Gemeinsame Fotoexpertengruppe: Erschließen Sie das Potenzial visueller Daten mit dem JPEG-Standard

Von Fouad Sabry

Was ist die Gemeinsame Fotoexpertengruppe 

JPEG 2000, oft auch als JP2 bekannt, ist ein Standardformat und Codierungsschema für die Bildkomprimierung. Es wurde zwischen 1997 und 2000 von einem Ausschuss der Joint Photographic Experts Group unter dem Vorsitz von Touradj Ebrahimi entwickelt. Ziel der Gruppe war es, ihren ursprünglichen JPEG-Standard, der auf einer diskreten Kosinustransformation (DCT) basiert, durch einen neu entwickelten Wavelet-basierten Ansatz zu ersetzen. Dateien, die ISO/IEC 15444-1 entsprechen, werden mit der Erweiterung.jp2 gekennzeichnet, während Dateien, die den erweiterten Teil-2-Anforderungen entsprechen, die als ISO/IEC 15444-2 veröffentlicht werden, mit der Erweiterung.jpx gekennzeichnet werden. Insbesondere werden in RFC 3745 die registrierten MIME-Typen definiert. Es ist image/jp2 für den ISO/IEC 15444-1-Standard.

Wie Sie profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu Folgendem Themen:

Kapitel 1: JPEG 2000

Kapitel 2: JPEG

Kapitel 3: Verlustbehaftete Komprimierung

Kapitel 4: Bildkomprimierung

Kapitel 5: ICER

Kapitel 6: H.262/MPEG-2 Teil 2

Kapitel 7: MPEG-4 Teil 2

Kapitel 8: Bilddateiformat

Kapitel 9: Motion JPEG 2000

Kapitel 10: Hocheffizientes Bilddateiformat

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen über die gemeinsame Fotoexpertengruppe.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz der gemeinsamen Fotoexpertengruppe in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über Grundkenntnisse oder Informationen für jede Art von Joint Photographic Experts Group hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 30. Apr. 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: JPEG 2000

Es gibt einen Standard für die Komprimierung und Kodierung von Bildern namens JPEG 2000 (JP2). Um den ursprünglichen, 1992 eingeführten JPEG-Standard zu ersetzen, der auf einer diskreten Kosinustransformation (DCT) basierte, arbeitete eine Gruppe der Joint Photographic Experts Group unter der Leitung von Touradj Ebrahimi (dem späteren JPEG-Präsidenten) von 1997 bis 2000 daran. ISO/IEC 15444-1-konforme Dateien verwenden die Dateinamenerweiterung .jp2, während ISO/IEC 15444-2-konforme Dateien die Dateinamenerweiterung .jpx verwenden. RFC 3745 gibt die vielen MIME-Typen an, die registriert wurden. Das image/jp2-Format wird für ISO/IEC 15444-1 verwendet.

Es stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, um räumlichen Direktzugriff oder Zugriff auf Regionen von Interesse in JPEG 2000-Codeströmen bereitzustellen, bei denen es sich um Regions of Interest handelt. Verschiedene Facetten desselben Bildes können mit unterschiedlicher Genauigkeit gespeichert werden.

Der JPEG 2000-Standard verwendet eine diskrete Wavelet-Transformation für die Komprimierung (DWT). Mit der Erweiterung Motion JPEG 2000 konnte der Standard für die Komprimierung von Motion-Imaging-Videos verwendet werden. Der Videocodierungsstandard für das digitale Kino wurde 2004 mit der JPEG 2000-Technologie festgelegt. daher wird es selten im Internet verwendet.

Obwohl JPEG 2000 eine etwas bessere Komprimierung als JPEG bietet, sind die Verbesserungen minimal. Der grundlegende Vorteil von JPEG 2000 ist die hohe Anpassungsfähigkeit des Codestreams.

JPEG 2000 erzeugt nach dem Komprimieren eines Bildes einen skalierbaren Codestream, was bedeutet, dass es mehrere mögliche Interpretationen gibt. Zum Beispiel kann der Codestream bei Bedarf gekürzt werden, eine niedrig aufgelöste Version des Bildes kann erhalten werden, oder SNR - mehr dazu finden Sie in meinem Artikel über skalierbare Komprimierung.

Unterschiedliche Codestream-Reihenfolgen können mit erreicht werden, Signifikante Steigerungen der Anwendungsleistung sind möglich.

Aufgrund dieser Anpassungsfähigkeit sind Codecs für JPEG 2000 jedoch kompliziert und ressourcenintensiv.

