Bilder und Bildbearbeitung: Kompressionsverfahren

15.05.2017 07:31 Uhr

Inhaltsangabe:

  1. Kompressionsverfahren
  2. Verlustfreie Kompression
  3. Verlustbehaftete Kompression
  4. Übersicht

Kompressionsverfahren

 

Das Ziel der Anwendung von Kompressionsalgorithmen ist grundsätzlich die Reduktion von Datenvolumen für eine effiziente Speicherung bzw. Übertragung der Daten.

Grundsätzliches Verfahren: Eliminieren überflüssiger also redundater Daten.

ABER: „Überflüssig” ist relativ …

Unterscheidung zwischen zwei Ansätzen:

 

  1. Verfahren, bei denen das ursprüngliche Datenvolumen wieder vollständig verfügbar ist (verlustfrei).
  2. Verfahren, bei denen (vermeindlich) unbedeutende Daten herausgefiltert und gelöscht werden (verlustbehaftet).

 

Jeder Datenkomprimierung folgt ein Dekompressionsvorgang im Anwendungsfall. Nach diesem sind entweder alle Daten wieder vorhanden oder nur eine reduzierte Anzahl.

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Was sind ZIP und RAR (Dateiformate)?

 

Generell zählen sowohl .zip als auch.rar zu den verlustfreien Kompressionsverfahren. Das
heißt, dass die Datei nach dem Packen und anschließendem Entpacken zu 100% identisch mit
dem Original wieder hergestellt wird. Die beiden Formate sind hauptsächlich zum Archivieren und
Übertragen von Dateien (via Internet) gedacht.

 


 

Das ZIP-Dateiformat

 

Bei dem ZIP-Dateiformat handelt es sich um ein Kompressionsverfahren mit dem Texte und
Grafiken komprimiert und archiviert werden können. Es zeichnet sich durch eine enorm hohe
Kompressionsrate aus, arbeitet mit verlustfreier Kompression und wird bei der Übertragung
großer Dateien zur vorherigen Datenreduktion benutzt.

 

Die Kompression der Dateien erfolgt mit Programmen wie WinZip, 7-Zip oder PKZIP, die mit dem LZW-Algorithmus arbeiten und je nach Dateistruktur Kompressionsraten von über 90 % erreichen. Für die Dekompression ist wiederum eine Software erforderlich.

 

Mehrere zu komprimierenden Dateien können in einer Datei zusammengefasst werden, wobei unterschiedlichste Dateiformate für Texte und Grafiken beliebig kombiniert werden können.

 

ZIP-Dateien haben die Extension *.zip.

 


 

Das RAR-Dateiformat (Roshal archive)

 

Das RAR-Dateiformat ist ein Kompressionsformat mit dem beliebige Dateien verlustfrei mit
einer sehr hohen Kompressionsrate komprimiert werden können. Das RAR-Format ist
vergleichbar dem ZIP-Dateiformat und eignet sich für die Archivierung von Dateien.

 

RAR kann beliebige Dateien komprimieren. Vor der verlustfreien Kompression werden die
Daten nach dem Dateityp sortiert. Wie andere Verfahren mit verlustfreier Kompression
werden bei der RAR-Kompression Redundanzen entfernt, was zu der hohen
Kompressionsrate führt. Im Gegensatz zu der ZIP-Kompression kann RAR Dateien in
beliebiger Dateigröße komprimieren und große Dateien auch splitten. Komprimierte RAR-Dateien werden durch Entpacker-Software, dekomprimiert.

 

Die Datei-Endung von RAR-Dateien ist *.rar.

 

Dieses Vorgehen besitzt jedoch zwei Nachteile:

 

Es können keine Einzeldateien aus einem Archiv extrahiert werden, ohne den gesamten
Datenstrom, der ggf. ungewünschte Dateien enthält, zu dekodieren. Außerdem führt ein
beschädigtes Archiv zum Verlust aller archivierten Dateien (nicht nur der betreffenden Datei,
da es in komprimiertem Zustand keine einzelnen Dateien mehr gibt).

 


 

Unterschiede

 

Kompression: ZIP hat eine wesentlich schnellere Kompressionsrate als RAR. Die Archive werden über ZIP etwa doppelt so schnell gepackt wie in RAR. RAR hingegen hat eine etwas höhere Kompressionsrate, sodass die Archiv-Datei (Größe) kleiner ist als das ZIP Archiv.

 

ZIP: Die einzelnen Dateien werden erst komprimiert und dann als Archiv zusammengefügt. So ist
die Kompressionsrate zwar geringer, jedoch können beschädigte Archive immer noch teilweise genutzt werden.

