Das JPG-Format

JPG (oder JPEG) steht für Joint Photographic Experts Group und ist quasi der Standard für Fotos im Internet, obwohl sich im Internet alles schnell ändert ...

Die grundlegende Idee war, ein Verfahren zu entwickeln, das hohe Kompressionsraten erlaubt, aber für das Auge dennoch "nicht" erkennbar ist. Das Auge ist ja bekanntlich etwas träge und nimmt bestimmte feine Unterschiede nicht wahr.

Auf der Seite zur Kompression ist das Verfahren prinzipiell beschrieben. In der Realität sieht das Verfahren jedoch wesentlich komplizierter aus - in mehreren Schritten wird ziemlich viel gerechnet.

Folgende Schritte führen zu einer komprimierten JPG-Graphik:

Umrechnung der RGB-Werte in ein anderes Farbmodell (Helligkeitswerte werden getrennt von Farbwerten gespeichert; kein Verlust an Information, aber weniger Daten)
Aufteilung der Graphik in 8x8-Matrizen und Umrechnung der Ortsmatrizen in Frequenzmatrizen
Quantisierung der Werte der Frequenzmatrizen - je nach gewählter Qualitätsstufe werden größere bzw. kleinere Frequenzen angeglichen - hier kommt es zum eigentlichen Informationsverlust
Kompression nach dem Huffman-Verfahren

Wer Interesse an den recht komplizierten technischen und mathematischen Details ist, findet sie z. B. unter folgenden Links:

Virtual University

mathematik.de

Für die weniger technisch Interessierten hier die vereinfachte Erklärung:

In Schritt 2 (Umrechnung in Frequenzmatrizen) werden Helligkeitsschwankungen zwischen den Pixeln der Matrix erfasst. Je ähnlicher die Helligkeit der Pixel, um so näher sind die Schwankungen an null, denn in der Frequenzmatrix stehen nicht mehr die Farb- und Helligkeitswerte, sondern die Abweichung vom "Nachbarpixel". In Schritt 3 werden je nach gewählter Qualitätsstufe immer mehr Frequenzwerte "genullt" - mit anderen Worten: Man sagt, so und so viel Abweichnung in der Helligkeit ist noch keine Abweichnung. Und die langen Ketten von Nullen lassen sich dann prima komprimieren.

Die Kompression beim JPG-Format ist also verlustbehaftet, was besonders bei einfach strukturierten Graphiken mit harten Helligkeitsübergängen sichtbar wird. Die Beispielgraphiken hier im BMP-, JPG- und GIF-Format:

: BMP, 58,6 KB

: JPG, 100 % Qualität, 1,39 KB

: GIF-Format, 1,17 KB

Bei der JPG-Graphik in der Mitte sieht man selbst in der höchsten Qualitätsstufe Veränderungen gegenüber dem Original. Die Vergrößerung der folgenden Graphik bei 100 und 5 % Qualität zeigt deutlich, wie bei der Kompression Pixelblöcken ähnliche Eigenschaften zugeordnet werden. Dabei werden die Faben auch verfälscht:

: Vergrößerte JPG-Kompression, 100 % Qualität

: Vergrößerte JPG-Kompression, 5 % Qualität

Bei Fotos kommen allerdings die Stärken der JPG-Kompression zum Zuge, da es kaum so harte Übergänge gibt wie auf Logos und Ähnlichem. Hier zwei Beispiele (das Originalfoto ist 3512 x1352 Pixel groß, hat 221.025 Farben und ist komprimiert 3,21 MB groß):

: San Francisco, JPG, 100 % Qualität, 129 KB

: San Francisco, JPG, 70 % Qualität, 49,6 KB

Man muss schon sehr genau hinsehen, um die Qualitätsverluste wahrzunehmen. Übrigens: Das gleiche Foto sieht auch im GIF-Format nicht schlecht aus, allerdings belegt das GIF-Format fast den doppelten Speicher, nämlich 92 KB.

: San Francisco, GIF, 256 Farben, 92 KB

Animationen sind im JPG-Format nicht möglich. Die vom GIF-Format als interlaced bekannte Eigenschaft heißt beim JPG-Format progressive. Auch hier wird die gesamte Graphik zunächst in minderer Qualität dargestellt. Mit der Menge der übertragenen Daten steigt auch die Qualität.