispiel (im Original wird binär gespeichert): 00011111111100000 wird zu 309150
  • verlustfrei
  • Praxisanwendung: Besonders bei sich wiederholenden Strukturen wie Grafiken, Clipart. Weniger geeignet für "Pixelbilder", da diese keine hohen Wiederholungsraten haben. Ausnahme JPG nach der Fourier-Transformation (Bildstrukturen werden eingeebnet).
  • Formate: Tif, Bmp, RLE (altes Windows Format), oder als Teil der JPG-Komprimierung
  • Links: 
    http://www.fileformat.info/mirror/egff/ch09_03.htm 
    http://de.wikipedia.org/wiki/Lauflängenkodierung

Huffmann-Codierung

  • Häufige Tonwerte erhalten eine kleine Binärcodierung, z. B. 0, 1 - seltene Tonwerte erhalten eine größere Binärcodierung, z. B. 11111111
  • Die Huffmann-Codierung geht davon aus, das die Verteilung der Tonwerte nicht gleichförmig ist, sondern einer (ähnlich Gaußkurve) folgt.
  • Der Datei-Vorspann benötigt eine Umcodierungs-Tabelle, um die codierten Inhalte übersetzen zu können.
  • verlustfrei
  • sehr gleichförmig verteilte Bilder (z. B. Cyankeil) schwieriger 
  • Praxisanwendung: CCITT (Group4)-Komprimierung (PDF) in der JPG-Komprimierung, in der MP3-Komprimierung

Lempel-Zif-Welch“ (LZW)

  • Vergleich von Bildinhalten: Bei Wiederholung schon übertragener Information wird nicht neu codiert, sondern einer Querverweis auf eine bestehende Bildstelle gesetzt.
  • verlustfreie
  • Praxisanwendung: TIFF, PDF, GIF und PostScript unterstützte Komprimierungsmethode.
  • optimal zum Komprimieren von Bildern mit großen, einfarbigen Flächen oder Text
  • die PNG-Komprimierung basiert auf der gleichen Grundlage, wurde aber konkurrierend entwickelt und hat sich aufgrund eines Patentstreites (ausgehend von LZW) durchgesetzt.
  • Link: http://de.wikipedia.org/wiki/Lempel-Ziv-Welch-Algorithmus

Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM)

  • Nicht der Tonwert selbst, sondern die Differenz zum nächsten Pixel wird codiert. Kleinere Zahlenwerte, da die Differenz oft niedriger als der absolute Wert ist – dadurch Datenreduktion.
  • verlustfrei
  • Praxisanwendung: Audiokomprimierung und innerhalb der JPG-Komprimierung

Fourier Transformation

  • Dichteverläufe (z. B. innerhalb von einer Bildzeile) werden in der Fourier-Transformation als mathematischen Funktionen dargestellt. Die einzelnen Pixel-Dichte-Werte werden also in eine Kurve zueinander umgewandelt. Dies geschieht in Abschnitten von 8x8 Pixeln (Artefaktbildung in der Größe von 8x8 Pixeln).
  • Um eine höhere Kompression zu erreichen wird die Gesamtkurvenfunktion bereinigt - Ausschläge minimiert. Die Höhe der Kompression ist einstellbar (der JPG-Kompressionsregler stellt diese Komprimierung ein).
  • verlustbehaftet
  • Praxisanwendung: Innerhalb der JPG-Komprimierung

Joint Photographic Experts Group“ (JPEG)

  • ist eine von den Formaten JPEG, TIFF, PDF und PostScript unterstützte Lossy-Methode. Die JPEG-Komprimierung führt bei Halbtonbildern, z. B. Fotos, zu den besten Ergebnissen.
  • Folgende Kompressionsverfahren werden in einer JPG-Komprimierung angewendet:
    1. Umwandlung in den YUV-Farbraum (oder YCbCr) - dadurch Trennung von Helligkeits- und Farbinformation (Helligkeit wird vom Auge empfindlicher Wahrgenommen als Farbe) 
    2. Fourier Transformation von Farbe (stärker) und Helligkeit (schwächer) 
    3. DPCM-Codierung 
    4. Lauflängencodierung (Runlength-coding)
    5. Huffmann-Codierung
    ACHTUNG: 3.+4. uneins mit dem Kompendium, Wikipedia drückt es wieder anders aus. Kontrolle.
  • Praxisanwendung: Bei der JPEG-Komprimierung legen Sie die Bildqualität fest, indem Sie eine Option aus dem Menü „Qualität“ wählen, den Regler „Qualität“ verschieben oder im Testfeld „Qualität“ einen Wert zwischen 1 und 12 (10) eingeben. Wählen Sie die Komprimierung mit der höchsten Qualität um ein optimales Druckergebnis zu erhalten. Dateien mit JPEG-Kodierung können nur auf PostScript-Level-2-Druckern (oder höher) ausgegeben werden und lassen sich u. U. nicht in individuelle Platten separieren.

