Bilddatenkompression: Grundlagen, Codierung, Wavelets, JPEG, MPEG, H.264, HEVC : mit 212 Abbildungen und 80 Tabellen
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Wiesbaden
Springer Vieweg
[2017]
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Titel: Bilddatenkompression
Autor: Strutz, Tilo
Jahr: 2017
Inhaltsverzeichnis IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
2 Grundlagen der Datenkompression 5
2.1 Informationsgehalt und Entropie. 5
2.2 Kriterien zur Kompressionsbewertung. 10
2.2.1 Kompressionsverhältnis. 10
2.2.2 Signalqualität. 10
2.2.3 Rate-Distortion-Funktion. 13
2.2.4 Merkmale eines Kompressionsalgorithmus. 14
2.3 Redundanz und Irrelevanz. 15
2.3.1 Redundanz. 15
2.3.2 Irrelevanz. 16
2.4 Testfragen. 17
3 Datenreduktion 18
3.1 Allgemeines. 18
3.2 Modifikation der Abtastrate. 19
3.2.1 Unterabtastung. 19
3.2.2 Überabtastung. 20
3.3 Quantisierung. 22
3.3.1 Skalare Quantisierung. 22
3.3.2 Vektorquantisierung. 27
3.4 Praktische Anwendung. 30
3.5 Testfragen. 31
4 Entropiecodierung 32
4.1 Codierungstheorie . 33
4.2 Morse-Code. 34
4.3 Shannon-Fano-Codierung. 35
4.4 Huffman-Codierung. 37
4.5 Golomb- und Rice-Codes. 39
4.5.1 Golomb-Codes. 39
4.5.2 Rice-Codes. 41
4.5.3 Exponentielle Golomb-Codes. 43
4.6 Decodieren von Präfixcodes. 43
Inhaltsverzeichnis
4.7 Arithmetische Codierung . 47
4.7.1 Festkomma-Implementierung. 49
4.7.2 Beschleunigte Implementierung. 56
4.7.3 Binäre arithmetische Codierung. 59
4.8 Codierungsadaptation. 61
4.8.1 Semi-adaptive Anpassung von Präfixcodes. 61
4.8.2 Kontextbasierte Codierung. 61
4.8.3 Anpassung durch Sortieren. 63
4.8.4 Voll-adaptive Anpassung von Präfixcodes. 64
4.8.5 Adaptation der arithmetischen Codierung. 65
4.9 Codierung von sehr großen Symbolalphabeten. 65
4.10 Testfragen. 68
5 Präcodierung 70
5.1 Informationstheoretische Grundlagen. 70
5.1.1 Markow-Modell. 71
5.1.2 Bedingte Entropie. 74
5.1.3 Verbundwahrscheinlichkeit. 75
5.1.4 Verbundentropie. 76
5.1.5 Praktische Implikationen . 78
5.2 Lauflängencodierung. 80
5.2.1 Allgemeine Codierung mehrwertiger Signale. 80
5.2.2 Signale mit einem speziellen Symbol. 82
5.3 Phrasen-Codierung. 83
5.3.1 Der LZ77-Algorithmus. 84
5.3.2 Der LZ78-Algorithmus. 84
5.3.3 Der LZW-Algorithmus. 86
5.4 Blocksortierung. 89
5.4.1 Vollständiges Sortieren. 90
5.4.2 Sortieren mit begrenzter Sortierungstiefe. 92
5.5 Bit-Markierung. 94
5.6 Viererbäume . 95
5.7 Maximalwert-Codierung. 96
5.8 Minimalwert-Bäume. 97
5.9 Testfragen. 99
6 Techniken zur Dekorrelation 102
6.1 Was ist Korrelation?. 102
6.2 Prädiktion von Signalwerten. 107
6.2.1 Einfache lineare Prädiktion. 108
Inhaltsverzeichnis_XI
6.2.2 Lineare Prädiktion höherer Ordnung. 110
6.2.3 Prädiktion mit Quantisierung. 112
6.2.4 2D-Prädiktion . 112
6.2.5 Nichtlineare Prädiktion. 115
6.2.6 Der Wertebereich von Prädiktionsfehlern . 118
6.2.7 Anmerkungen. 119
6.3 Transformationen.120
6.3.1 Diskrete Transformationen . 120
6.3.2 Orthogonale Transformation . 122
6.3.3 Biorthogonale Transformation. 124
6.3.4 Diskrete Fourier-Transformation (DFT). 124
6.3.5 Karhunen-Loève-Transformation (KLT). 125
6.3.6 Diskrete Kosinus-Transformation (DCT). 125
