Das JPEG Format

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JPEG steht für Joint Photographic Experts Group und ist ein verlustbehaftetes Kompressionsverfahren für Bilder, das im Fraunhofer Institut entwickelt wurde.

Verlustbehaftet heißt, dass ein Bild bei der Kompression Bildinformationen verliert. Die Hauptidee bei verlustbehafteten Kompressionen ist die, Informationen nur an den Stellen zu kürzen, wo es niemandem auffällt.

Der LAB-Farbraum

Bild zu Das JPEG Format
Sehr stark komprimierte Farben

Der erste Trick zum unauffälligen Einsparen von Bildinformationen basiert auf dem Wissen über die Sehfähigkeit des Menschen.

Zum Sehen hat der Mensch im Auge getrennt Farbrezeptoren und Helligkeitsrezeptoren. Da es im menschlichen Auge viel mehr Helligkeitsrezeptoren als Farbrezeptoren gibt, können Menschen Helligkeitsunterschiede wesentlich schärfer wahrnehmen als Farbunterschiede.

Dieses Faktum macht man sich in der JPEG-Kompression zu Nutze, indem man Farbinformationen einfach mit geringerer Auflösung - also unschärfer abspeichert.

Dies kann man in der Abbildung auf der rechten Seite auch deutlich erkennen. (Die unten gezeigten Farbkanäle (AB) sind tatsächlich alle Farbinformationen die im Ausgangsbild (LAB) noch verhanden sind.

Aus diesem Grund nutzt das JPEG-Format intern auch den LAB-Farbraum, da in diesem Farbraum Helligkeitskanal und zwei Farbkanäle getrennt liegen.

Was die Mathematik bewirkt

Bild zu Das JPEG Format
JPEG-Kompression (4fach vergrößert)

Wie jedes Kompressionsverfahren, basiert auch die JPEG-Kompression auf hoher Mathematik. In diesem Artikel wird jedoch aus Gründen der allgemeinen Verständlichkeit nicht konkret auf die diskrete Kosinustransformation eingegangen, sondern nur die Auswirkungen dieser beschrieben.

Anhand dieser beiden Bilder kann man den Qualitätsverlust bei einer starken JPEG-Kompression gut erkennen.

Außerdem erkennt man, dass im JPEG-Verfahren Blöcke mit 8-Pixel-Kantenlänge separat komprimiert werden.

In der folgenden Abbildung habe ich versucht, einen Block des komprimierten Bildes manuell in Photoshop nach dem JPEG-Verfahren zu komprimieren. Wie man sieht, habe ich nach dem elften Layer aufgehört; dies entspricht einer höheren Kompression als die des Ausgangsbildes. Deshalb stimmt das Beispielergebnis nicht mit dem tatsächlichen Ergebnis überein.

Bild zu Das JPEG Format
Vorgang beim Komprimieren eines einzelnen Blockes

Wenn ein Bild komprimiert werden soll geht der JPEG-Algorithmus folgendermaßen vor:

  • Das Bild wird in 8x8-Pixel große Blöcke geteilt und blockweise komprimiert.
  • Die Blöcke der links abgebildeten Matrix werden nacheinander mit dem zu komprimierenden Block abgeglichen und jeh nach Übereinstimmung verschieden stark, positiv oder negativ mit dem aktuellen Prototypblock verrechnet. Die Reihenfolge entspricht dabei dem blau gekennzeichneten Pfad.
  • Ist die Differenz zwischen dem komprimierten Block und dem Ursprungsblock gering genug, um der Kompressionsstärke zu entsprechen, wird der Pfad nicht weiter verfolgt. (Im Beispiel nach den ersten elf Blöcken)

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