Title: EVC Test1 / Bildcodierung und Kompression

Q: kontinuierliche/analoge Daten
A: eine Zahl kann unendlich viele mögliche Werte annehmen

Q: Digitalisierung
A: Umwandlungsprozess von kontinuierlichen Daten zu Computer bearbeitbarer Version

Q: Bildelemente/Pixel
A: stellen kleinste individuelle Elemente in einem Rasterbild dar

Q: Rasterbild
A: Raster von diskreten Werten, jeder Bildpunkt wird mit Helligkeits und Farbwert gespeichert

Q: digitales Bild
A: numerische Repräsentation eines zweidimensionalen Bildes welches aus Vektorbeschreibungen oder Raster (2D Matrix) besteht

Q: Vektorbild
A: Bildinhalt wird in Form von geometrischen Objekten repräsentiert und Rasterung erfolgt erst bei Darstellung auf konkretem Endgerät (Drucker, Display)

Q: Frühzeit digitaler Bildformate
A: bis 1985
mit jeder neuen Softwareentwicklung > neues Dateiformat
kombinatorische Vielfalt notwendiger Konvertierungsprogramme

Q: standardisierte Dateiformate Vorteil:
A: erleichtert Bilddaten Austausch
fördert langfristige Lesbarkeit

Q: Rasterbild LxN Speicherplatz
A: enthält Pixelraster,
Bild mit
- L Zeilen
- N Spalten
- 2^(B ... Bits pro Rasterzelle) Graustufen
- c Farbkomponenten
unkomprimiert: LxNxBxc Speicherplatz
z.B. Bildgröße von 1024x768, RGB, 8 Bit (2^8 Grauwerte) > 1024x768x3x8 = 18.87 MBit = 2.36 MByte

Q: Rasterbild kann [...], [...] oder im [...] abgespeichert werden
A: komprimiert; unkomprimiert; Vektorformat

Q: Graustufen
A: für Farbgebung jeder Rasterzelle ist eine bestimmte Anzahl an Bits zur Verfügung gestellt = Farbtiefe des Bildes

Rasterbildformate:
Verwendung von RAW Formaten ermöglichen Zugang zu tatsächlich von Kamera aufgenommenen Bilddaten.
Für jeden Pixel entsprechender Farbwert ohne Nachbearbeitung: 1-Chip Kameras entsprechend dem CFA-Muster.

Rasterbildformate:
Konventionelle Raster-Bildformate sind z.B. BMP (Bitmap) oder PNG (Portable Network Graphics).
Ist in der Lage 2D digitale Bilder beliebiger Breite, Höhe und Auflösung abzuspeichern.
Rasterbilddatei besteht aus Strukturen fixer (Header) und variabler (Bildabhängig) Größe, diese scheinen in vordefinierter Sequenz auf.

Q: Vektor-Bildformate (5):
A: - geometrische Beschreibung, kann für jede Anzeigegröße problemlos gerendert werden
- alle Vektor-Formate müssen irgendwann rasterisiert werden um angezeigt werden zu können
- es gibt Drucker die Vektordaten zum Zeichnen von Grafiken verwenden = Plotter
- CGM Format: Computer Graphics Metafile: freier offener internationaler Standard für Speicherung von 2D Vektorzeichnungen, Rasterbildern, Text
grafische Elemente in Quelltextdateien spezifiziert > zu Binärdatei oder Textdarstellung kompiliert
unabhängig von Anwendung, Plattform, System, Gerät
- WMF Format: Windows-Metafile: Datenaustausch zwischen Anwendungen, beinhalten Vektorgrafiken und Bitmap-Komponenten

Q: Plotter
A: Drucker die Vektordaten zum Zeichnen von Grafiken verwenden

WMF Format: Windows-Metafile: Datenaustausch zwischen Anwendungen, beinhalten Vektorgrafiken und Bitmap-Komponenten

CGM Format: Computer Graphics Metafile: freier offener internationaler Standard für Speicherung von 2D Vektorzeichnungen, Rasterbildern, Text
grafische Elemente in Quelltextdateien spezifiziert > zu Binärdatei oder Textdarstellung kompiliert
unabhängig von Anwendung, Plattform, System, Gerät

Q: Ziel der Bildkompression
A: Reduzierung irrelevanter und redundanter Bildinformation um Daten effizient zu
speichern/übermitteln

Q: Bildkompression Möglichk. (3)
A: - verlustfrei (lossless)
- verlustbehaftet (lossy)
- visuell verlustfrei (visually lossless)

Verlustfrei (lossless) komprimieren für Archivierungszwecke, medizinische Bilder, technische Zeichnungen, Cliparts, Comics.
Verlustbehaftet (lossy) bzw. Visuell Verlustfrei (visually lossless) für natürliche Bilder, Fotografien.
Verlustbehaftete Kompression mit niedriger Bitrate: Kompressionsartefakte.

Q: Bildformate Verlustfreie Kompression:
- GIF ([...])
- PNG ([...])
- TIFF ([...])
A: Graphics Interchange Format; Portable Network Graphics; Tagged Image File Format

Q: GIF (3, +/-)
A: verlustfrei
- Raster-Bildformat
- eingeführt von Compu Serve 1987
- bis zu 8 Bit pro Pixel: 256 unterscheidbare Farben des 24-Bit RGB Farbraums
- gut für Icons und Simple Animations
- nicht gut für Fotografie

Q: PNG (3, +/-)
A: verlustfrei
- entwickelt um GIF zu verbessern, keine Patentlizenz
- unterstützt
1. palettenbasierte Bilder (24 Bit RGB, 32 Bit RGBA)
2. Graustufenbilder (mit/ohne Alphakanal = Transparenzwert)
3. vollfarbige nicht palettenbas. RGB[A] Bilder (mit/ohne Alphakanal)
- verlustfreies Kompressionsverfahren: PKZIP (Phil Katz Zip)
- gut für Übertragung von Bildern im Internet
- nicht gut für Druckgrafiken (nur RGB Farbraum Unterstützung)