CCIT

  • Bei der CCITT-Kodierung handelt es sich um eine Gruppe von verlustfreien, von Dateiformaten PDF und PostScript unterstützten Komprimierungsmethoden für Schwarzweißbilder.
  • CCITT ist die Abkürzung des französischen Namens für den Internationalen Ausschuss für Telefgrafie und Telefonie, Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique
  • s. oben Huffmann-Codierung

ZIP

  • Die ZIP-Kodierung ist eine Verlustfreie, von den Dateiformaten PDF und TIFF unterstützte Komprimierungsmethode. Wie LZW ist auch die ZIP-Komprimierung am besten für Bilder mit großen, einfarbigen Flächen geeignet.
  • ACHTUNG: ZIP ist eher als Kontainer-Komproessionsformat als für Bilder im Gebrauch + nicht alle Programme die …zip… im Namen haben, nutzen auch diese Komprimierung. Bitte Kontrolle.

(ImageReady) PackBits

  • ist eine verlustfreie Komprimierungsmethode, die ein Run-Length-Komprimerungsschema verwendet. PackBits wird vom TIFF-Format nur im ImageReady unterstützt.

Video

MPEG (Motion Picture Experts Group)

  • MPEG besteht aus der Intra-Frame- (Frame = einzelnes Bild) Komprimierung: 
    Jedes einzelne Bild wird JPG komprimiert.
  • und der Inter-Frame-Komprimierung: Vergleich von Bildinhalten mehrerer Frames. Nur veränderte (bewegte) Bildinhalte werden neu codiert.

  • Beispiel (Inter-…): Eine Person steht und nimmt den rechten Arm nach oben. Es wird nur der bewegte rechte Arm codiert. Danach bleibt der Arm oben und es wird der linke Arm auch nach oben genommen. Es wird nur der linke Arm (+ Hintergrund natürlich) codiert.

Sonstiges

Der Preflight in Layout-Programmen prüft, ob die Bildauflösung, die Datentiefe, der Ausgabefarbraum dem Ausgabemedium gerecht wird. Ein Bild mit 72 dpi ist zum Beispiel nicht für den Druck geeignet. Der Prefligt würde eine entsprechende Fehlermeldung ausgeben.

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Die Abtastrate, Kanalzahl und Framerate ist bei Audio und Video relevant.

Hier ist die Abtastrate der Wert, der angibt, wie oft eine Tonspur in einer bestimmten Zeit abgetastet wird. Je höher diese Rate ist, desto klarer wird der Ton später. Sie wird in Hertz angegeben, was für "1 pro Sekunde" steht. 44000 KHz entsprächen also 44.000.000 Abtastungen pro Sekunde.

Verringert man den Wert, so werden in einer Sekunde weniger Abtastungen gespeichert. Dadurch gehen Informationen verloren.

Ein Beispiel:

Eine Treppe hat 100 Stufen, die man leicht heraufsteigen kann. Verdoppelt man die Anzahl der Stufen (die Abtastrate), so werden die Stufen nur noch halb so groß. Fügt man beliebig viele Stufen hinzu, so entsteht der Eindruck einer glatten Fläche und damit beim Ton ein sehr präziser Klang.

Die Kanalzahl gibt lediglich an, wie viele Tonspuren nebeneinander in einem Video oder Musikstück laufen. Für Mono ist das einer, für Stereo zwei, für 5.1-Surround-Sound sind es sechs und für 7.1-Surround-Sound sind es acht. Eine Kompression ist zu erreichen, wenn Kanäle entfernt werden. So können z.B. zwei Tonspuren (Stereo) zu einer (Mono) verrechnet werden. Dabei geht der Eindruck des räumlichen Klangs verloren, die Reduzierung von Audio-Kanälen ist also verlustbehaftet.

Die Framerate gibt an, wie viele Bilder pro Sekunde in einem Videosignal codiert werden.

Üblich sind hier 25 Frames per second (FPS), 29,97 FPS, 30 FPS und 60 FPS. Eine Kompression lässt sich hier erreichen, wenn man die Framerate reduziert, also weniger Bilder pro Sekunde darstellt als im Ausgangsmaterial. Dabei gehen allerdings auch Informationen verloren.

 

Übungsaufgaben: 

http://www.mathemedien.de/datenkompression.html

http://www.mathemedien.de/pruef_2012-12.html

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