Bilddatenkompression

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

Die Kompression von Daten ist eine Form der digitalen Signalverarbeitung. Im Gegensatz zu analogen Signalen sind digitale Signale sowohl wertdiskret als auch zeitdiskret. Sofern eine Signalquelle keine digitalen, sondern analoge Signale produziert (z.B. Mikrofon), die komprimiert werden sollen, ist eine Digitalisierung erforderlich. Dazu wird das analoge Signal zu diskreten Zeitpunkten abgetastet und anschließend jedem Abtastwert ein diskreter Amplitudenwert zugeordnet. In Abbildung 1.1 ist der Zusammenhang von analogen und digitalen Signalen veranschaulicht. Es gibt aber auch Quellen, die direkt digitale Signale erzeugen. Ein einfaches Beispiel hierfür ist ein Texteditor-Programm. Jedem eingegebenen Zeichen wird ein Codewort, also ein digitaler Wert (z.B. ASCII-Code) zugeordnet.

Tilo Strutz

Kapitel 2. Grundlagen der Datenkompression

Zusammenfassung

Dieses Kapitel führt den Leser in die verwendete Terminologie ein und behandelt die wichtigsten informationstheoretischen Grundlagen. Es werden die Ansatzpunkte zur Datenkompression herausgearbeitet und Kriterien für die Bewertung von Kompressions Strategien zusammengestellt. Damit bildet dieses Kapitel die Grundlage für das Verständnis der meisten nachfolgenden Kapitel.

Tilo Strutz

Kapitel 3. Datenreduktion

Zusammenfassung

Im Einführungskapitel wurde zwischen verlustloser und verlustbehafteter Kompression unterschieden. Kompressionsverfahren, die zur Steigerung der Codierungseffizienz irrelevante Bestandteile der Signalinformation entfernen, verringern die Datenmenge mit Methoden der Datenreduktion. Dieses Kapitel beschäftigt sich mit den zwei grundlegenden Reduktionsverfahren. Zunächst wird die Abtastratenumsetzung beschrieben. Anschließend werden skalare und Vektorquantisierung behandelt.

Tilo Strutz

Kapitel 4. Entropiecodierung

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich mit verschiedenen Methoden zur Kompression von Daten unter Ausnutzung der statistischen Verteilung von Symbolen. Die Symbole werden hierbei als unabhängig voneinander betrachtet. Zunächst wird auf einige Aspekte der Codierungstheorie eingegangen und anschließend werden die Verfahren anhand von Beispielen erläutert. Ausführungen zur adaptiven Codierung und zu Problemen bei sehr großen Symbolalphabeten bilden den Abschluss

Tilo Strutz

Kapitel 5. Präcodierung

Zusammenfassung

Die im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Verfahren zur Entropiecodierung vermindern die Codierungsredundanz. Dazu wurden lediglich die Wahrscheinlichkeiten oder Häufigkeiten einzelner, voneinander unabhängiger Symbole ausgenutzt. In der Praxis bestehen zwischen den Symbolen jedoch meist vielfältige Beziehungen und Abhängigkeiten. Benachbarte Zeichen eines Bildsignals haben zum Beispiel oft einen ähnlichen Wert, das heißt, sie sind miteinander korreliert. Verfahren der Präcodierung (engl.: precoding) haben das Ziel, diese Intersymbolredundanz zu vermindern.

Tilo Strutz

Kapitel 6. Techniken zur Dekorrelation

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich mit Methoden zur Dekorrelation von Signalen. Hierbei ist zwischen zwei Hauptgruppen zu unterscheiden. Verfahren der Prädiktion versuchen mit Hilfe von Kenntnissen über bereits verarbeitete Signalwerte (bzw. Symbole) eine Voraussage über nachfolgende Werte zu treffen. Sie haben insbesondere für die verlustlose (reversible) Codierung eine große Bedeutung. Die zweite Gruppe bilden die Signaltransformationen und Filterbänke, welche die Dekorrelation über eine Signalzerlegung realisieren. Für die verlustbehaftete Bilddatenkompression ist hierbei insbesondere die Zerlegung von Signalen in gewichtete Basisfunktionen von Interesse. Es wird gezeigt, dass die Wavelet-Transformation als Bindeglied zwischen Signaltransformationen und Filterbankstrukturen eine spezielle Position einnimmt.