Q: TIFF (4 , +)
A: verlustfrei
- von Adobe Systems verwaltet, ~1980 als Scan-Bildddatenformat
- unterstützt Grauwertbilder, Indexbilder, Vollfarbenbilder
- kann mehrere Bilder mit unterschiedlichen Eigenschaften enthalten
in einer Tiff: mehrere Varianten eines Bilds in verschiedenen Größen, Darstellungsformen
- spezifiziert mehrere Kompressionsverfahren (u.a. LZW, ZIP, CCITT, JPEG) und Farbräume
- gut als Austauschformat, Dokumentenarchivierung, wissenschaftliche Anwendung, Digitalfotografie/-film-/-videoproduktion

Q: Bildformate Verlustbehaftete Kompression:
- JPEG [...]
Datencodierungsmethode durch Entfernung bestimmter Datenteile, orientiert sich an [...] Erkenntnissen und entfernt schwach/ nicht wahrgenommene Signale.
Ursprungsdaten werden in Domäne transformiert die Informationsgehalt genauer wiedergibt.
A: Joint Photographic Experts Group; wahrnehmungspsychologischen

Q: JPEG (3, 3Schritte)
A: verlustbehaftet
- vor allem bei fotografischen Aufnahmen
- durchschnittliche Reduktion um Faktor 1:16
- 1990 als ISO Standard
1. Farbraumkonversion und Downsampling:
- RGB > YCbCr: Helligkeitskomponente, Blue-Yellow- und Red-Green-Farbkomponenten
- geringere Empfindlichkeit des Auges gegenüber Farbdetails ggü. Helligkeitsunterschiede
2. Kosinustransformation und Quantisierung im Sprektralraum:
- 8x8 Blöcke, unabhängig in Frequenzspektrum mithilfe DCT berechnet
- Quantisierung der 64 Spektralkoeffizienten jedes Blockes anhand Quantisierungstabelle (hohe Frequ. stark quantisiert)
3. Verlustfreie Kompression: Lauflängen- oder Huffmann-Kodierung

Q: DCT
A: Diskrete Cosinus Transformation

DCT ist eine Variation der Fouriertransformation, die beliebige Signale durch Überlagerung von Cosinuswellen mit verschiedener Frequenz und Amplitude darstellt.
Pixelwerte werden als Frequenz und Amplitudenverteilung dargestellt.

Q: HIER GLEICHUNG
A: u... horizontale Ortsfrequenz
v ... vertikale Ortsfrequenz
a(u) .. normalisierender Skalierungsfaktor für Orthonormalität der Transformation
f(x,y) .. Pixelwert bei x,y
F(u,v) .. DCT-Koeffizient bei u,v

Q: wo erfolgt der eigentlich verlustbehaftete Schritt bei JPEG
A: beim Quantisierungsschritt
dieser minimiert die Gesamtgröße des DCT
jeder DCT-Koeffizient wird durch vordefinierten Quantisierungswert dividiert und dann auf nächsten Integer-Wert gerundet.
Quantisierungswerte für niedrige Frequenzen klein, für hohe Frequenzen groß.
einige hochfrequenten Komponenten > auf 0 gerundet, restlichen gering +/-: dadurch werden weniger Bit benötigt
Kompression kann bis zu einem Fünftel der OG passieren ohne visuelle Verschlechterung
umso höhere Quantisierung (Kompression) umso mehr Artefakte (Blockinformationen)

Q: Schwachpunkt von JPEG
A: - Verhalten bei abrupten Übergängen
- Sichtbarkeit der 8x8 Blöcke bei hohen Kompressionsraten
- für natürliche Bilder und nicht für künstlich erstellte Bilder entwickelt

Jeder DCT-Koeffizient wird durch vordefinierten Quantisierungswert dividiert und dann auf nächsten Integer-Wert gerundet.

Q: Quantisierungswerte für niedrige Frequenzen [...], für hohe Frequenzen [...].
A: klein; groß

Vorderseite: Wieso kann die JPEG Kompression bis zu einem Fünftel der OG passieren (ohne visuelle Verschlechterung)
Rückseite: JPEG: einige hochfrequente Komponenten werden auf 0 gerundet, restlichen gering +/-, dadurch werden weniger Bit benötigt
Gegenrichtung hinzufügen: JPEG kann bis zu einem Fünftel der OriginalGr. komprimieren (ohne visuelle Verschlechterung)

umso höhere Quantisierung (Kompression) umso mehr Artefakte (Blockinformationen)

Q: Interframe vs Intraframe
A: Interframe: betrachtet Frames davor und danach
Intraframe: betrachtet nur aktuelles Frame - eigentlich Bildkompression

Q: Interframe
A: ganze Makroblöcke eines Frames durch einfache Transformationen verändert
Kompressor befiehlt Decompressor Verschieben, Rotieren, Aufhellen, Verdunklen des nächsten Frames
problemlos abspielbar
nicht so einfach bearbeitbar da ggf. Teile neu codiert werden müssen

Q: Videokompressionsverfahren
A: MPEG

Q: MPEG (Abk., 1, Varianten)
A: Moving Pictures Expert Group
- asymmetrisch da Codierung algorithmisch komplexer als Decodierung
- MPEG-1: Film/Ton auf Bitrate einer CD (Compact Disc)
- MPEG-2: Zeilensprungverfahren, HD-Auflösung (High Definition), digitales Fernsehen, Kabelsignal, SVCD, DVD
- MPEG-4: Computergrafik-Applikationen, Blu-ray Discs