Ein weiterer Unterschied bezieht sich im Gegensatz zu JPEG auf physische Objekte des Auges: JPEG 2000 erzeugt nur Klingelartefakte, die sich als Unschärfe und Klingeln an den Bildrändern zeigen, während JPEG aufgrund seiner 8×8-Blöcke Verzerrungen erzeugt, die wie Klingeln und Blockieren klingen.

ISO/IEC 15444, der internationale Standard für JPEG 2000, wurde veröffentlicht. Es wurde berechnet, dass der Erwerb aller Standardunterlagen Sie 2718 CHF (ca. 2700 USD) kostet.

Die beabsichtigten Zielmärkte und Anwendungen der Norm sind wie folgt:

Multimedia-Player und andere Unterhaltungselektronik (z. B. Digitalkameras, persönliche digitale Assistenten, 3G-Mobiltelefone, Farbfaxe, Drucker, Scanner)

Anbindung an einen Server (z.B. Internet, Bilddatenbank, Video-Streaming, Videoserver)

Militär/Überwachung (z. B. HD-Satellitenbilder, Bewegungserkennung, Netzwerkverteilung und -speicherung)

DICOM-Standards (Digital Imaging and Communications in Medicine) für den Austausch medizinischer Daten.

Biometrie.

Fernerkundung

Aufnehmen, Bearbeiten und Speichern von Videos in hoher Qualität in einzelnen Frames.

Live-HDTV-Stream-Beitrag, z. B. ein HDTV-Feed eines Sportereignisses, das mit dem Studio des Fernsehsenders verbunden ist (I-Frame-Videokomprimierung mit geringer Übertragungsverzögerung).

Filme in digitaler Form, wie sie z. B. im Digital Cinema Package enthalten sind

JPEG 2000 und der Bildkomprimierungsstandard ICER werden beide von den Mars-Rovern verwendet und weisen zahlreiche Designähnlichkeiten auf.

Audiovisuelles Material und Fotos, die für die digitale Langzeitspeicherung digitalisiert wurden

Die JPEG 2000-Komprimierung ist Teil des neuen GRIB2-Dateiformats, das von der Weltorganisation für Meteorologie entwickelt wurde. Das GRIB-Dateiformat wurde speziell für die weltweite Verbreitung von Wetterberichten entwickelt. Die Verwendung der JPEG 2000-Komprimierung durch GRIB2 hat zu einer Größenreduzierung von bis zu 80 % geführt.

Um ein Bild zu komprimieren, zerlegt JPEG 2000 es zunächst in zahlreiche Darstellungen mit unterschiedlichen Auflösungen. Diese Pyramidendarstellung kann für mehr als nur die Komprimierung bei der Präsentation von Bildern verwendet werden.

Progressive Dekodierung und skalierbares Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sind zwei Bezeichnungen für diese Eigenschaften. Sowohl in Bezug auf die Pixelgenauigkeit als auch auf die Bildqualität bietet JPEG 2000 progressive Code-Stream-Gruppierungen, die hocheffizient sind (oder nach Bildgröße). Bei dieser Technik kann der Benutzer eine minderwertige Darstellung des gesamten Bildes sehen, nachdem er nur einen Bruchteil der gesamten Datei erhalten hat. Allmählich wird eine bessere Qualität erreicht, da mehr Daten vom Ursprung heruntergeladen werden.

Der JPEG 2000-Standard kombiniert verlustfreie und verlustbehaftete Komprimierung in einem einzigen Framework, ähnlich wie der verlustfreie JPEG-Standard. In JPEG 2000 wird eine reversible ganzzahlige Wavelet-Transformation verwendet, um eine verlustfreie Komprimierung zu ermöglichen.

Aufgrund der Kodierung der Daten in relativ kleinen, unabhängigen Blöcken sind sowohl JPEG 1992 als auch JPEG 2000 resistent gegen Bitfehler, die durch verrauschte Kommunikationsleitungen verursacht werden.

Wie im JPIP-Protokoll JPEG Part 9 erstellt, ermöglichen die Dateiformate JP2 und JPX die Verwaltung von Farbrauminformationen, Metadaten und Interaktionen in Netzwerkanwendungen.

Bittiefen von 1 bis 38 sind in JPEG 2000 akzeptabel. Monochrom, drei Variationen der Farbräume YCbCr, sRGB, PhotoYCC, CMY(K), YCCK und CIELab werden unterstützt. CIEJab (CIECAM02), e-sRGB, ROMM, YPbPr und andere wurden später in die Liste der unterstützten Farbräume aufgenommen.

