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Was ist das JPEG Format?

Joint Photographic Experts Group JFIF-Format

JPEG, was für Joint Photographic Experts Group steht, ist eine häufig verwendete Methode der verlustbehafteten Kompression für digitale Bilder, insbesondere für Bilder, die mit digitaler Fotografie aufgenommen wurden. Der Kompressionsgrad kann angepasst werden, um einen wählbaren Kompromiss zwischen Dateigröße und Bildqualität zu erreichen. JPEG erreicht in der Regel eine Kompression von 10:1 bei nur geringem wahrnehmbarem Qualitätsverlust.

Der JPEG-Kompressionsalgorithmus ist der Kern des JPEG-Standards. Der Prozess beginnt damit, dass ein digitales Bild von seinem üblichen RGB-Farbraum in einen anderen Farbraum namens YCbCr konvertiert wird. Der YCbCr-Farbraum teilt das Bild in Luminanz (Y), welche die Helligkeitsstufen darstellt, und Chrominanz (Cb und Cr), welche die Farbinformationen darstellen. Diese Trennung ist vorteilhaft, da das menschliche Auge empfindlicher auf Helligkeitsunterschiede als auf Farbunterschiede reagiert, was es der Kompression ermöglicht, Farbinformationen stärker zu komprimieren als Luminanz.

Nachdem das Bild im YCbCr-Farbraum vorliegt, ist der nächste Schritt in der JPEG-Kompression das Downsampling der Chrominanzkanäle. Downsampling reduziert die Auflösung der Chrominanzinformationen, was die wahrgenommene Bildqualität in der Regel nicht wesentlich beeinträchtigt, da das menschliche Auge weniger empfindlich auf Farbdetails ist. Dieser Schritt ist optional und kann je nach gewünschtem Gleichgewicht zwischen Bildqualität und Dateigröße angepasst werden.

Nach dem Downsampling wird das Bild in Blöcke, normalerweise mit einer Größe von 8x8 Pixeln, unterteilt. Jeder Block wird dann separat verarbeitet. Der erste Schritt bei der Verarbeitung jedes Blocks ist die Anwendung der Diskreten Kosinustransformation (DCT). Die DCT ist eine mathematische Operation, die die Daten aus dem räumlichen Bereich (die Pixelwerte) in den Frequenzbereich transformiert. Das Ergebnis ist eine Matrix von Frequenzkoeffizienten, die die Bilddaten des Blocks in Bezug auf seine räumlichen Frequenzkomponenten darstellen.

Die aus der DCT resultierenden Frequenzkoeffizienten werden dann quantisiert. Quantisierung ist der Prozess, bei dem eine große Menge an Eingangswerten auf eine kleinere Menge abgebildet wird – im Falle von JPEG bedeutet dies, die Genauigkeit der Frequenzkoeffizienten zu reduzieren. Hier tritt der verlustbehaftete Teil der Kompression auf, da einige Bildinformationen verworfen werden. Der Quantisierungsschritt wird durch eine Quantisierungstabelle gesteuert, die bestimmt, wie viel Kompression auf jede Frequenzkomponente angewendet wird. Die Quantisierungstabellen können angepasst werden, um eine höhere Bildqualität (weniger Kompression) oder eine kleinere Dateigröße (mehr Kompression) zu begünstigen.

Nach der Quantisierung werden die Koeffizienten in einer Zick-Zack-Anordnung angeordnet, beginnend in der oberen linken Ecke und einem Muster folgend, das niedrigere Frequenzkomponenten gegenüber höheren Frequenzkomponenten priorisiert. Dies liegt daran, dass niedrigere Frequenzkomponenten (die die gleichmäßigeren Teile des Bildes darstellen) für das Gesamterscheinungsbild wichtiger sind als höhere Frequenzkomponenten (die die feineren Details und Kanten darstellen).

Der nächste Schritt im JPEG-Kompressionsprozess ist die Entropiekodierung, die eine Methode der verlustfreien Kompression ist. Die am häufigsten in JPEG verwendete Form der Entropiekodierung ist die Huffman-Kodierung, wobei auch die arithmetische Kodierung eine Option ist. Die Huffman-Kodierung funktioniert, indem sie kürzere Codes für häufigere Vorkommen und längere Codes für seltener vorkommende Werte zuweist. Da die Zick-Zack-Anordnung dazu neigt, ähnliche Frequenzkoeffizienten zusammenzufassen, erhöht sie die Effizienz der Huffman-Kodierung.

Sobald die Entropiekodierung abgeschlossen ist, wird die komprimierte Daten in ein Dateiformat gespeichert, das dem JPEG-Standard entspricht. Dieses Dateiformat enthält einen Kopf mit Informationen zum Bild, wie z.B. seine Abmessungen und die verwendeten Quantisierungstabellen, gefolgt von den Huffman-kodierten Bilddaten. Das Dateiformat unterstützt auch die Aufnahme von Metadaten wie EXIF-Daten, die Informationen über die Kameraeinstellungen, das Aufnahmedatum und -uhrzeit und andere relevante Details enthalten können.

