Einleitung marc2000
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Motivation zur JPEG2000 Kodierung
- Verlustlose und verlustbehaftete Kompression mit gleichem Datenstrom
- Eine einzige Kompresssionsarchitektur
- Bild soll beliebig groß sein
- Mehr als 3 Komponenten
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auto
In den Lerneinheiten Wavelets und Waveletbasierte Bildkodierungstechnik wird ausführlich die Funktionsweise der Wavelettransformation und deren Bedeutung für die Bildkodierung erläutert. Weiters werden die sich durch die Wavelettransformation eröffnenden Möglichkeiten zur Bildkompression aufgezeigt.(perzeptuelle Kodierung , Entropiekodierung etc). Die einfachste Möglichkeit wäre nun, die DCT 242 durch eine Wavelettransformation zu ersetzen, alle weiteren Kodierungsschritte könnte man von JPEG (Quantisierungstabelle, Entropiekodierung etc) übernehmen. Alleine durch die Eigenschaften der Wavelettransformation wäre diese Kodierungstechnik der herkömmlichen JPEG Kodierungstechnik überlegen (bessere Qualität bei niedrigen Datenraten, keine Blockbildung).
Motivation zur JPEG2000 Kodierung
Bei der Erarbeitung der JPEG2000 Kodierungstechnik hatte man nicht nur optimales Kompressionsverhalten als Ziel. Aus Erfahrungen mit dem alten JPEG Standard hat sich eine lange Liste an Verbesserungsvorschlägen und Wünschen nach zusätzlichen Features ergeben. Möglichst vielen dieser Wünsche nachzukommen, war daher das Hauptziel für den neuen Standard. So musste man bei der Erstellung der Kodierungstechnik von JPEG2000 unter anderem auf folgende Anforderungen achten:
- Verlustlose und verlustbehaftete Kompression soll mit dem gleichen Datenstrom kodierbar sein.
- Es soll nur eine einzige Kompressionarchitektur geben. Der JPEG Standard beinhaltet 44 Modi, in der Praxis werden aber die meisten nicht genutzt. JPEG2000 beinhaltet in einem Modus sämtliche Features wie progressiver Bildaufbau, hierarchische Bildkodierung, verlustfreie/verlustbehaftete Kodierung etc
- Das zu kodierende Bild soll in Bezug auf Größe (Anzahl der Pixel) keinen Beschränkungen unterliegen. Dazu wurde die Tiles-Technik in den Standard übernommen.
- Bild soll nicht nur aus drei, sondern aus mehreren Komponenten bestehen können. So können für ein Bild zum Beispiel einerseits die Farbwerte zur korrekten Bildschirmdarstellung, andererseits die Farbwerte zum optimalen Bildausdruck in ein und denselben Datenstrom kodiert werden.
JPEG2000 Encodergray2001
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Blockschaltbild eines JPEG2000 Encoders PC
Blockschaltbild eines JPEG2000 Encoders PDA_Phone
Beschreibung des Blockschaltbildes
- Pre-Processing
- Tiles
- Level Offset
- Aufteilung in Komponenten
- Irreversible Farbtransformation - verlustbehaftet durch Rubdungsfehler
- Reversible Farbtransformaion - absolut verlustfrei
- DWT 512
- Gleitkomma Transformation - verluste durch Rundungsfehler, aber sehr effektiv
- Integer Transformation - absollut verlustfrei, weniger effektiv
- Uniform Quantisierer - Totzonen (deadzone)quantisierung
- Embedded Coding
- Datenratensteuerung
- Datenstrom Organisation
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Blockschaltbild eines JPEG2000 Encoders PC
Die Abbildung zeigt den Aufbau eines JPEG2000 Encoders. Diese Architektur erfüllt sämtliche Anforderungen wie verlustfreie/verlustbehaftete Kompression, progressiver Bildaufbau etc
- Im Pre-Processing kann das Bild in beliebige Bildabschnitte (=Tiles) unterteilt werden, das Bild in dessen Komponenten geteilt werden (z.B. Trennung in verschiedene Farbkomponenten)
