JPEG-2000

JPEG 2000 ist ein Standard (ISO 15444) zur Bildkomprimierung, der auf der diskreten Wavelet-Transformation (DWT) beruht. Wie das bekannte JPEG ist er von der Joint Photographic Experts Group herausgegeben. JPEG 2000 beherrscht sowohl verlustfreie als auch verlustbehaftete Komprimierung. Mit dem Standard lassen sich sehr gute Komprimierungsraten für verlustbehaftet zu speichernde, fotoähnliche Bilder erreichen. Das Format kann eine Reihe von Metadaten aufnehmen, die das Verwalten und Auffinden von Bildern im Internet erleichtern.

Vorteile gegenüber JPEG

Das Format JPEG 2000 bietet gegenüber JPEG einige Vorteile:

• Bessere Komprimierungsrate bei gegebener Qualität (Qualität etwa definiert durch objektive Metriken oder subjektive Tests)
• Möglichkeit, bestimmten Bildregionen von Interesse in höherer Qualität zu komprimieren und zu dekomprimieren (ROI = Region of Interest)
• Weitaus flexibler als JPEG - diverse Progressionsmodi, Bilder können nach diversen objektiven Qualitätsfunktionen optimiert werden.
• Raum für Metadaten
• Vorgeschriebener inkrementeller, d. h. schrittweiser Bildaufbau (in JPEG optional). Dadurch ist die Darstellung in geringerer Qualität durch einfaches Verwenden nur eines Teils der Originaldatei ohne Neuberechnungen möglich.
• JPEG 2000 unterstützt Transparenz (Alpha-Kanäle).

Nachteile gegenüber JPEG

• Erheblich höherer Rechenaufwand (problematisch für Digitalkameras)
• Erhebliche Abhängigkeit der Qualität von der Implementierung

Stufen der Kompression

• Aufteilung des Bildes in Teilbilder
• Transformation des Farbraumes (wenn Farbbild)
• Diskrete Wavelet-Transformation der Teilbilder
• Quantisierung
• A-Posteriori (Post-Compression) Ratenallozierung
• Entropiekodierung

Im Falle der verlustbehafteten Komprimierung wird die biorthogonale Daubechies-9/7-Wavelettransformation verwendet. Die verlustlose Kompression verwendet die biorthogonale LeGall-5/3-Wavelettransformation.

Die Dekomprimierung erfolgt entsprechend in umgekehrter Reihenfolge ohne Ratenallozierung.

Verbreitungsgrad und Unterstützung

Das Format ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht weit verbreitet, wird aber gerne in der Medizintechnik und auch bei Digitalkino (DCI, "Digital Cinema Initiative") eingesetzt. Der Hauptgrund dafür ist wohl, dass durch Lizenzansprüche nur unzureichend freie Kodiersoftware verfügbar ist. Auch die quasi nicht vorhandenen bzw. wesentlich teureren Hardware-Lösungen (wie z. B. Decoder-Chips in Digitalkameras) behindern die Verbreitung.

Es gibt teilweise qualitative Unterschiede bei den verschiedenen Encodern, die sich vor allem bei höheren Kompressionsraten bemerkbar machen.

Die einfachste, kostenlose Möglichkeit dürfte derzeit ImageMagick, GraphicsMagick oder ExactImage bieten, die auf der JasPer-Library beruhen. Unterstützt wird allerdings nur einfache Komprimierung.

Das Programm XnView (Version 1.96) in der Windows-Version unterstützt das Speichern ohne Größeneinschränkung.

Für Photoshop gibt es seit Version CS ein optionales Plugin von Adobe (zu finden auf der CD-ROM), ein kostenloses Plugin von fnord software, ein kostenloses Plugin mit umfassenden Softwarebibliotheken und Browser-Plugins von LuraTech Europe GmbH oder das für den nichtkommerziellen Einsatz freie Plugin von LEAD Technologies, Inc.

Paint Shop Pro von Corel unterstützt in der Version 8 nativ das Lesen und Schreiben von JPEG 2000, ebenso die Versionen SE Plus, Ai Studio, DC Pro Studio und HDR Studio der Scanner- und Bildbearbeitungssoftware SilverFast von LaserSoft Imaging.

Auch verbreitete Programme, wie zum Beispiel MS Paint, unterstützen den Standard noch nicht. JasPer unter Linux hat sich als freie Alternative bewährt, dürfte allerdings dem Durchschnittsanwender kaum zugänglich sein. Für Mac OS kann GraphicConverter JPEG 2000 lesen und schreiben. Mac OS X unterstützt JPEG 2000 ohne Zusatzsoftware.

Firefox unter Mac OS X zeigt JPEG 2000 mittels QuickTime an.
Damit Firefox in dieser Hinsicht nicht mehr von QuickTime abhängig ist, soll im Zuge des Summer of Code '07 ein Add-On für JPEG 2000-Unterstützung geschrieben werden.^[1]

• Dateiendungen: .jp2, .jpx
• MIME-Typen: image/jp2, image/jpeg2000, image/jpeg2000-image, image/x-jpeg2000-image

File-Format und Codestream

Wie schon JPEG-1 unterscheidet JPEG 2000 einen sog. Codestream und ein Dateiformat. Während der Codestream ausreicht, um die Samples des Bildes zu decodieren, werden im Dateiformat zusätzliche Meta-Informationen wie etwa die Auflösung und der Farbraum des codierten Bildes gespeichert. Für das Dateiformat spezifiziert die ISO die Dateiendung .jp2, für den Codestream ist keine Dateiendung vorgesehen, da der Codestream als solcher nicht dazu gedacht ist, direkt als Datei gespeichert zu werden. Jedoch sind die Endungen .jpc, .j2c oder .j2k hierfür gebräuchlich.