Wenn ein JPEG-Bild geöffnet wird, kehrt der Dekompressionsvorgang die Kompressionsschritte im Wesentlichen um. Die Huffman-kodierten Daten werden dekodiert, die quantisierten Frequenzkoeffizienten werden unter Verwendung derselben Quantisierungstabellen, die auch bei der Kompression verwendet wurden, re-quantisiert, und die inverse Diskrete Kosinustransformation (IDCT) wird auf jeden Block angewendet, um die Frequenzbereichsdaten wieder in räumliche Pixelwerte umzuwandeln.

Der Re-Quantisierungs- und IDCT-Prozess führen aufgrund der verlustbehafteten Natur der Kompression zu einigen Fehlern, weshalb JPEG nicht ideal für Bilder ist, die mehrmals bearbeitet und erneut gespeichert werden. Jedes Mal, wenn ein JPEG-Bild gespeichert wird, durchläuft es den Kompressionsprozess erneut, und es gehen weitere Bildinformationen verloren. Dies kann zu einer deutlichen Verschlechterung der Bildqualität im Laufe der Zeit führen, ein Phänomen, das als 'Generationsverlust' bezeichnet wird.

Trotz der verlustbehafteten Natur der JPEG-Kompression bleibt es ein beliebtes Bildformat aufgrund seiner Flexibilität und Effizienz. JPEG-Bilder können sehr klein in der Dateigröße sein, was sie ideal für die Verwendung im Web macht, wo Bandbreite und Ladezeiten wichtige Überlegungen sind. Darüber hinaus enthält der JPEG-Standard einen progressiven Modus, mit dem ein Bild so codiert werden kann, dass es in mehreren Durchgängen decodiert werden kann, wobei sich die Auflösung des Bildes mit jedem Durchgang verbessert. Dies ist insbesondere für Webbilder nützlich, da es die schnelle Anzeige einer niederqualitativeren Version des Bildes ermöglicht, wobei die Qualität zunimmt, je mehr Daten heruntergeladen werden.

JPEG hat auch einige Einschränkungen und ist nicht immer die beste Wahl für alle Arten von Bildern. Zum Beispiel ist es nicht gut geeignet für Bilder mit scharfen Kanten oder hochkontrasten Text, da die Kompression in diesen Bereichen sichtbare Artefakte verursachen kann. Außerdem unterstützt JPEG keine Transparenz, die ein Feature von anderen Formaten wie PNG und GIF ist.

Um einige der Einschränkungen des ursprünglichen JPEG-Standards zu adressieren, wurden neue Formate wie JPEG 2000 und JPEG XR entwickelt. Diese Formate bieten eine verbesserte Kompressionseffizienz, Unterstützung für höhere Bittiefe und zusätzliche Funktionen wie Transparenz und verlustfreie Kompression. Sie haben jedoch noch nicht den gleichen Grad an allgemeiner Verbreitung wie das ursprüngliche JPEG-Format erreicht.

Zusammenfassend ist das JPEG-Bildformat ein komplexer Ausgleich zwischen Mathematik, menschlicher Wahrnehmungspsychologie und Computerwissenschaften. Seine weite Verbreitung ist ein Beweis für seine Effektivität bei der Reduzierung der Dateigröße bei gleichzeitiger Beibehaltung eines Qualitätsniveaus, das für die meisten Anwendungen akzeptabel ist. Das Verständnis der technischen Aspekte von JPEG kann Anwender dabei unterstützen, fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, wann dieses Format verwendet werden soll und wie ihre Bilder für das für ihre Bedürfnisse am besten geeignete Gleichgewicht aus Qualität und Dateigröße optimiert werden können.

Unterstützte Formate

AAI.aai

AAI Dune Bild

AI.ai

Adobe Illustrator CS2

AVIF.avif

AV1 Bildformat

AVS.avs

AVS X Bild

BAYER.bayer

Rohes Bayer-Bild

BMP.bmp

Microsoft Windows Bitmap-Bild

CIN.cin

Cineon-Bilddatei

CLIP.clip

Bild-Clip-Maske

CMYK.cmyk

Rohcyan-, Magenta-, Gelb- und Schwarzproben

CMYKA.cmyka

Rohcyan-, Magenta-, Gelb-, Schwarz- und Alpha-Proben

CUR.cur

Microsoft-Symbol

DCX.dcx

ZSoft IBM PC mehrseitige Paintbrush

DDS.dds

Microsoft DirectDraw-Oberfläche

DPX.dpx

SMTPE 268M-2003 (DPX 2.0) Bild

DXT1.dxt1

Microsoft DirectDraw-Oberfläche

EPDF.epdf

Eingekapseltes tragbares Dokumentenformat

EPI.epi

Adobe Encapsulated PostScript Interchange-Format

EPS.eps

Adobe Encapsulated PostScript

EPSF.epsf

Adobe Encapsulated PostScript

EPSI.epsi

Adobe Encapsulated PostScript Interchange-Format

EPT.ept

Eingekapseltes PostScript mit TIFF-Vorschau

EPT2.ept2

Eingekapseltes PostScript Level II mit TIFF-Vorschau

EXR.exr

Bild mit hohem Dynamikbereich (HDR)