- DWT hier kann gewählt werden zwischen zwei Formen der diskreten Wavelettransformation: Integer - und Gleitkomma Transformation
- Totzonenquantisierer
- Embedded Block Coding. Dabei handelt es sich um eine eigens für JPEG2000 entwickelte Entropiekodierung
- Datenratesteuerung
Blockschaltbild eines JPEG2000 Encoders PDA_Phone
Die Abbildung zeigt den Aufbau eines JPEG2000 Encoders. Diese Architektur erfüllt sämtliche Anforderungen wie verlustfreie/verlustbehaftete Kompression, progressiver Bildaufbau etc
- Im Pre-Processing kann das Bild in beliebige Bildabschnitte (=Tiles) unterteilt werden, das Bild in dessen Komponenten geteilt werden (z.B. Trennung in verschiedene Farbkomponenten)
- hier kann gewählt werden zwischen zwei Formen der diskreten Wavelettransformation: Integer - und Gleitkomma Transformation
- Totzonenquantisierer
- Embedded Block Coding. Dabei handelt es sich um eine eigens für JPEG2000 entwickelte Entropiekodierung
- Datenratesteuerung
Pre-Processing gray2002gray2001 marc2000 rabb2002
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Tiling
- Bild kann optional in Unterbilder (Tiles=Kacheln) aufgeteilt werden
- Garantiert JPEG2000 Kompatibilität auch mit einfacher Hardware
- Jedes Tile wie ein selbstständiges Bild kodiert
Leveloffset
- Der Mittelwert der Bildpunktewerte wird auf Null gesetzt
- Bildsignal besteht grundsätzlich nur aus positiven Werten
- Algorithmen benötigen zum Nullpunkt symetrisches Signal
Aufteilung in Komponenten
- Bild kann aus einer sehr hohen Anzahl an Komponenten bestehen
- im einfachsten Fall aus Rot, Grün Blau
- zusätzlich Farbkomponenten für Farbdrucker, für Bildschrimdarstellung etc
- Farbraumtransformation
- Möglichkeit der Unterabtastung der Chrominanzwerte
- YUV 304
Werte korrelieren untereinander weniger als die RGB Werte.
- Auch ohne Unterabtastung YUV bessere Kompressionsergebnisse
- Irreversilble Farbraumtransformation
- Ident mit JPEG verwendete Farbraumtranformation (siehe Lerneinheit JPEG Bildvorbereitung)
- Reversible Farbraumtransformation
- in beiden Farbräumen ergeben sich nur Integer
- arbeitet absolut verlustlos
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Der erste Schritt der JPEG2000 Kodierung, der Pre-Processing Schritt, unterteilt sich in drei Teilschritte.
Tiling
Im JPEG2000 Standard soll es möglich sein, auch Bilder mit einer sehr hohen Datengröße (hohe Pixelanzahl), unabhängig von der Komplexität der verwendeten Hardware, zu bearbeiten. Da für viele Anwendungen Decoder verwendet werden, die nur eine beschränkte Speicherkapazität zur Verfügung haben, kann ein Bild im JPEG2000 Standard optional in Unterabschnitte (sogenannte Tiles, engl.: Kacheln) unterteilt werden. Die Tiles sind aneinandergrenzende Rechtecke, die sich nicht überlappen und von gleicher Größe sind (Ausnahme: Tiles am Rand eines Bildes).Jedes Tile wird bei der anschließenden Kodierung unabhängig kodiert, quasi als eigenes Bild betrachtet. Erst der Decoder setzt aus den Tiles das Bild in Originalgröße wieder zusammen. Es ist natürlich auch möglich, das gesamte Bild als ein einziges Tile zu verarbeiten.
Level Offset
JPEG2000 benötigt am Eingang Signalwerte, deren dynamischer Bereich sich um den Nullpunkt zentriert. Gründe dafür sind unter anderem die von JPEG2000 verwendeten Hochpassfilterstufen (Wavelettransformation), die arithmetische Kodierung etc.. Ein Bildsignal besteht nun aber aus Werten größer gleich Null. Um sie JPEG2000 freundlich zu machen, muss man sie daher einem Level Offset unterziehen. Dabei wird der mittlere Wert des Wertebereiches als Null, die anderen Werte durch ihren Differenzbetrag dazu und mit entsprechenden Vorzeichen kodiert.