Tilo Strutz

Kapitel 7. Wavelet-basierte Bildcodierung

Zusammenfassung

Dieses Kapitel zeigt anhand eines kompletten Computerprogramms, wie eine wavelet-basierte Codierung realisiert werden kann. Aufbauend auf den Grundlagen zur diskreten Wavelet-Transformation, der Präcodierungstechniken (speziell der Quadtree-Codierung) und der arithmetischen Codierung werden ein vollständiges Kompressionssystem entwickelt und erläutert sowie Alternativen diskutiert.

Tilo Strutz

Kapitel 8. Wahrnehmung und Farbe

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich mit den Eigenschaften des menschlichen Auges und des Farbsehens. Die Kenntnisse über den Prozess der visuellen Wahrnehmung sind wichtig für die Gestaltung eines effizienten Kompressionsalgorithmus, wenn man zur Steigerung der Kompressionsleistung verlustbehaftete Verfahren einsetzen möchte. Nur wenn man sich im Klaren darüber ist, was das menschliche Auge sieht bzw. nicht wahrnimmt, kann die Reduktion der Irrelevanz in den Daten durch Unterabtastung und Quantisierung optimal gestaltet werden.

Tilo Strutz

Kapitel 9. Verfahren zur Bildsequenzcodierung

Zusammenfassung

Die Kompression von Bildsequenzen unterscheidet sich nicht wesentlich von der Einzelbildcodierung, da Sequenzen aus einer Abfolge von einzelnen Bildern bestehen. Grundsätzlich sind die gleichen Problemstellungen vorhanden. Neben der örtlichen Redundanz (innerhalb eines Bildes) treten nun allerdings auch zeitliche Redundanzen auf (zwischen aufeinander folgenden Bildern), für deren Reduktion zusätzliche Module in das Kompressionssystem eingebaut werden müssen. Dieses Kapitel erläutert die allgemeine Struktur der Bildsequenzcodierung, beschreibt die Änderungen des Inhaltes von Bild zu Bild als Bewegungen und stellt ein weit verbreitetes Verfahren zur Kompensation dieser Bewegungen vor. Im Anschluss werden Modifikationen diskutiert, welche die Güte des Kompressionssystems verbessern können.

Tilo Strutz

Kapitel 10. Der JPEG-Standard

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich mit dem derzeitigen Standard zur Codierung von Einzelbildern. Es soll dokumentiert werden, wie die grundlegenden Verfahren der Datenkompression in sinnvoller Weise miteinander kombiniert wurden, um ein leistungsfähiges und flexibles Werkzeug zur Bilddatenkompression zu schaffen. Das Kapitel beschränkt sich inhaltlich auf die Beschreibung der wesentlichen Komponenten, eine vollständige Wiedergabe des internationalen Standards ist weder gewollt, noch in diesem begrenzten Rahmen möglich.

Tilo Strutz

Kapitel 11. Standards zur Bildsequenzcodierung

Zusammenfassung

Die Standardisierungsbestrebungen zur Codierung von Videodaten waren und sind immer noch sehr vielfältig. In Abhängigkeit von der Zielsetzung entstanden verschiedene Standards, die zwar zum Teil ähnliche Verfahren und Algorithmen verwenden, aber durch unterschiedliche Parameter und Strukturen den unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Dieses Kapitel behandelt die Systemstruktur und die grundsätzlichen Verfahren bei der Bildsequenzcodierung der Standards MPEG-1 und MPEG-2. Die wesentlichen Methoden zur Verminderung der zeitlichen Redundanz und zur Optimierung der gesamten Kompression werden dargelegt.

Tilo Strutz

Kapitel 12. JPEG — neue Standards

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die neuen Standards für die Einzelbildkompression vorgestellt. JPEG 2000 standardisiert die verlustbehaftete und verlustlose wavelet-basierte Kompression. Die reversible Codierung auf Basis eines prädiktiven Algorithmus wird in JPEG-LS spezifiziert. Dieses Verfahren ermöglicht zusätzlich eine beinahe-verlustlose (near-lossless) Kompression.

Tilo Strutz

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