Vollständige Einhaltung der Transparenzstandards der Alpha-Ebene.

Das Bildkodierungssystem JPEG 2000 (ISO/IEC 15444) besteht aus folgenden Teilen:

Neben der Verbesserung der Komprimierungsleistung gegenüber JPEG zielt JPEG 2000 auch darauf ab, Aspekte wie Skalierbarkeit und Bearbeitbarkeit einzuführen (oder zu verbessern). Die Komprimierungsleistung ist in der Regel nicht der Schlüsselfaktor, der bei der Bewertung eines Designs berücksichtigt werden muss, und die diesbezügliche Verbesserung von JPEG 2000 ist im Vergleich zum ursprünglichen JPEG-Standard recht gering. JPEG 2000 kann Bilder auf sehr kleine oder sehr große Formate komprimieren. Einer der Vorteile von JPEG 2000 besteht darin, dass sein Design eine Vielzahl von effektiven Bitraten aufnehmen kann. Für Bilder mit Bitraten unter einem bestimmten Schwellenwert empfiehlt der ursprüngliche JPEG-Standard, die Auflösung des Eingabebilds vor der Codierung herunterzuskalieren. Aufgrund seiner integrierten Zerlegungsstruktur mit mehreren Auflösungen macht JPEG 2000 solche manuellen Eingriffe überflüssig. Der JPEG 2000-Algorithmus wird im Folgenden erläutert.

In Bezug auf die Unterstützung von ICC-Profilen und den Umgang mit Informationen zur Rasterauflösung ist der bestehende JP2-Formatstandard mehrdeutig, wie die Königliche Bibliothek der Niederlande feststellt.

Zunächst müssen Fotos aus dem RGB-Farbraum in einen anderen Farbraum konvertiert werden, was zu drei verschiedenen Teilen führt. Sie können eine von zwei Routen nehmen:

Irreversible Color Transform (ICT) verwendet den bekannten BT.601 YCBCR-Farbraum .

Der Grund, warum es in Gleitkomma- oder Fixpunktform implementiert werden muss und zu Rundungsfehlern führt, ist, warum die Leute es als irreversibel bezeichnen.

Die 9/7-Wavelet-Transformation ist das exklusive Werkzeug für die Verwendung mit der IKT.

Die reversible Farbtransformation (RCT) verwendet einen modifizierten YUV-Farbraum (fast identisch mit YCGCO), der keine Quantisierungsfehler einführt und daher vollständig rückgängig gemacht werden kann.

Die RCT kann in Matrixform nicht genau angegeben werden, daher müssen die Zahlen vor der Verwendung gerundet werden.

Nur die 5/3-Wavelet-Transformation kann mit dem RCT verwendet werden.

Zu den Änderungen gehören:

{\displaystyle {\begin{array}{rl}Y&=&\left\lfloor {\frac {R+2G+B}{4}}\right\rfloor ;\\C_{B}&=&B-G;\\C_{R}&=&R-G;\end{array}}\qquad {\begin{array}{rl}G&=&Y-\left\lfloor {\frac {C_{B}+C_{R}}{4}}\right\rfloor ;\\R&=&C_{R}+G;\\B&=&C_{B}+G.\end{array}}}

Wenn R, G und B auf den gleichen Genauigkeitsstandard gebracht wurden, dann ist die numerische Genauigkeit von CB und CR ein Bit größer als die Genauigkeit der ursprünglichen Komponenten.

Diese feinere Steuerung ist für die Abwärtskompatibilität unerlässlich.

Chroma-Komponenten können verwendet werden, müssen es aber nicht, im Detail verkleinern; Da die Wavelet-Transformation Bilder in verschiedene Größen aufteilt, hilft das Reduzieren der feinsten Wavelet-Skala beim Downsampling.

Da dieser Vorgang nicht auf das RGB-Farbmodell beschränkt ist, wird er in der JPEG 2000-Sprache als Mehrkomponententransformation bezeichnet.

Kacheln sind rechteckige Bereiche des Bildes, die unabhängig voneinander konvertiert und codiert werden, nachdem die Farbtransformation angewendet wurde. Die Größe der Kacheln spielt keine Rolle, und das gesamte Bild kann als eine einzelne Kachel betrachtet werden. Die ausgewählte Größe ist für alle Kacheln einheitlich (mit Ausnahme der Kacheln am rechten und unteren Rand). Die kachelbasierte Bilddecodierung hat mehrere Vorteile, darunter einen geringeren Speicherbedarf für