Aufteilung in Komponenten
Im JPEG2000 Standard kann ein Bild aus einer hohen Zahl von Komponenten bestehen. Jede Komponente besteht aus einer Matrix von Werten, jeder Wert repräsentiert einen Pixelpunkt des Bildes. Die Werte können mit oder ohne Vorzeichen sein, und eine Größe von 1 bis 32 Bit/Abtastwert haben. Im einfachsten und häufigsten Fall handelt es sich bei diesen Werten um die Farbkomponenten Rot, Grün und Blau (siehe Lerneiheit der JPEG 2000 Standard). Wie im JPEG Standard gilt auch hier, dass zur Datenkompression eine bestimmte Farbe durch ihren Grauwert und zwei Farbkomponenten (Chrominanzwerte) besser repräsentiert wird als durch seine RGB Komponenten. Gründe dafür sind
- Möglichkeit der Unterabtastung der Chrominanzwerte
- YUV 304 Werte korrelieren untereinander weniger als die RGB Werte. So erreicht man auch ohne Unterabtastung der Farbwerte mit YUV bessere Kompressionsergebnisse
Im JPEG2000 Standard sind nun zwei Farbraumtransformationen definiert, mit deren Hilfe man von der RGB zur YUV Darstellung gelangt.
Irreversible Farbtransformation (ICT)
Sie ist ident mit der im JPEG verwendeten Farbraumtransformation (siehe Lerneinheit JPEG Bildvorbereitung). Ein Problem dieser Transformation ergibt sich dadurch, dass sich für die Grau- und Chrominanzwerte Beträge mit beliebig vielen Nachkommastellen ergeben. Durch Rundungsfehler gehen hier gezwungener Maßen immer Informationen verloren. Die RGB Werte können daher aus den YUV 304 Werten nicht mehr verlustfrei rekonstruiert werden.
Reversible Farbtransformation (RCT)
Mit JPEG2000 muss auch eine absolut verlustfreie Kompression möglich sein. Dafür wurde eigens eine neue Farbraumtransformation eingeführt. Sie ist so beschaffen, dass sowohl die RGB Werte wie auch die Helligkeits- und Chrominanzwerte immer nur ganzzahlige Beträge annehmen können. Hier kann zwischen RGB- und YUV Farbraum hin- und hergewechselt werden, ohne dass Informationen verloren gehen. Die RCT 514 muss bei der verlustfreien Kodierung verwendet werden, kann aber auch zur verlustbehafteten Kompression herangezogen werden.
Diskrete Wavelettransformation gray2001 marc2000 rabb2002
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Die zwei Arten der diskreten Wavelettranformation für JPEG2000
- Gleitkomma Transformation (floating point)
- verlustbehaftet durch Rundungsfehler
- äußerst effekitiv für nachfolgende Kompressionsalgorihmen
- Integer Wavelettransformation
- verlustfrei, da integer auf Integer abgebildet werden
- weniger effektiv für nachfolgende Kompressionsalgorihmen
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Die zwei Arten der diskreten Wavelettranformation für JPEG2000
Für die Wavelettranformation kann zwischen zwei Arten von DWT Algorithmen gewählt werden, zwischen der Gleitkomma – und der Integertransformation. Für die verlustlose Kodierung kann ausschließlich die Integer WT verwendet werden, für die verlustbehaftete kann User zwischen den beiden frei wählen. Für beide Transformationen gilt, dass im Originalbereich die Werte (Helligkeitswerte der Pixel) immer ganze Zahlen (Integer) sind.
- Gleitkomma Transformation (floating point) – Durch die DWT Algorithmen werden für die Waveletkoeffizienten im allgemeinen Zahlen mit beliebig langen Nachkommastellen erzeugt. Bei einer Rücktransformation kommt es auf Grund von Rundungsfehlern zu Informationsverlusten. Diese Transformation ist auf maximale Kompression ausgelegt.
- Integer Wavelettransformation – Diese spezielle Form der DWT erzeugt im transformierten Bereich nur Werte ohne Nachkommastellen. Es kommt daher bei der inversen Transformation zu keinen Rundungsfehler, Die Integer DWT arbeitet absolut verlustfrei. Allerdings hat sie gegenüber der Gleitkomma DWT den Nachteil, dass die nachfolgenden Komprimierungsalgorithmen nur mehr verminderte Kompressionsraten liefern können.
