Beurteilung der Codiereffizienz von neuen Codierverfahren

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundprinzipien der Bildcodierung

2.1 Codierung von digitalen Bildern

2.2 Entropiecodierung

2.2.1 Lauflängencodierung

2.2.2 Huffmancodierung

2.2.3 Arithmetische Codierungen

2.3 Quellencodierung

2.3.1 Differentielle Pulsecodemodulation und Prädiktion

2.3.2 Transformationscodierung

2.3.2.1 Prinzip der Transformationscodierung

2.3.2.2 Fourier-Transformation (FT)

2.3.2.3 Wavelet-Transformation

2.3.2.3.1 Wavelets

2.3.2.3.2 Kontinuierliche Wavelet-Transformation

2.3.2.3.3 Diskrete Wavelet-Transformation (DWT)

2.3.2.3.4 Orthogonalität

2.3.2.3.5 Mehrfachauflösung

2.3.2.4 Diskrete Cosinus Transformation (DCT)

2.3.3 Layered Coding

2.3.3.1 Subsampling

2.3.3.2 Subbandcodierung

2.3.4 Quantisierung

2.3.4.1 Vektorquantisierung

2.3.4.2 Skalarquantisierung

2.3.5 Farbmodelle

2.4 Hybridcodierung

3. JPEG2000

3.1 Einleitung

3.2 Eigenschaften

3.3 Implementationen

3.3.1 Verlustfreie und verlustbehaftete Kompression

3.3.2 Wahlfreier Zugriff

3.3.3 Progressive Bilddarstellung – Progressionsarten

3.3.4 ROI-Codierung

3.3.5 Transparenz- und Alphakanäle

3.3.6 Metadaten

3.3.7 Bildschutz

3.3.8 Fehlerrobustheit

3.4 JPEG2000 vs. JPEG

3.5 Aufbau des Codierverfahrens

3.6 Encoder

3.6.1 Bildvorbereitung

3.6.1.1 Bildoffset („Tiling“)

3.6.1.2 DC-Level-Shifting

3.6.1.3 Farbtransformation

3.6.2 Bildverarbeitung

3.6.2.1 Diskrete Wavelet-Transformation

3.6.2.2 Quantisierung

3.6.3 Entropiecodierung

3.6.3.1 Ebene 1 (Tier1-Codierung)

3.6.3.2 Ebene 2 (Tier2–Codierung)

3.7 Decoder

4. H.264

4.1 Einleitung

4.2 Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten

4.3 Eigenschaften

4.3.1 Profiles und Levels

4.4 NAL und VCL

4.5 Makroblöcke

4.6 Intra-Frame-Prädiktion

4.7 Langzeitprädiktion

4.8 Bewegungskompensation

4.9 Transformation, Skalierung, Quantisierung

4.10 Entropiecodierung

4.10.1 Variable Length Coding

4.10.2 Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding

4.11 Deblocking-Filter (Loop-Filter)

4.12 Aufbau von H.264/AVC

5. Bildformate

5.1 High- und Standard-Definition

5.2 BMP

5.3 PPM

5.4 RGB

5.5 YUV

5.3 DPX

5.4 RAW

5.5 VIX

5.6 Motion JPEG2000

6. Bewertungskriterien

6.1 Kompressionsfaktor

6.2 Bildsignalqualität

6.3 Subjektive Bewertungsmodelle

6.4 Objektive Bewertungsmodelle

7. Testumgebung

7.1 Testsequenzen

7.1.1 Testbild Barcelona

7.1.2 Testbild Orient

7.2 Werkzeuge

7.2.1 Hardware

7.2.2 Software

7.2.2.1 XnView

7.2.2.2 Nconvert

7.2.2.3 ImageMagick

7.2.2.4 YUVpsnr

7.2.2.5 Objective Image Assessment (O.I.A)

7.2.2.6 Kakadu

7.2.2.7 JasPer

7.2.2.8 BMP2Vix

7.2.2.9 Morgan M-JPEG2000 V3

7.2.2.10 OpenJPEG

7.2.2.11 Motion JPEG2000 Extractor

7.2.2.12 DPXJ2K JPEG2000 Referenz Software

7.2.2.13 H.264/AVC Referenz-Software

7.2.2.14 Hexviewer XVI32

8. SHD ImageTools V1.0

8.1 SHD ImageTools Part1

8.2 SHD ImageTools Part2

8.3 SHD ImageTools Part3

9. Quick HD V1.0

9.1 Quick HD Part1

9.2 Quick HD Part2

10.Testdurchführung und Bewertung

10.1 Analyse des Generationsverhaltens

10.1.1 JPEG2000 auf SD-Basis

10.1.1.1 Testablauf

10.1.1.2 Anwendungsebene mit Codierparameter

10.1.1.3 Messung

10.1.1.4 Testergebnisse

