Kompression mit Verlusten

Im Gegensatz zum informationserhaltenden Verfahren, entsprechen die decodierten Bilddaten nicht mehr genau den Bilddaten. Der Begriff Verlust ist hier etwas irreführend: so geht nicht hauptsächlich Bildqualität verloren, sondern Information, die bis zu einem gewissen Grad redundant ist. So sind mit JPEG Kompressionsraten von 20:1 möglich, ohne daß man große Unterschiede zum Originalbild erkennen kann.

  
Figure: Codierung und Decodierung beim Baseline Codec

Untersuchungen des JPEG-Gremiums haben ergeben, daß bei den verlustbehafteten Umformungsmethoden die 8x8 diskrete Kosinustransformation (DCT) die besten Ergebnisse liefert. Für die Operationen, die auf der DCT beruhen wurde ein ,,Minimal``-Algorithmus ,der ,,Baseline Codec`` festgelegt, auf den alle DCT-Modi aufbauen. Die Komprimierung mit dem JPEG baseline codec besteht im wesentlichen aus 5 Schritten:

1. Konvertierung des Bildes in den -Farbraum
2. Farb-Subsampling
3. Diskrete Kosinustransformation (DCT)
4. Quantisieren der DCT-Koeffizienten
5. Codieren der Koeffizienten

Den Baseline Codec veranschaulicht Abbildung .

Der JPEG-Standard sieht 3 Operationsmodi vor, die die diskrete Kosinustransformation benutzen:

Sequential Mode:

Die Bilddaten werden in einem Durchgang, von links oben nach rechts unten codiert. Besteht ein Bild aus mehreren Komponenten, werden diese nicht nacheinander, also Komponente für Komponente verschlüsselt, sondern die Komponenten werden überlappt behandelt. Durch diese überlappte Bearbeitung ist es müssen nur kleine Puffer bereitgehalten werden, da es möglich ist die Bilddaten sofort auszugeben, z.B. an parallel arbeitende Prozesse, ohne warten zu müssen bis alle Komponenten bearbeitet sind. Dieser Modus ist für die meisten Anwendungen anwendbar, liefert die besten Kompressionsraten und ist mit am einfachsten zu implementieren.

Progressive Mode:

Der progressive mode durchläuft das Bild in mehreren Durchgängen, von denen jeder nur einen Teil der Koeffizienten codiert. Hier bei gibt es wieder zwei grundlegende Arten: Zum einen können die Koeffizienten in Frequenzbändern zusammengefaßt und die niedrigen Frequenzen zuerst verschlüsselt werden, zum anderen werden die Koeffizienten mit immer besserer Genauigkeit übertragen werden. JPEG erlaubt aber auch diese Grundarten zu kombinieren, um so bessere Ergebnisse zu erzielen. Schaut man die Ergebnisse der einzelnen Durchgänge an, so ist das Bild zunächst ,,unscharf``, im Laufe der Übertragung wird es jedoch zunehmend schärfer. Dieser Mode könnte vor allem bei der Datenfernübertragung von Bildern eingesetzt werden. Man bekommt ziemlich schnell einen Überblick auf das übertragene Bild und kann die Übertragung abbrechen, wenn die Bildqualität ausreichend ist.

Hierarchical Mode:

Dieser Modus ist eine andere Form des progressive mode. Der hierarchical mode verwendet eine Menge von Bilder mit immer gröberer Auflösung, die durch ,,downsampling``, d.h. durch filtern mit einem Tiefpaß und mitteln von mehreren Pixelwerten, erzeugt wird. Zunächst wird das Bild mit der kleinsten Auflösung codiert. Dieses dient wiederum als Basis für eine Vorhersage auf das Bild mit der nächstgrößeren Auflösung. Dieser Vorgang wird wiederholt bis die volle Auflösung erreicht ist. Hauptanwendungsgebiet dürften große Bilddatenbanken sein, die die niedrigeren Auflösungen für ihre Inhaltsverzeichnisse verwenden und nur bei Bedarf die höheren Auflösungen decodieren.