 

RAR: Die einzelnen Dateien werden erst zusammengefasst und dann komplett komprimiert. Das
hat eine höhere Kompressionsrate zufolge, ist das Archiv jedoch beschädigt, ist das ganze Archiv unbrauchbar.

 


 

Fazit

 

Da ZIP sehr verbreitet und mit jedem Betriebssystem kompatibel ist, können (kleinere) Dateien oder Dateien, die nur zusammenfassen werden sollen, gut mit diesem Format gepackt werden, v.a., wenn es nicht auf den maximalen Kompressionsgrad ankommt.

 

RAR wird vorzugsweise für größere Dateiansammlungen genutzt. Da RAR-Dateien Archive sind und ein Programm zum Öffnen benötigen, muss dementsprechend eine Software angeschafft werden.

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Verlustfreie Kompression

Verlustfreie Kompression von Bildern

 

  • Kompressionsraten bis ca. 50 % durch Identifikation von Daten, die sich durch andere Daten ableiten lassen.
  • Nach der Dekompression (Dekodierung) steht wieder die vollständige Ausgangsinformation zur Verfügung.
  • Je komplexer die Redundanzberechnung umso kleiner das Datenvolumen und umso größer die Rechenzeit bei der Dekompression.

 


 

Beispiele:

 

1. Run Length Encoding (RLE)

 

  • Lauflängencodierung v.a. für Binärdaten

 

Ausgangsdatei: {131,131,131,131,131,131,131,131,117,117,117,117,117,117,117,117}

 

Zieldatei: {8,131,8,117}

 

Speicherbedarf: vorher 16  nachher 4

 

Bilder und Bildbearbeitung: Kompressionsverfahren - Verlustfrei

 

 

 

2. Lempel-Ziv-Welsh (LZW)

 

  • „Wörterbuch“-Algorithmus / Lookup-Table

 

Bilder und Bildbearbeitung: Kompressionsverfahren - Verlustfrei

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Verlustbehaftete Kompression

Verlustbehaftete Kompression von Bildern

 

  • Kompressionsraten bis ca. 90 % aufgrund von teilweiser Entfernung von Daten
  • Nach der Dekompression wird nur der visuelle Eindruck wieder hergestellt, Teile der Ausgangsinformation gehen jedoch verloren.

 

Kompressionsartefakte

 

Bilder und Bildbearbeitung: Kompressionsverfahren - Verlustbehaftet

 

Beispiel: JPEG (Joint Photographic Expert Group)

 

  • minimaler Austauschstandard: JFIF (JPEG File Interchange Format)

 

lossy durch Quantisierung:

 


je größer die Quantisierung desto ausgeprägter der Verlust an ursprünglicher Information.


 

Beispiel (stark vereinfacht):

 

Ausgangsdatei: {131,130,130,132,131,132,130,131,116,118,117,117,116,116,118,117}

 

Zieldatei: {8,131,8,117}


JPEG als Archivformat?

 

Hier das Ergebnis einer ungewollten Modifikation eines JPEG Files (Original), bei dem, vermutlich durch eine gestörte Datenleitung oder ein defektes Übertragunsgprogramm, genau 4 von 521.415 Byte nicht korrekt übertragen wurden.

 

Reale Probleme mit Bildern im JPEG-Format im Vergleich zu TIFF:

 

  1. Ausgangsbild
  2. Vergrößerung auf TIFF Basis
  3. Vergrößerung auf JPEG Basis
  4. Enhancement auf TIFF Basis
  5. Enhancement auf JPEG Basis

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Übersicht über die gängigsten Formate

 

Format Kompression Unterstützte Bittiefen Vor- und Nachteile
BMP RLE 1, 4, 8 und 24 + leichte Erzeugung
– nicht abwärtskompatibel
GIF (Graphics Interchange Format) LZW 1 bis 8 (aus einer 24 Bit Tabelle) + Interlaced / Transparent
+ verlustfreie Kompression
+ Animationen möglich
– (Lizenzpflicht seit 1994?)
PNG (Portable Network Graphics Format) LZW-Variante 8, 16, 24, 48 + Lizenzfrei
+ verlustfreie Kompression
+ auch 24 Bit
+ Interlaced / Transparent
JPEG DCT und Huffman 24 + für Fotografien
+ Größe
+ Progressive Format
– schlecht für Archivierung „digitaler“ Bilder
– verlustbehaftete Kompression
TIF(F) (Tagged Image Format) LZW-Variante 1 bis 48 + Plattormunabhängig
+ viele Metainformationen ablegbar
+ vorzugsweise im Printbereich zu benutzen
+ verlustfreie Kompression
– viele Unterformate
– in den meisten Browsern nicht darstellbar

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