Beispielbilder

	8,8-fach komprimiertes JPEG-Bild eines Grabmals im Camposanto in Pisa.
	Dasselbe Bild 66-fach komprimiert. Man erkennt deutlich die Blockartefakte.
	Dasselbe Bild 66-fach mit JPEG 2000 komprimiert. Die Artefakte sind deutlich weniger ausgeprägt.

Original	JPEG	JPEG 2000

Typische Eigenschaften

Durch die Wavelet-Transformation vermeidet JPEG 2000 im Gegensatz zu JPEG-1 störende Blockartefakte bei hoher Kompression. Stattdessen tendieren die Bilder zu Unschärfeartefakten sowie Schatten an harten Kontrasten. JPEG 2000 eignet sich besonders für große Bilder, da hier die größeren Blöcke bei Waveletfiltern ihre Vorteile gegenüber den recht kleinen 8x8-Blöcken der DCT von JPEG-1 ausspielen können. Bei kleineren Bildern kann, je nach Bildinhalt, auch JPEG-1 einen Qualitätsvorteil bieten.

Erweiterungen

Der JPEG 2000-Standard gliedert sich in 13 Unterstandards, die, angefangen vom Basis-Standard ISO/IEC 15444-1:2000, diverse Ergänzungen und Erweiterungen auf andere Anwendungsgebiete spezifizieren. Zu nennen sind hier etwa:

• 15444-2: Erweiterte Codierungsoptionen, etwa zusätzliche Farbräume, Trellis-Quantisierung, ein erweitertes Dateiformat (.jpx), das animiertes JPEG 2000 oder die Überlagerung von mehreren Codeströmen zu einem gemeinsamen Bild erlaubt.
• 15444-3: Motion-JPEG 2000 zur Codierung von Bewegtbildern, ähnlich Motion-JPEG.
• 15444-4: Spezifiziert Conformance-Tests und beinhaltet Stress-Tests für Decoder
• 15444-5: Referenz-Software, bestehend aus dem JasPer- und dem JJ2000-Codec.
• 15444-6: Ein Compound-Image-Dateiformat, das mehrere Codierungsverfahren miteinander kombiniert, um damit etwa eingescannte Dokumente mit Bild- und Textanteilen optimal zu codieren.
• 15444-9: Ein Image-Browsing-Protokoll, über das Ausschnitte von sehr großen Bildern (etwa aus Medizindatenbanken) über das Internet interaktiv betrachtet werden können.
• 15444-11: Kompression von dreidimensionalen Volumendaten (JP3D)
• 15444-12: ISO-Based Media-Format, ein gemeinsam mit MPEG spezifiziertes Containerformat für Bewegtbilder.

Die Standardisierung von JPEG 2000 ist mittlerweile abgeschlossen, die ISO pflegt den Standard jedoch weiter und behebt noch Fehler bzw. diskutiert weitere Ergänzungen.

Anwendungen

JPEG 2000 ist im Markt für Heimanwender noch nicht sonderlich präsent, es gibt jedoch einige Spezialanwendungen, in denen es intensiv eingesetzt wird:

• Der DICOM-Standard für medizinische Daten kann JPEG 2000-Bilder aufnehmen.
• Die Digital Cinema Initiative, eine Vereinigung der meisten großen Filmstudios/-verleihern, verwendet Motion JPEG 2000 als Standard zur Speicherung, Verteilung und Darbietung von 2K- und 4K-Filmmaterial.
• Einige (nationale) Großarchive verwenden JPEG 2000 für die Langzeitarchivierung ihrer Dokumente.
• Auf den neuen Reisepässen der Bundesrepublik Deutschland werden die Passbilder im JPEG 2000-Format gespeichert mit einer Bildgröße von 18 kB.
• Second Life nutzt JPEG 2000 zur Speicherung sämtlicher Grafiken und Texturen.
• Einige Belichtungsdienste nutzen JPEG 2000 für die Übertragung der Fotos.

Einzelnachweise

1. ↑ http://eschew.org/projects/soc/2007/application.html

Literatur

• David S. Taubman, Michael Marcellin: Jpeg2000: Image Compression Fundamentals, Standards and Practice, Kluwer International Series in Engineering & Computer Science, ISBN-13: 978-0792375197, (Nov. 2001)
• Paolo Buonora, Franco Liberati: A Format for Digital Preservation of Images A Study on JPEG 2000 File Robustness, D-Lib Magazine, July/August 2008, Volume 14, Number 7/8, doi:10.1045/july2008-buonora

Weblinks

• JPEG 2000: Das neue Format für Bilder – 15 Seiten Informationen zu JPEG 2000
• JPEG, Wavelets, Videostreams: Anschauliche Beschreibung der Wavelet-Transformation, von JPEG 2000 und Qualitätsvergleiche
• Joint Photographic Experts Group Referenzimplementationen des Standards
• The JPEG 2000 still image coding system: an overview (PDF)
• Seminarvortrag zu JPEG 2000
• Everything you always wanted to know about JPEG 2000 - published by intoPIX in 2008 (PDF, englisch)