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JPEG 2000 (JP2) ist ein Bildkomprimierungsstandard und ein Codierungssystem, das im Jahr 2000 vom Joint Photographic Experts Group (JPEG)-Komitee mit der Absicht erstellt wurde, den ursprünglichen JPEG-Standard abzulösen. JPEG 2000 ist auch unter der Dateinamenerweiterung .jp2 bekannt. Es wurde von Grund auf entwickelt, um einige der Einschränkungen des ursprünglichen JPEG-Formats zu beheben und gleichzeitig eine überlegene Bildqualität und Flexibilität zu bieten. Es ist wichtig zu beachten, dass JPC häufig als Begriff verwendet wird, um sich auf den JPEG 2000-Codestream zu beziehen, der der eigentliche Byte-Stream ist, der die komprimierten Bilddaten darstellt, die typischerweise in JP2-Dateien oder anderen Containerformaten wie MJ2 für Motion-JPEG-2000-Sequenzen zu finden sind.

JPEG 2000 verwendet eine Wavelet-basierte Komprimierung im Gegensatz zur diskreten Kosinustransformation (DCT), die im ursprünglichen JPEG-Format verwendet wird. Die Wavelet-Komprimierung bietet mehrere Vorteile, darunter eine bessere Komprimierungseffizienz, insbesondere für Bilder mit höherer Auflösung, und eine verbesserte Bildqualität bei höheren Komprimierungsverhältnissen. Dies liegt daran, dass Wavelets nicht unter den „blockigen“ Artefakten leiden, die durch die DCT entstehen können, wenn Bilder stark komprimiert werden. Stattdessen kann die Wavelet-Komprimierung zu einer natürlicheren Verschlechterung der Bildqualität führen, die für das menschliche Auge oft weniger auffällig ist.

Eine der Hauptfunktionen von JPEG 2000 ist die Unterstützung sowohl verlustfreier als auch verlustbehafteter Komprimierung innerhalb desselben Dateiformats. Dies bedeutet, dass Benutzer ein Bild ohne Qualitätsverlust komprimieren können oder sich für eine verlustbehaftete Komprimierung entscheiden können, um kleinere Dateigrößen zu erzielen. Der verlustfreie Modus von JPEG 2000 ist besonders nützlich für Anwendungen, bei denen die Bildintegrität entscheidend ist, wie z. B. medizinische Bildgebung, digitale Archive und professionelle Fotografie.

Ein weiteres wichtiges Merkmal von JPEG 2000 ist die Unterstützung der progressiven Dekodierung. Dadurch kann ein Bild inkrementell dekodiert und angezeigt werden, wenn die Daten empfangen werden, was für Webanwendungen oder Situationen mit begrenzter Bandbreite sehr nützlich sein kann. Bei der progressiven Dekodierung kann zuerst eine Version des gesamten Bildes in niedriger Qualität angezeigt werden, gefolgt von sukzessiven Verfeinerungen, die die Bildqualität verbessern, wenn mehr Daten verfügbar werden. Dies steht im Gegensatz zum ursprünglichen JPEG-Format, das ein Bild typischerweise von oben nach unten lädt.

JPEG 2000 bietet außerdem eine Vielzahl zusätzlicher Funktionen, darunter die Region-of-Interest (ROI)-Codierung, die es ermöglicht, verschiedene Teile eines Bildes mit unterschiedlichen Qualitätsstufen zu komprimieren. Dies ist besonders nützlich, wenn bestimmte Bereiche eines Bildes wichtiger sind als andere und mit höherer Wiedergabetreue erhalten werden müssen. Beispielsweise könnte in einem Satellitenbild der interessierende Bereich verlustfrei komprimiert werden, während die umgebenden Bereiche verlustbehaftet komprimiert werden, um Speicherplatz zu sparen.

Der JPEG 2000-Standard unterstützt außerdem eine Vielzahl von Farbräumen, darunter Graustufen, RGB, YCbCr und andere, sowie eine Farbtiefe von 1 Bit (binär) bis zu 16 Bit pro Komponente sowohl im verlustfreien als auch im verlustbehafteten Modus. Diese Flexibilität macht es für eine Vielzahl von Bildanwendungen geeignet, von einfachen Webgrafiken bis hin zu komplexen medizinischen Bildern, die einen hohen Dynamikbereich und eine präzise Farbdarstellung erfordern.