10.1.1.4.1 JPEG2000 Messreihe Barcelona 5/3-Filter

10.1.1.4.1.1 Diagrammanalyse

10.1.1.4.2 JPEG2000 Messreihe Barcelona 9/7-Filter

10.1.1.4.2.1 Diagrammanalyse

10.1.1.4.3 Generationsverhalten JPEG2000 (SD) Messreihe Barcelona 5/3-Filter vs. 9/7-Filter im direkten Vergleich

10.1.2 JPEG2000 auf HD-Basis

10.1.2.1 Testablauf

10.1.2.2. Anwendungsebene mit Codierparameter

10.1.2.3. Messung

10.1.2.4 Testergebnisse

10.1.2.4.1 JPEG2000 Messreihe Orient 5/3-Filter

10.1.2.4.1.1 Diagrammanalyse

10.1.2.4.2 JPEG2000 Messreihe Orient 9/7-Filter

10.1.2.4.2.1 Diagrammanalyse

10.1.2.4.3 Generationsverhalten JPEG2000 (HD) Messreihe Barcelona 5/3-Filter vs. 9/7-Filter im direkten Vergleich

10.1.3 H.264 auf HD-Basis

10.1.3.1 Testablauf

10.1.3.2 Anwendungsebene mit Codierparameter

10.1.3.3 Messung

10.1.3.4. Testergebnisse

10.1.3.4.1 H.264 Messreihe Orient Loop-Filter

10.1.3.4.1.1 Diagrammanalyse

10.1.3.4.2 H.264 Messreihe Orient NoLoop-Filter

10.1.3.4.2.1 Diagrammanalyse

10.1.3.4.3 Generationsverhalten H264 (HD) Messreihe Orient Loop-Filter vs. NoLoop-Filter im direkten Vergleich

10.2 Analyse der Kompressionsverfahren

10.2.1 JPEG2000 auf SD-Basis

10.2.1.1 Testablauf

10.2.1.2 Anwendungsebene mit Codierparametern

10.2.1.3 Messung

10.2.1.4 Testergebnisse

10.2.1.4.1 JPEG2000 Messreihe Barcelona 5/3-Filter

10.2.1.4.1.1 Diagrammanalyse

10.2.1.4.2 JPEG2000 Messreihe Barcelona 9/7-Filter

10.2.1.4.2.1 Diagrammanalyse

10.2.1.4.3 Direkter Vergleich über den Kompressionsfaktor von JPEG2000 (SD) Messreihe Barcelona 5/3-Filter vs. 9/7-Filter

10.2.2. JPEG2000 auf HD-Basis

10.2.2.1 Testablauf

10.2.2.2 Anwendungsebene mit Codierparametern

10.2.2.3 Messung

10.2.2.4 Testergebnisse

10.2.2.4.1 JPEG2000 Messreihe Orient 5/3-Filter

10.2.2.4.1.1 Diagrammanalyse

10.2.2.4.2 JPEG2000 Messreihe Orient 9/7-Filter

10.2.2.4.2.1 Diagrammanalyse

10.2.2.4.3 Direkter Vergleich über den Kompressionsfaktor von JPEG2000 (HD) Messreihe Orient 5/3-Filter vs. 9/7-Filter

10.2.3 H.264 auf HD-Basis

10.2.3.1. Testablauf

10.2.3.2 Anwendungsebene mit Codierparametern

10.2.3.3 Messung

10.2.3.4. Testergebnisse

10.2.3.4.1 H264 Messreihe Orient Loop-Filter

10.2.3.4.1.1 Diagrammanalyse

10.2.3.4.2 H264 Messreihe Orient NoLoop-Filter

10.2.3.4.2.1 Diagrammanalyse

10.2.3.4.3 Direkter Vergleich über den Kompressionsfaktor von H.264(HD) Messreihe Orient Loop-Filter vs. NoLoop-Filter

10.3 Analyse der Qualitätverluste bei einer Bearbeitung

10.3.1 Testablauf

10.3.1.1 Horizontale Spiegelung auf HD-Basis

10.3.1.2 Farbtausch der RGB-Farbkomponenten auf HD-Basis

10.3.1.3 Adaptive Farben auf SD-Basis

10.3.1.4 Gerasterte Farben auf SD-Basis

10.4 Analyse der Qualitätsverluste bei einer wavelettransformierten und einer normierten Skalierung

10.4.1 Testablauf bei Skalierung auf DWT-Basis

10.4.2 Testablauf bei normierten Skalierungsgrößen

10.4.3 Messung

10.4.4Testergebnisse und Diagrammanalyse

11. Fazit

Zielsetzung & Themen

Die Diplomarbeit untersucht die Codiereffizienz moderner Videokompressionsverfahren, insbesondere JPEG2000 und H.264/AVC, um deren Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Datenreduktion, Bildqualität und Generationsverhalten in professionellen Studioanwendungen zu beurteilen.