FARBFELD.ff

Farbfeld

FF.ff

Farbfeld

FITS.fits

Flexibles Bildtransport-System

GIF.gif

CompuServe-Grafikaustauschformat

GIF87.gif87

CompuServe-Grafikaustauschformat (Version 87a)

GROUP4.group4

Rohes CCITT Group4

HDR.hdr

Bild mit hohem Dynamikbereich (HDR)

HRZ.hrz

Slow Scan TeleVision

ICO.ico

Microsoft-Symbol

ICON.icon

Microsoft-Symbol

IPL.ipl

IP2 Location Image

J2C.j2c

JPEG-2000 Codestream

J2K.j2k

JPEG-2000 Codestream

JNG.jng

JPEG Network Graphics

JP2.jp2

JPEG-2000 Dateiformat Syntax

JPC.jpc

JPEG-2000 Codestream

JPE.jpe

Joint Photographic Experts Group JFIF-Format

JPEG.jpeg

Joint Photographic Experts Group JFIF-Format

JPG.jpg

Joint Photographic Experts Group JFIF-Format

JPM.jpm

JPEG-2000 Dateiformat Syntax

JPS.jps

Joint Photographic Experts Group JPS-Format

JPT.jpt

JPEG-2000 Dateiformat Syntax

JXL.jxl

JPEG XL-Bild

MAP.map

Multi-Resolution Seamless Image Database (MrSID)

MAT.mat

MATLAB-Level-5-Bildformat

PAL.pal

Palm-Pixmap

PALM.palm

Palm-Pixmap

PAM.pam

Allgemeines zweidimensionales Bitmap-Format

PBM.pbm

Portable Bitmap-Format (schwarz-weiß)

PCD.pcd

Photo-CD

PCDS.pcds

Photo-CD

PCT.pct

Apple Macintosh QuickDraw/PICT

PCX.pcx

ZSoft IBM PC Paintbrush

PDB.pdb

Palm Database ImageViewer-Format

PDF.pdf

Portable Document Format

PDFA.pdfa

Portable Document Archive-Format

PFM.pfm

Portable Float-Format

PGM.pgm

Portable Graymap-Format (Graustufen)

PGX.pgx

JPEG-2000 unkomprimiertes Format

PICON.picon

Persönliches Icon

PICT.pict

Apple Macintosh QuickDraw/PICT

PJPEG.pjpeg

Joint Photographic Experts Group JFIF-Format

PNG.png

Portable Network Graphics

PNG00.png00

PNG mit Bit-Tiefe und Farbtyp vom Originalbild erben

PNG24.png24

Opakes oder binäres transparentes 24-Bit-RGB (zlib 1.2.11)

PNG32.png32

Opakes oder binäres transparentes 32-Bit-RGBA

PNG48.png48

Opakes oder binäres transparentes 48-Bit-RGB

PNG64.png64

Opakes oder binäres transparentes 64-Bit-RGBA

PNG8.png8

Opakes oder binäres transparentes 8-Bit-Indexed

PNM.pnm

Portable Anymap

PPM.ppm

Portable Pixmap-Format (Farbe)

PS.ps

Adobe PostScript-Datei

PSB.psb

Adobe Large Document-Format

PSD.psd

Adobe Photoshop-Bitmap

RGB.rgb

Rohdaten für rote, grüne und blaue Proben

RGBA.rgba

Rohdaten für rote, grüne, blaue und Alpha-Proben

RGBO.rgbo

Rohdaten für rote, grüne, blaue und Opazität-Proben

SIX.six

DEC SIXEL-Grafikformat

SUN.sun

Sun Rasterfile

SVG.svg

Skalierbare Vektorgrafiken

SVGZ.svgz

Komprimierte skalierbare Vektorgrafiken

TIFF.tiff

Tagged Image File Format

VDA.vda

Truevision-Targa-Bild

VIPS.vips

VIPS-Bild

WBMP.wbmp

Wireless Bitmap (Level 0) Bild

WEBP.webp

WebP-Bildformat

YUV.yuv

CCIR 601 4:1:1 oder 4:2:2

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