Totzonen Quantisierer gray2001
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auto
![<math> <semantics> <mrow> <mi>q</mi><mo>=</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mo stretchy='false'>(</mo><mi>y</mi><mo stretchy='false'>)</mo><mrow><mo>[</mo> <mrow> <mfrac> <mrow> <mrow><mo>|</mo> <mi>y</mi> <mo>|</mo></mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>Δ</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> <mo>]</mo></mrow> </mrow> <annotation encoding='MathType-MTEF'> </annotation> </semantics> </math>](images/23_01.gif)
Prinzip des Totzonenquantisierers PC
Prinzip des Totzonenquantisierers PDA_Phone
Totzonen Quantisierer PC
Totzonen Quantisierer PC
Quantisierung für verlustfreie Kodierung
- Auch bei verlustloser Kodierung Quantisierung
- Quantisierungsintervall ist eine (entspricht keine Änderung der Werte)
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auto
Auch bei der Quantisierung beschreitet JPEG2000 eigene Wege. Es kommt ein sogenannter Totzonenquantisierer zum Einsatz. Für jedes Subband werden die Werte mit einem gegebenen Quantisierungsintervall quantisiert:
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Quantisierungsindex |
 |
Wert am Eingang des Quantisierers |
 |
Quantisierungsintervall |
 |
Vorzeichen des Eingangswertes |
Es gilt dabei: Ein großes Quantisierungsintervall entspricht einer groben Quantisierung (was eine hohe Datenkompression mit sich bringt) ein kleines Quantisierungintervall hingegen einer sehr genauen Repräsentation der Koeffizienten.
Prinzip des Totzonenquantisierers
Bei der Totzonenquantisierung wird der Umstand ausgenutzt, dass die Werte durch den Level Offset um einen Nullpunkt (entspricht für die Y Werte einem mittleren Grau) zentriert sind.
Prinzip des Totzonenquantisierers PC
Bei der Totzonenquantisierung wird der Umstand ausgenutzt, dass die Werte durch den Level Offset um einen Nullpunkt (entspricht für die Y Werte einem mittleren Grau) zentriert sind.
Die Bezeichnung „Totzone“ bezieht sich auf den Bereich um den Nullpunkt. Alle Werte in diesem Bereich werden durch die Quantisierung null. Da sich dieser über zwei Quantisierungsintervalle erstreckt (für plus und minus Werte), setzt er doppelt so viel Koeffizienten auf Null, was gut für die Kompression ist.
Prinzip des Totzonenquantisierers PDA_Phone
Bei der Totzonenquantisierung wird der Umstand ausgenutzt, dass die Werte durch den Level Offset um einen Nullpunkt (entspricht für die Y Werte einem mittleren Grau) zentriert sind.
Die Bezeichnung „Totzone“ bezieht sich auf den Bereich um den Nullpunkt. Alle Werte in diesem Bereich werden durch die Quantisierung null. Da sich dieser über zwei Quantisierungsintervalle erstreckt (für plus und minus Werte), setzt er doppelt so viel Koeffizienten auf Null, was gut für die Kompression ist.
Totzonen Quantisierer PC
Das Quantisierungsintervall sei mit 10 festgelegt. Welchen Wert erhält der Wert -21,82 nach seiner Quantisierung?
Totzonen Quantisierer PDA_Phone
Das Quantisierungsintervall sei mit 10 festgelegt. Welchen Wert erhält der Wert -21,82 nach seiner Quantisierung?
Quantisierung für verlustfreie Kodierung
Auch bei der verlustfreien Komprimierung durchlaufen die Koeffizienten den Totzonenquantisierer. Es wird dabei das Quantisierungsintervall auf eins gesetzt. So findet keine wirkliche Quantisierung (und somit auch keine Verluste) statt.
Blockkodierung marc2000 rabb2002
1
Embedded Coding
Motivation zur Blockkodierung
- Beliebiger Zugriff auf eine bestimmte Stelle des Bildes
- Rotation und Zuschneiden des Bildes möglich
- Fehlerrobustheit
- Fehler örtlich begrenzt
- Effektive Regelung der Datenrate
Blöcke im JPEG2000 Datenstrom PC
Blöcke im JPEG2000 Datenstrom PDA_Phone
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Embedded Coding
Zur Kodierung wird jedes Subband in kleine, rechteckige und sich nicht überlappende Blöcke, den so genannten Codeblöcken, unterteilt. Die Größe dieser Blöcke können dabei frei gewählt werden, wobei ein Block maximal 4096 Werte umfassen darf. Bei der folgenden Entropiekodierung wird jeder dieser Blöcke unabhängig von den anderen kodiert. Die Kodierungsschritte sind dabei so angelegt, dass eine möglichst genaue Auftrennung der Information erzeugt wird(embedded Coding).
