Datenkompression/Verlustbehaft
Datenkompression/Verlustbehaft - Irrelevanzreduktion
Beschreibung
Bei der verlustbehafteten Kompression werden irrelevante Informationen entfernt, man spricht auch von Irrelevanzreduktion
- Dabei geht ein Teil der Information aus den Originaldaten verloren, sodass aus den komprimierten Daten nicht mehr das Original rekonstruiert werden kann
Es wird ein Modell benötigt, das entscheidet, welcher Anteil der Information für den Empfänger entbehrlich ist
- Verlustbehaftete Kompression findet meist in der Bild-, Video- und Audio-Übertragung Anwendung
- Als Modell wird dort die menschliche Wahrnehmung zugrunde gelegt
- Ein populäres Beispiel ist das Audio-Format MP3, das Frequenzmuster entfernt, die der Mensch schlecht oder gar nicht hört
Die theoretische Grundlage bildet die Rate-Distortion-Theorie
- Sie beschreibt, welche Datenübertragungsrate mindestens nötig ist, um Informationen mit einer bestimmten Güte zu übertragen
Bilder, Videos und Tonaufnahmen
Ton, Bild und Film sind Einsatzgebiete verlustbehafteter Kompression
- Anders wären die oftmals enormen Datenmengen sehr schwer zu handhaben
- Bereits die Aufnahmegeräte begrenzen das Datenvolumen
- Die Reduktion der gespeicherten Daten orientiert sich an den physiologischen Wahrnehmungseigenschaften des Menschen
- Die Kompression durch Algorithmen bedient sich dabei typischerweise der Wandlung von Signalverläufen von Abtastsignalen in eine Frequenzdarstellung
In der akustischen Wahrnehmung des Menschen werden Frequenzen oberhalb von ca. 20 kHz nicht mehr wahrgenommen und können bereits im Aufnahmesystem beschnitten werden
- Ebenso werden existierende, leise Nebentöne in einem Klanggemisch nur schwer wahrgenommen, wenn zur exakt gleichen Zeit sehr laute Töne auftreten, so dass die unhörbaren Frequenzanteile vom Daten-Kompressions-System entfernt werden können (siehe Psychoakustik), ohne dass dies als störend vom Hörer wahrgenommen würde
- Der Mensch kann bei einer Reduktion digitalisierter, akustischer Ereignisse (Musik, Sprache, Geräusche) auf Werte um etwa 192 kbit/s (wie bei vielen Internet-Downloads) kaum oder gar keine Qualitätsunterschiede zum unkomprimierten Ausgangsmaterial (so bei einer CD) feststellen
In der optischen Wahrnehmung des Menschen werden Farben weniger stark aufgelöst als Helligkeitsänderungen, daraus leitet sich die schon beim analogen Farbfernsehen bekannte YUV-422 Reduzierung ab
- Kanten sind dagegen bedeutsamer, und es existiert eine biologische Kontrastanhebung (Machsche Streifen)
- Mit moderater Tiefpassfilterung zur Farbreduktion, zum Beispiel durch den auf DCT-Transformation basierenden JPEG-Algorithmus oder den neueren auf Wavelet-Transformation basierenden JPEG2000-Algorithmus, lässt sich die Datenmenge meist auf 10 % oder weniger der ursprünglichen Datenmenge reduzieren, ohne deutliche Qualitätsverringerungen
Bewegtbilder (Filme) bestehen aus aufeinanderfolgenden Einzelbildern
- Erster Ansatz war, jedes Bild einzeln gemäß JPeg-Algorithmus zu komprimieren
- Das resultierende Format ist Motion JPEG (entspricht MPEG-1, wenn dieses nur I-Frames enthält)
- Die heutzutage sehr viel höheren Kompressionsraten sind nur erreichbar, wenn man bei der Kodierung die Ähnlichkeit von benachbarten Bildern (englisch Frames) berücksichtigt
- Dazu wird das Bild in kleinere Kästchen (typische Größen liegen zwischen 4×4 und 16×16 Pixel) zerlegt und es werden ähnliche Kästchen in schon übertragenen Bildern gesucht und als Vorlage verwendet
- Die Einsparung ergibt sich daraus, dass statt des gesamten Bildinhalts nur noch die Unterschiede der an sich ähnlichen Kästchen übertragen werden müssen
- Zusätzlich wird aus den Änderungen vom vorherigen zum aktuellen Bild gefolgert, in welche Richtung sich Bildinhalte wie weit verschoben haben; für den entsprechenden Bereich wird dann nur ein Verschiebungsvektor gespeichert
Kompressionsartefakte
Als Kompressionsartefakte bezeichnet man Signalstörungen, die durch die verlustbehaftete Kompression verursacht werden