Bilddatenkompression

Warum werden Daten komprimiert:

• Speicherplatz sparen
• Übertragungszeiten verringern
• Ladezeiten von Websites verkürzen

Arten von Kompression

•  verlustbehaftete Kompression (lossy)
•  verlustfreie Kompression (lossless)

Kompressionsverfahren (Auswahl)

• JPEG-Komprimierung (lossy)
• Diskrete Kosinustransformation & Quantifizierung (lossy)
• Huffman-Codierung (lossless)
• LZW-Komprimierung (Lempel-Ziv-Welch) (lossless)
• RLE-Komprimierung (Run-Length-Encoding) (lossless)
• PNG-Komprimierung (lossless)

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Disclaimer: Dieser Beitrag ist mit großer Wahrscheinlichkeit unvollständig und zum Teil sehr stark vereinfacht. Das ganze Thema ist sehr komplex, mein Ziel war nicht die Vollständigkeit, sondern ein grobes Verständnis um in der Prüfung nicht mit null Punkten nach Hause zu gehen. Ich ermutige jede*n Leser*in die hier erwähnten Stichpunkte als Anlass für die eigene Recherche zu nehmen.

verlustbehaftete Kompression

• Bildpunkte werden zusammengefasst
• Informationen gehen verloren & können nicht wiederhergestellt werden

Womit:

• JPEG-Kompression (Fourier-Transformation)
• Wavelet (JPEG 2000)
• Diskrete Kosinustransformation
• Fraktale Kompression

Wofür:

• JPEG, MP3, AAC, AVC, HEVC, MPEG

Vorteile:

• sehr starke Verkleinerung möglich
• Grad der Kompression wählbar
• von vielen Tools & Software unterstützt
• Kompressionbei Bildern bis zu gewissem Grad nicht vom menschlichen Auge erfassbar

Nachteile:

• Datenverfall
• Qualitätsverlust
• nicht wiederherstellbar

verlustfreie Kompression

• "Redundanz reduzierend", d.h. überflüssige oder doppelte Information wird zusammengefasst
• verringert die Dateigröße ohne Qualitätsverlust
• Informationen können wieder hergestellt werden

Womit:

• RLE-Kompression
• LZW-Komprimierung
• Huffman-Codierung

Wofür:

• GIF, RAW, PNG, BMP, WAV, FLAC, ZIP, RAR

Vorteile:

• Qualität bleibt bei verringerter Größe erhalten
• z.B. für Medizinische Bilder/Dokumente, Bankdaten, wichtige Textdokumente

Nachteile:

• komprimierte Dateien sind größer als bei lossy Kompressionsverfahren

Kompressionsverfahren

JPEG-Komprimierung (lossy)

• am weitesten verbreitet
• für Bilder im Internet, PDF, TIFF

Ablauf:

1. Konvertierung der Bildfarben

• YUV-, YCbCR-Farbraum
• Helligkeit wird von Farbinformation getrennt

2. Subsampling der Farbanteile

• Farbwerte werden gemittelt und neu gespeichert
• Helligkeit bleibt gleich
• Beispiel:
  Subsamplingrate von 4:1:1 = 4 Bildpixel werden zu einem Wert gemittelt (der Wert der am meisten überwiegt)

3. Blockbildung

• Bild wird in 8x8 große Pixel-Blöcke aufgeteilt & als JPEG gespeichert

Diskrete Kosinustransformation & Quantifizierung (lossy)

• starke Kanten und kontrastreiche Details werden stark reduziert gespeichert
• hohe Kompressionsrate führt zu sichtbaren Artefakten

Huffman-Codierung (lossless)

• Häufigkeiten von Werten werden ermittelt (Histogramm)
• häufig vertretende Werte werden mit kurzem Binärcode gespeichert
• selten auftretende Werte werden mit längerem Binärcode gespeichert

LZW-Komprimierung (lossless)

• Abfolge von Pixeln bilden Muster
• Muster werden bei erstmaligem Auftreten in einer Muster-Bibliothek gespeichert
• tritt Muster erneut auf, wird auf den Index in der Bibliothek verwiesen

RLE-Komprimierung (lossless)

• am einfachsten
• Pixel mit gleicher Farbe in einer Bildzeile werden zusammengefasst
• gespeichert wird die Anzahl der Pixel und deren Farbwert

PNG-Komprimierung (lossless)

• lizenzfrei
• sehr komplex

1. Filterung (in vier Schritten wird ein Pixel mit seinen Nachbar-Pixeln verglichen)

2. Deflate-Komprimierung (gefiltertes Bild von mit Kombination verschiedener Kompressionsverfahren komprimiert und gespeichert)

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