6.3.7 Diskrete Sinus-Transformation (DST). 126
6.3.8 Diskrete Walsh-Hadamard-Transformation (WHT). 127
6.3.9 Diskrete Wavelet-Transformation (DWT). 128
6.3.10 Fraktale Transformation. 135
6.4 Filterbänke. 140
6.4.1 Zwei-Kanal-Filterbänke.-141
6.4.2 Oktavfilterbänke. 151
6.4.3 2D-Filterung. 156
6.4.4 Beste Basen - Wavelet-Pakete. 158
6.4.5 Implementierung von Filterbänken. 159
6.4.6 Das Lifting-Schema . 163
6.5 Kompressionssysteme . 170
6.6 Testfragen. 171
7 Wahrnehmung und Farbe 174
7.1 Visuelle Wahrnehmung. 174
7.1.1 Netzhaut und Sehnerven. 174
7.1.2 Die Lichtempfindung. 176
7.2 Farbsysteme. 178
7.2.1 Was ist Farbe?. 178
7.2.2 CIE-Normfarbtafel. 179
7.2.3 Der RGB-Farbraum. 180
7.2.4 Der CMY-Farbraum. 182
7.2.5 Der HLS-Farbraum. 182
7.2.6 Yxx-Farbräume. 183
7.2.7 Farbpaletten. 191
7.3 Testfragen. 193
XII_Inhaltsverzeichnis
8 Standards zur Einzelbildkompression (JPEG) 194
8.1 Historie. 194
8.2 JPEG. 196
8.2.1 DCT-basierte Kompression. 196
8.2.2 Die Arbeitsmethoden . 203
8.2.3 JPEG-Syntax und Organisation der Daten . 210
8.2.4 Kompressionsergebnisse. 219
8.3 JPEG-LS - Verlustlose Kompression. 226
8.3.1 Der Kompressionsalgorithmus. 226
8.3.2 Encodierungsprozeduren. 227
8.3.3 Das Datenformat. 233
8.3.4 Resultate der verlustlosen Kompression. 236
8.4 JPEG 2000 - Waveletbasierte Kompression. 240
8.4.1 Das Kompressionsverfahren. 241
8.4.2 Die Datenstruktur. 249
8.4.3 Dateiformat-Syntax (JP2). 258
8.4.4 Erweiterungen im Part 2. 258
8.4.5 Kompressionsergebnisse im Vergleich. 259
8.5 Testfragen. 261
9 Grundlegende Verfahren zur Bildsequenzkompression 263
9.1 Struktur eines Video-Codecs. 263
9.2 Bewegungsschätzung und -kompensation. 265
9.2.1 Bewegungsarten und Schätzverfahren . 265
9.2.2 Block-Matching. 266
9.2.3 Warping. 274
9.3 Kompression von zeitlich vorausgesagten Bildblöcken. 274
9.4 Testfragen. 275
10 Standards zur Bildsequenzkompression 276
10.1 Einführung. 276
10.2 Bildformate. 279
10.3 MPEG-Systemschicht . 281
10.4 Kompressionsverfahren (MPEG-1/2). 282
10.4.1 Struktur von Video-Elementarströmen. 282
10.4.2 Verarbeitung von I-Bildern. 284
10.4.3 Verarbeitung von P- und B-Bildern. 286
10.4.4 Bewegungskompensation. 287
10.4.5 Bitratensteuerung. 287
10.4.6 Besonderheiten von MPEG-2. 287
Inhaltsverzeichnis_XIII
10.5 H.263 und MPEG-4. 290
10.5.1 H.263. 290
10.5.2 MPEG-4 . 291
10.6 H.264. 297
10.6.1 Grundkonzept . 297
10.6.2 Dekorrelation. 299
10.6.3 Quantisierung. 307
10.6.4 Codierung. 309
10.6.5 Filter zur Unterdrückung von Blockartefakten. 310
10.6.6 Profile und Levels . 312
10.6.7 Erweiterungen. 313
10.7 High Efficiency Video Coding (H.265) . 314
10.7.1 Motivation. 314
10.7.2 Bildstruktur. 314
10.7.3 Dekorrelation. 317
10.7.4 In-Loop-Filter . 328
10.7.5 Codierung. 332
10.7.6 Werkzeuge zur parallelen Verarbeitung. 334
10.7.7 Erweiterungen. 335
10.8 Testfragen. 345
A Testbilder 347
B Ableitung der DCT (Type II) aus der DFT 351
C Ableitung einer DST aus der DFT 354
D JPEG Decodier-Beispiel 357
E JPEG 2000 Codier-Beispiel 378
F Quelltexte 381
G Lösungen zu ausgewählten Aufgaben 390
Formelzeichen und Abkürzungen 393
Literatur 398
Sachwortverzeichnis 414 |
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