Motivation zur Blockkodierung
- Beim Editieren ist ein beliebiger Zugriff auf eine bestimmte Stelle des Bildes gewährleistet
- Funktionen wie Rotation und Zuschneiden des Bildes werden dadurch erleichtert
- Die Stabilität gegenüber Signalstörungen wird erhöht, da sich Fehler nur örtlich begrenzt auswirken können
- Blockkodierung erlaubt eine effektive Regelung der Datenrate
Blöcke im JPEG2000 Datenstrom PC
In diesem Beispiel bezeichnet jede Zahl einen Codeblock. Die Zahlen beschreiben, in welcher Reihenfolge die Codeblöcke für den Datenstrom kodiert werden. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass alle Informationen, die nötig sind, um eine bestimmte Bildstelle in einer gewünschten Auflösungsstufe darzustellen, auch im Datenstrom an der gleichen Stelle zu finden sind.
Blöcke im JPEG2000 Datenstrom PDA_Phone
In diesem Beispiel bezeichnet jede Zahl einen Codeblock. Die Zahlen beschreiben, in welcher Reihenfolge die Codeblöcke für den Datenstrom kodiert werden. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass alle Informationen, die nötig sind, um eine bestimmte Bildstelle in einer gewünschten Auflösungsstufe darzustellen, auch im Datenstrom an der gleichen Stelle zu finden sind.
Entropiekodierung
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auto
- JPEG2000 nutzt ausschließlich arithmetische Kodierung
- Arithmetsche Kodierung effektiver als Huffmankodierung
- Der gesamten Nachricht wird eine Gleitkommazahl zugeordnet
Kontextbasierte binäre arithmetische Kodierung rabb2002
- Binär
- es werden nur 0 und 1 kodiert
- Kontextbasiert
- auch Nachbarpunkte mit einbezogen
Bitebenen
- Bits gleicher Wertigkeit in entsprechender Ebene kodiert
- Bits höchster Wertigkeit
- MSB MostSignificant Bit
- Bits geringster Wertigkeit
- LSB Least significant Bit
LSB und MSB all
Bitebenen PC
Bitebenen PDA_Phone
!
Darstellung eines Wavletkoeffizienten in mehrere Bitebenen PC
Darstellung eines Wavletkoeffizienten in mehrere Bitebenen PDA_Phone
Vorteil der Bitebenen Kodierung
- Erfüllt Forderung des Embedded Coding
- Jede Ebene Qualitätslevel
- Ermöglicht Steuerung der Dateigröße
2
auto
Für die Entropiekodierung wird bei JPEG2000 ausschließlich die arithmetische Kodierung verwendet. Diese nutzt gleich der Huffmankodierung die Auftrittswahrscheinlichkeit von Zeichen in einer Nachricht zu dessen Kompression. Die Huffmankodierung kann aus Prinzip nicht optimal arbeiten, da die Auftrittswahrscheinlichkeit eines bestimmten Zeichens gewöhnlich eine beliebig reele Zahl ist, die Anzahl der Bitstellen für ein Zeichen allerdings nur ganzzahlig sein kann. Die arithmetische Kodierung beseitigt diesen Nachteil. Es werden dabei nicht die Zeichen einzeln kodiert, sondern es wird eine ganze Nachricht durch eine einzige Gleitkommazahl, welche durch eine sequentielle Intervallschachtelung ermittelt wird, aus dem Intervall[0,1] repräsentiert.
Kontextbasierte binäre arithmetische Kodierung rabb2002
JPEG2000 verwendet eine kontextbasierte binäre arithmetische Kodierung.
- Binär - durch die Bitebenenkodierung sind nur die Zeichen Eins und Null zu kodieren
- Kontextbasiert – Es werden bei der Berechnung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Werte eines Waveletkoeffizienten auch dessen Nachbarkoeffizienten mit einbezogen
Bitebenen
Anders wie bei JPEG wird bei JPEG2000 nicht jeder Koeffizient für sich kodiert, sondern es werden die Bits gleicher Wertigkeit eines Codeblockes zusammengefasst und in einer entsprechenden Bitebene kodiert. Die Bits höchster Wertigkeit werden als MSB (most significant bit) bezeichnet und werden in der MSB 515 -Ebene kodiert, die Bit geringster Wertigkeit als LSB (least significant Bit) und in der LSB 516-Ebene kodiert.