In Bezug auf die Dateistruktur besteht eine JPEG 2000-Datei aus einer Reihe von Boxen, die verschiedene Informationen über die Datei enthalten. Die Hauptbox ist die JP2-Headerbox, die Eigenschaften wie Dateityp, Bildgröße, Bittiefe und Farbraum enthält. Nach dem Header gibt es zusätzliche Boxen, die Metadaten, Farbprofilinformationen und die eigentlichen komprimierten Bilddaten (den Codestream) enthalten können.

Der Codestream selbst besteht aus einer Reihe von Markern und Segmenten, die definieren, wie die Bilddaten komprimiert werden und wie sie dekodiert werden sollen. Der Codestream beginnt mit dem SOC-Marker (Start of Codestream) und endet mit dem EOC-Marker (End of Codestream). Zwischen diesen Markern befinden sich mehrere wichtige Segmente, darunter das SIZ-Segment (Image and tile size), das die Abmessungen des Bildes und der Kacheln definiert, und das COD-Segment (Coding style default), das die für die Komprimierung verwendeten Wavelet-Transformations- und Quantisierungsparameter angibt.

Die Fehlertoleranz von JPEG 2000 ist ein weiteres Merkmal, das es von seinem Vorgänger unterscheidet. Der Codestream kann Fehlerkorrekturinformationen enthalten, die es Decodern ermöglichen, Fehler zu erkennen und zu korrigieren, die während der Übertragung aufgetreten sein könnten. Dies macht JPEG 2000 zu einer guten Wahl für die Übertragung von Bildern über verrauschte Kanäle oder die Speicherung von Bildern in einer Weise, die das Risiko einer Datenbeschädigung minimiert.

Trotz seiner vielen Vorteile hat JPEG 2000 im Vergleich zum ursprünglichen JPEG-Format keine weit verbreitete Akzeptanz gefunden. Dies liegt zum Teil an der größeren rechnerischen Komplexität der Wavelet-basierten Komprimierung und Dekomprimierung, die mehr Rechenleistung erfordern kann und langsamer sein kann als DCT-basierte Methoden. Darüber hinaus ist das ursprüngliche JPEG-Format tief in der Bildgebungsindustrie verwurzelt und wird von Software und Hardware umfassend unterstützt, was es für viele Anwendungen zur Standardwahl macht.

JPEG 2000 hat jedoch in bestimmten Bereichen eine Nische gefunden, in denen seine erweiterten Funktionen besonders vorteilhaft sind. Beispielsweise wird es im digitalen Kino für die Verbreitung von Filmen verwendet, wo seine hochwertige Bilddarstellung und die Unterstützung verschiedener Seitenverhältnisse und Bildraten wichtig sind. Es wird auch in geografischen Informationssystemen (GIS) und Fernerkundung eingesetzt, wo seine Fähigkeit, sehr große Bilder zu verarbeiten und die ROI-Codierung zu unterstützen, wertvoll ist.

Für Softwareentwickler und Ingenieure, die mit JPEG 2000 arbeiten, stehen mehrere Bibliotheken und Tools zur Verfügung, die Unterstützung für die Kodierung und Dekodierung von JP2-Dateien bieten. Eine der bekanntesten ist die OpenJPEG-Bibliothek, ein quelloffener JPEG 2000-Codec, der in C geschrieben ist. Andere kommerzielle Softwarepakete bieten ebenfalls JPEG 2000-Unterstützung, oft mit optimierter Leistung und zusätzlichen Funktionen.

Zusammenfassend bietet das JPEG 2000-Bildformat eine Reihe von Funktionen und Verbesserungen gegenüber dem ursprünglichen JPEG-Standard, darunter eine überlegene Komprimierungseffizienz, Unterstützung sowohl für verlustfreie als auch für verlustbehaftete Komprimierung, progressive Dekodierung und erweiterte Fehlertoleranz. Obwohl es JPEG in den meisten Mainstream-Anwendungen nicht ersetzt hat, dient es als wertvolles Werkzeug in Branchen, die eine hochwertige Bildspeicherung und -übertragung erfordern. Da sich die Technologie weiterentwickelt und der Bedarf an anspruchsvolleren Bildgebungslösungen wächst, könnte JPEG 2000 in neuen und bestehenden Märkten eine stärkere Akzeptanz finden.