• Analyse der theoretischen Grundlagen von Bild- und Quellencodierung (einschließlich Wavelet-Transformation und DCT).
• Detaillierte Untersuchung des Generationsverhaltens bei mehrfacher Kompression und Dekompression.
• Vergleichende Bewertung der Codiereffizienz zwischen JPEG2000 und H.264 bei SD- und HD-Auflösungen.
• Entwicklung einer Testumgebung zur objektiven Qualitätsmessung mittels Signalrauschabstand (PSNR) unter variablen Codierparametern.
• Analyse von Qualitätseinbußen bei Bearbeitungsprozessen wie Skalierung und Farbraumtransformation.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1. Einleitung: Beschreibt die zunehmende Bedeutung der digitalen Bildkommunikation und die daraus resultierende Notwendigkeit effizienter Datenkompressionsverfahren.

2. Grundprinzipien der Bildcodierung: Erläutert die theoretischen Grundlagen der Datenreduktion, Entropie- und Quellencodierung sowie die Bedeutung der Transformation für die Bildkompression.

3. JPEG2000: Detaillierte Darstellung des JPEG2000-Standards, seiner technischen Implementierung, der Wavelet-Transformation sowie der verschiedenen Stufen des Encodier- und Decodiervorgangs.

4. H.264: Analysiert den H.264/AVC-Standard, dessen technische Merkmale wie Makroblöcke, Prädiktionsmodi und Loop-Filter sowie den allgemeinen Aufbau des Coders.

5. Bildformate: Beschreibt verschiedene Pixelformate und deren Bedeutung für die digitale Speicherung und Übertragung von Bildinformationen.

6. Bewertungskriterien: Definition der Kennzahlen zur objektiven Messung der Kompressionsleistung und Bildqualität, insbesondere durch PSNR und MSE.

7. Testumgebung: Dokumentation der verwendeten Hard- und Softwarewerkzeuge sowie der Testbilder zur Durchführung der Qualitätsanalysen.

8. SHD ImageTools V1.0: Vorstellung der entwickelten Softwarelösung zur Automatisierung der Testreihen für Standard-Definition-Formate.

9. Quick HD V1.0: Vorstellung des Erweiterungstools für die Testreihen zur Analyse von High-Definition-Formaten.

10.Testdurchführung und Bewertung: Umfassende Analyse und statistische Auswertung des Generationsverhaltens sowie der Qualitätsverluste bei variierenden Codierparametern.

11. Fazit: Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Ausblick auf die zukünftige Entwicklung im Bereich der Videocodierung.

Schlüsselwörter

Bildcodierung, JPEG2000, H.264, Datenkompression, Wavelet-Transformation, Signalrauschabstand, PSNR, Generationsverhalten, Videokommunikation, Bildqualität, Quantisierung, Entropiecodierung, HDTV, Testumgebung, Video Coding Layer.

Häufig gestellte Fragen

Was ist das Hauptziel dieser Diplomarbeit?

Die Arbeit analysiert die Codiereffizienz und das Generationsverhalten moderner Videokompressionsstandards wie JPEG2000 und H.264/AVC, um deren Qualität bei mehrfacher Bearbeitung objektiv zu bewerten.

Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?

Die Arbeit behandelt die Grundlagen der digitalen Bildcodierung, die technische Spezifikation von JPEG2000 und H.264, Methoden zur Qualitätsbewertung sowie die automatisierte Testdurchführung.

Welche Forschungsfragen stehen im Fokus?

Im Zentrum steht, wie sich verschiedene Codierverfahren bei variierenden Kompressionsfaktoren und wiederholter Bearbeitung (Generationen) qualitativ verhalten und ob sie für den professionellen Studioeinsatz geeignet sind.

Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?

Es wird ein experimenteller Ansatz gewählt, bei dem Testsequenzen (SD/HD) mit verschiedenen Algorithmen codiert und die Qualitätsverluste mittels mathematischer Kennzahlen wie PSNR (Signal-Rausch-Verhältnis) messtechnisch erfasst werden.

Welche Inhalte bilden den Hauptteil?

Der Hauptteil umfasst eine detaillierte technische Analyse von JPEG2000 und H.264, die Beschreibung der selbst entwickelten Software zur Testautomatisierung und die umfangreiche statistische Auswertung der Messreihen.

Was charakterisiert die Arbeit?

Die Arbeit zeichnet sich durch die Kombination aus fundierter theoretischer Herleitung der Codieralgorithmen und einer praxisnahen, softwaregestützten Analyse der Messergebnisse aus.

Welche Rolle spielt die Wavelet-Transformation in JPEG2000?

Sie ist das Kernstück des JPEG2000-Verfahrens und dient der frequenzbasierten Zerlegung des Bildes, wodurch eine verlustbehaftete Kompression ohne die typischen Blockartefakte klassischer DCT-Verfahren möglich wird.

Warum ist das Generationsverhalten für die Studioarbeit kritisch?

In der Studioproduktion werden Videomaterialien oft mehrfach bearbeitet und kopiert. Das Generationsverhalten zeigt, wie stark die Qualität bei jedem dieser Zyklen durch die kaskadierte Anwendung von Kompressions-Codecs abnimmt.