Bilddatenkompression

Grundlagen, fortgeschrittene Verfahren, Video, Kompressionssysteme, Standards

2025
Buch

Verfasst von: Tilo Strutz
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik"; Springer Professional "Technik"; Springer Professional "Wirtschaft"

Über dieses Buch

Dieses Buch systematisiert die allgemeinen Verfahren und Methoden der Datenkompression und geht speziell auf deren Einsatz in Systemen der Bilddatenkompression
ein. Anhand vieler Rechen- und Pseudocode-Beispiele werden entsprechende Algorithmen erläutert. Das Buch gibt einen Überblick über die wichtigsten Standards
zur Einzelbild- und Videokompression und diskutiert detailliert das Zusammenwirken der vorgestellten Methoden in ausgewählten Kompressionssystemen.

Der Inhalt
• Informationstheorie und Datenkompression
• Entropiecodierung (Huffman-, Rice-, arithmetische, Range-, rANS-Codierung)
• Präcodierungstechniken
• Verfahren der Datenreduktion
• Verfahren zur Dekorrelation von Daten (Transformationen, Prädiktionsmethoden)
• Konstruktion von Filterbänken und Wavelet-Transformation
• Standards zur Einzelbildkompression: JPEG-1, JPEG-LS, JPEG-2000, JPEGXL, JPEG-AI, HEIC u. a.
• Verfahren zur Bildsequenzkompression und Überblick zu Standards: H.26x (AVC, HEVC, VVC, ECM), VP9, AC1, AVS u. a.

Die Zielgruppen
• Informatiker, Ingenieure der Nachrichten-, Informations- oder Medientechnik
• Studierende in einem entsprechenden Hauptstudium
• interessierte Leser mit passender Vorbildung

Inhaltsverzeichnis

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.

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 Kompressionsstrategien zusammengestellt. Damit bildet dieses Kapitel die Grundlage für das Verständnis der nachfolgenden Kapitel.

Tilo Strutz

Kapitel 3. 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.

Tilo Strutz

Kapitel 4. 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.

Tilo Strutz

Kapitel 5. Datenreduktion

Zusammenfassung

Im Einführungskapitel wurde zwischen verlustloser und verlustbehafteter Kompression unterschieden. Kompressionsverfahren, die zur Steigerung der Kompressionseffizienz irrelevante Bestandteile der Signalinformation entfernen, verringern die Datenmenge mit Methoden der Datenreduktion. Dieses Kapitel beschäftigt sich mit den zwei grundlegenden Reduktionsverfahren.

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.

Tilo Strutz

Kapitel 7. Wahrnehmung, Farbe, Bildeigenschaften

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 den Entwurf eines effizienten Kompressionsalgorithmus, wenn man zur Steigerung der Kompression verlustbehaftete Verfahren einsetzen möchte. Das Berücksichtigen der Wahrnehmungseigenschaften des Auges ist Voraussetzung für das optimale Gestalten von Unterabtastung und Quantisierung zur Reduktion der Irrelevanz in den Daten.

Tilo Strutz

Kapitel 8. Standards zur Einzelbildkompression

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich mit den Kompression von Einzelbildern. Zunächst wird anhand der Standards JPEG-1, JPEG-LS und JPEG-2000 dokumentiert, wie die grundlegenden Verfahren der Datenkompression in sinnvoller Weise miteinander kombiniert wurden, um leistungsfähige und flexible Werkzeuge zur Bilddatenkompression zu schaffen. Das Kapitel beschränkt sich inhaltlich auf die Beschreibung der wesentlichen Komponenten, eine vollständige Wiedergabe der internationalen Standards ist weder gewollt, noch in diesem begrenzten Rahmen möglich.

Tilo Strutz

Kapitel 9. Methoden der Bildsequenzkompression

Zusammenfassung

Die Kompression von Bildsequenzen unterscheidet sich nicht wesentlich von der Einzelbildkompression, da Sequenzen aus einer Abfolge von einzelnen Bildern bestehen. Grundsätzlich sind die gleichen Problemstellungen vorhanden. Neben der örtlichen Korrelation (innerhalb eines Bildes) treten nun allerdings auch zeitliche Abhängigkeiten auf (zwischen aufeinander folgenden Bildern), für deren Reduktion zusätzliche Module in das Kompressionssystem eingebaut werden müssen.

Tilo Strutz

Titel: Bilddatenkompression
Verfasst von: Tilo Strutz
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-49923-5
Print ISBN: 978-3-658-49922-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-49923-5

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Inhaltsverzeichnis

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Kapitel 1. Einführung

Kapitel 2. Grundlagen der Datenkompression

Kapitel 3. Entropiecodierung

Kapitel 4. Präcodierung

Kapitel 5. Datenreduktion

Kapitel 6. Techniken zur Dekorrelation

Kapitel 7. Wahrnehmung, Farbe, Bildeigenschaften

Kapitel 8. Standards zur Einzelbildkompression

Kapitel 9. Methoden der Bildsequenzkompression

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