LSB und MSB
Man betrachte den 4 stelligen binären Wert 1011
Bitebenen PC
Es seien 3 binäre Werte mit 5 Bitstellen gegeben
Die MSB-Ebene umfasst jene Bitstellen, auf welcher mindestens einer der Werte eine 1 aufweist. In diesem Beispiel sind an der höchsten Bitstelle alle Werte null. Die MSB 515 Ebene fasst daher erst die Bits von der 4-ten Stelle zusammen.
Darstellung eines Wavletkoeffizienten in mehrere Bitebenen PC
Die Abbildung zeigt die Darstellung eines Waveletkoeffizienten in den verschiedenen Bitebenen.
Darstellung eines Wavletkoeffizienten in mehrere Bitebenen PDA_Phone
Die Abbildung zeigt die Darstellung eines Waveletkoeffizienten in den verschiedenen Bitebenen.
Vorteil der Bitebenen Kodierung
Die Bitebenen Kodierung erfüllt die Anforderungen für ein embedded Coding. Jede Bitebene repräsentiert einen Qualitätslevel. Die oberste Ebene zeigt eine reine schwarz/weiße Repräsentation. Die weiteren Ebenen liefern sukzessive die Werte um die genauen Waveletwerte zu erhalten. Durch die Bitebenen Kodierung kann zum Beispiel auf einfache Weise eine gewünschte Datenrate eingestellt werden. Es werden dabei nur so viele Bitebenen kodiert, die die gewünschte Dateigröße zulässt.
Kodierung der Bitebenen
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Abtastung PC
Abtastung PDA_Phone
Drei Pass Methode
- Signifikanz-Pass
- Betragsverfeinerungs-Pass
- Aufräumpass
Vorteil der Drei-Pass Methode
- Reihenfolge der Passes
- so angelegt, dass mit wenigen Bits großerTeil der Bildinformation kodiert wird
- relativ viele Bits für beste Qualität
- optimale Steuerung der Datenrate
Diagramm Verzerrung/Datenrate PC
Diagramm Verzerrung/Datenrate PDA_Phone
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Abtastung rabb2002
Die Bitebenen werden getrennt von einander kodiert. Die Abbildung zeigt die vom JPEG2000 Standard vorgegebene Reihenfolge der Abtastung der Werte. Diese Art der Abtastung wurde gewählt, um eine einfache Implementierung von JPEG2000 in Hinsicht auf Hard- und Software zu ermöglichen.
Abbildung: Abtastung PC
Die Abbildung zeigt die Reihenfolge, in welcher die Werte einer Bitebene innerhalb eines Kodeblockes kodiert werden. Oben beginnend, werden die ersten vier vertikalen Werte eingelesen, dann auf die nächste Spalte gesprungen, etc
Abbildung: Abtastung PDA_Phone
Die Abbildung zeigt die Reihenfolge, in welcher die Werte einer Bitebene innerhalb eines Kodeblockes kodiert werden. Oben beginnend, werden die ersten vier vertikalen Werte eingelesen, dann auf die nächste Spalte gesprungen, etc
Drei Pass Methode rabb2002 gruen2004
Mit der MSB-Ebene beginnend, werden die Werte jeder Ebene einer dreistufigen Kompressionsprozedur unterzogen. In welcher Stufe welcher Wert kodiert wird, entscheidet das Kriterium der Signifikanz.
Signifikanz eines Wertes
Ein Stelle in einer Bitebene wird als signifikant bezeichnet, wenn in betrachteter Ebene oder in einer höherwertigen Ebene an dieser Stelle eine Eins steht.
- Signifikanz-Pass
- Es werden die Bits jener Stellen kodiert, die zwar in dieser Ebene noch einen insignifikanten Status besitzen, aber die Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, dass sie signifikant werden (dies ist dann gegeben, wenn mindestens einer der acht Nachbarpunkte bereits signifikant ist)
- Betragsverfeinerungs-Pass
- Hier werden die Bits in der entsprechenden Bitebene von bereits signifikanten Koeffizienten kodiert
- Aufräumpass
- hier werden alle verbleibenden Bits kodiert. Sie gehören zu jenen Waveletkoeffizienten, die in dieser Ebene noch nicht signifikant sind und auch die Wahrscheinlichkeit äußerst gering ist, dass sie es in der folgenden Bitebene werden
Vorteil der Drei-Pass Methode rabb2002 gruen2004
Die Drei-Pass Methode stellt eine weitere Aufgliederung der Werte dar. Die Werte sind derart kodiert, dass im ersten Schritt der Hauptanteil der Information in minimaler Dateiengröße kodiert ist.
