Bilddatenkompression

Die digitale Kommunikationstechnik hat in den letzten Jahrzehnten eine enorme Ent wicklung erfahren und ist dabei, nach und nach jene Verfahren zu verdrängen, die zeit und wertekontinuierliche Signale verarbeiten. Digitales Telefonieren ist mittlerweile der Standard, digitales Fernsehen wird bereits praktiziert. Auch das Radio erreicht den Hörer unter anderem durch das Internet in digitaler Form. Für den zunehmenden Einsatz von Digitaltechnik gibt es gute Gründe. Erstens ist dadurch meist eine bessere Qualität der Signale realisierbar, vor allem weil die digitale Übertragung einen besseren Schutz gegen Übertragungsfehler ermöglicht. Zweitens ist die Verarbeitung digitaler Signale oft auch einfacher als die von analogen Signalen. Diese Vorteile müssen allerdings durch einen Nachteil erkauft werden: digitale Signalquellen produzieren sehr große Datenmengen. Trotz der rasanten Entwicklung von Speichermedien (Festplatten im mehrstelligen Giga byte-Bereich) und Übertragungsmedien mit Bandbreiten von vielen Megabit pro Sekun de stößt man in der Praxis ständig an Leistungsgrenzen, da die Datenßut in gleichem Maße steigt. Oft ist die modernste Technik nicht jedem Nutzer zugänglich. Aber auch die Bedürfnisse der Technikbenutzer sind dem technisch Machbaren stets einen Schritt voraus. Dies ist der Grund, warum Informationstechnologien zur effizienten Datenkompression für die Speicherung und Übertragung von Signalen immer wichtiger werden. Insbesondere die Bild- und Video-Codierung hat eine wachsende Bedeutung, da hier zwei- und sogar mehr dimensionale Signale verarbeitet werden müssen. Typische Anwendungen der Datenkom pression sind: Archivierung von Daten jeglicher Art, digitales Fernsehen, Videoaufzeich nung, Bildtelefon, Videokonferenz, digitale Fotografie, Videoüberwachung, Telemedizin u.v.a.m.

1 Einführung.- 2 Grundlagen der Datenkompression.- 2.1 Informationsgehalt und Entropie.- 2.2 Redundanz und Irrelevanz.- 3 Datenreduktion.- 3.1 Modifikation der Abtastrate.- 3.2 Quantisierung.- 4 Entropiecodierung.- 4.1 Codierungstheorie.- 4.2 Morse-Code.- 4.3 Shannon-Fano-Codierung.- 4.4 Huffman-Codierung.- 4.5 Decodierung von Präfixcodes.- 4.6 Arithmetische Codierung.- 4.7 Codierungsadaptation.- 4.8 Codierung von sehr großen Symbolalphabeten.- 5. Präcodierung.- 5.1 Statistische Abhängigkeiten und Verbundentropie.- 5.2 Lauflängencodierung.- 5.3 Bit-Markierung.- 5.4 Viererbaum-Codierung.- 5.5 Maximalwert-Codierung.- 5.6 Minimalwert-Bäume.- 5.7 Prädiktive Codierung.- 5.8 Phrasen-Codierung.- 6. Transformationen und Filterbänke.- 6.1 Transformationen.- 6.2 Filterbänke.- 6.3 Transformationscoder.- 7 Wahrnehmung und Farbe.- 7.1 Visuelle Wahrnehmung.- 7.2 Farbsysteme.- 8 Verfahren zur Bildsequenzcodierung.- 8.1 Struktur eines Video-Codecs.- 8.2 Bewegungsschätzung und -kompensation.- 8.3 Codierung von Prädiktionsfehlerbildern.- 9. Der JPEG-Standard.- 9.1 Historie.- 9.2 DCT-basierte Kompression.- 9.3 Die Arbeitsmethoden.- 9.4 JPEG-Syntax und Organisation der Daten.- 9.5 Kompressionsergebnisse.- 10 Standards zur Bildsequenzcodierung.- 10.1 Allgemeines.- 10.2 MPEG-Systemschicht.- 10.3 MPEG-Video.- 11 Wavelet-basierte Bildcodierung.- 11.1 Überblick.- 11.2 Encoder.- 11.3 Decoder.- 11.4 JPEG 2000.- 11.5 Kompressionsergebnisse.- A Testbilder.- B Quelltexte.- B.1 Arithmetische Codierung.- B.1.1 Verteilungsmodell.- B.1.2 Arithmetische Codierung Variante 1.- B.1.2.1 Header.- B.1.2.2 Encoder.- B.1.2.3 Decoder.- B.1.3 Arithmetische Codierung Variante 2.- B.1.3.1 Header.- B.1.3.2 Encoder.- B.1.3.3 Decoder.- B.1.4 Arithmetische Codierung mit Modellumschaltung.- B.1.4.1 Encoder.- B.1.4.2 Decoder.- B.1.5 Input/Output-Routinen.- B.2 Lauflängencodierung.- B.2.1 Encoder.- B.2.2 Decoder.- B.3 Diskrete Wavelet-Transformation.- B.3.1 Orthogonale Signalzerlegung.- B.3.2 Biorthogonale Signalzerlegung.- B.4 Wavelet-basierte Bildcodierung.- B.4.1 Encoder.- B.4.2 Decoder.- Formelzeichen und Abkürzungen.- Literatur.- Sachwortverzeichnis.