- So ist die Reihenfolge der Passes so angelegt, dass zum Beispiel bei einer Übertragung eines Bildes die im ersten Schritt enthaltenen Werte ein Bild aufbauen, das maximale Vorschauqualität bei minimaler Datenrate liefert. Die Werte aus den zwei folgenden Schritten liefern die restlichen Informationen.
- optimale Steuerung der Datenrate
Diagramm Verzerrung/Datenrate PC
Die x-Achse repräsentiert den Qualitätslevel, wobei eine hohe Qualität geringen Datenfehlern entspricht (hier als Verzerrung bezeichnet), die y-Achse repräsentiert die Datenrate. Man sieht, dass bei richtiger Reihenfolge der Schritte (ABC) eine viel bessere Vorschauqualität gegeben ist, als wenn man die Reihenfolge umkehrte (CBA).
Diagramm Verzerrung/Datenrate PDA_Phone
!
Die x-Achse repräsentiert den Qualitätslevel, wobei eine hohe Qualität geringen Datenfehlern entspricht (hier als Verzerrung bezeichnet), die y-Achse repräsentiert die Datenrate. Man sieht, dass bei richtiger Reihenfolge der Schritte (ABC) eine viel bessere Vorschauqualität gegeben ist, als wenn man die Reihenfolge umkehrte (CBA).
Steuerung der Datenrate gray2001
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- JPEG2000 Datenstrom besteht für jede Bildstelle aus "Qualitätstranchen"
- Datenrate bestimmte welche Tranchen entfernt werden müssen
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Beim Prozess der Datenratesteuerung muss der durch die Kompression entstandene Datenstrom so modifiziert werden, dass die gewünschte Zieldatenrate erreicht wird. Da der JPEG2000 Datenstrom so aufgebaut ist, dass für jeden Block die Informationen in qualitätsabhängigen Tranchen (Bitebenen, Drei Pass kodierung) vorliegen, muss ein Algorithmus nur bestimmen, welche Tranchen aus den Datenstrom entfernt werden müssen, um die gewünschte Datenrate zu erzielen.
Zusammenfassung JPEG2000 Kodierungstechnik
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auto
- Motivation JPEG2000
- Alle Features mit einer einzigen Encoder Architektur realisierbar
- gleicher Datenstrom für verlustlose und verlustbehaftete Kompression
- ICT 513 und RCT 514 (siehe pre-processing)
- Gleitkomma und Integer Wavelettranformation (siehe diskrete Wavelettranformation)
- Embedded Coding
- beliebige Bildstelle im Datenstrom eindeutig lokalisierbar
- Bitebenen
- Bits gleicher Wertigkeit in einer Ebene kodiert
- Jede Ebene in drei separate Datenstromabschnitte kodiert (Drei Pass Methode)
- Vorteil
- Jede Bildstelle in "Qualitätstranchen" kodiert
- einfache Datenratesteuerung
- einfacher Zugriff auf Datenstrom
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auto
Die Motivation für die JPEG2000 Kodierungnstechnik liegt neben optimierten Komprimierungsverhalten vor allem in der Vereinheitlichung der Encoder Architektur. Es sollen mit ein und demselben Aufbau alle Features geboten werden können, die der JPEG2000 Standard bietet, so auch das Feature der verlustfreien Bildkomprimierung, für die eigens die RreversibleFarbtransformation und die Integer Wavelettransformation eingeführt worden ist (siehe pre-processing, diskrete Wavelettranformation). Weiters soll jede Bildstelle im Datenstrom eindeutig lokalisierbar sein. Dies wird erreicht durch das so genannte embedded Coding (siehe Blockkodierung). So kann auf beliebige Bildstellen zugegriffen werden. Die Informationen für eine Bildstelle sind durch Bitebenen und drei Pass Methode in "Qualitätstranchen" aufgesplittert (siehe Blockkodierung). Je nach Anwendung kann die nötige Information gelesen werden. Die Methode des embedded Coding erlaubt unteranderem eine einfache Datenratesteuerung.