JPEG 2000

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JPEG 2000
IconoJpeg2000.svg
Dateiendung: .jp2, .j2k, .jpf, .jpg2, .jpx, .jpm, .mj2, .mjp2
MIME-Type: image/jp2, image/jpx, image/jpm, video/mj2[1]
Entwickelt von: Joint Photographic Experts Group
Art: Grafikformat
Erweitert von: JPEG
Standard(s): ISO/IEC 15444

JPEG 2000 ist ein Grafikformat für Rastergrafiken mit Bildkompression, wie z. B. auch PNG oder GIF (ISO-Standard 15444), das auf der diskreten Wavelet-Transformation (DWT) beruht. Wie das bekannte JPEG ist es 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.

Inhaltsverzeichnis

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)
  • Entfall der Beschränkung auf 8/12 Bits pro Farbkanal.
  • Bilder größer als 64Ki × 64Ki Pixel möglich.
  • Möglichkeit, bestimmte Bildregionen von Interesse in höherer Qualität zu komprimieren und zu dekomprimieren (ROI = Region of Interest)
  • Bis zu 256 Farbkanäle. Das ermöglicht verschiedene Farbprofile wie RGB und CMYK in einem Bild, sowie weitere ICC-Profile.
  • Weitaus flexibler als JPEG - diverse Progressionsmodi, Bilder können nach diversen objektiven Qualitätsfunktionen optimiert werden.
  • Raum für beliebige Metadaten in der Extensible Markup Language (XML-Format)
  • 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 Alphakanäle zur Darstellung von Transparenz.

Nachteile gegenüber JPEG

  • Erheblich höherer Rechenaufwand (problematisch für Digitalkameras)
  • Erhebliche Abhängigkeit der Qualität von der Implementierung
  • Alle Erweiterungen von JPEG-2000-Dateiformaten, die über den reinen Bilddatenstrom hinausgehen (wie z.B. Formate der Metadaten, Farbraumdaten), sind nicht lizenzfrei. Und selbst für den Bilddatenstrom selbst garantiert das JPEG-2000-Konsortium ausdrücklich nicht die Freiheit von möglichen Lizenzansprüchen Dritter.

Stufen der Kompression

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

Die Dekomprimierung erfolgt entsprechend in umgekehrter Reihenfolge ohne Rate-Verzerrung.

Verbreitungsgrad und Unterstützung

Das Format ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht weit verbreitet, wird aber gerne in der Medizintechnik und auch bei Digitalkino (standardisiert von der Digital Cinema Initiatives) 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 qualitative Unterschiede bei verschiedenen Dekodierern, 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.

Eine konsequentere Implementierung des JPEG-Standards in Open-source Software verspricht das OpenJPEG[2]-Projekt.

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

Für Adobe Photoshop gab es ab Version 5 bis CS3 ein optionales Plugin (zu finden auf der CD-ROM, seit CS4 wieder entfernt); von Drittanbietern: 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 kostenlose Plugin von LEAD Technologies, Inc.

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

Einige weit verbreitete Programme, wie zum Beispiel Microsoft 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.

Mozilla Firefox unter Mac OS X zeigt JPEG 2000 mittels QuickTime und der zu Mac OS gehörenden Preview Applikation an.
Damit Firefox in dieser Hinsicht nicht mehr von QuickTime abhängig ist, wurde im Zuge des Summer of Code '07 ein Add-On für JPEG-2000-Unterstützung geschrieben.[3][4] Dieser Code wurde allerdings nie in den Firefox-Kern aufgenommen. Der Integration von JPEG 2000 in den Browser stehen weiterhin implemetierungstechnische und patentrechtliche Probleme entgegen.[5]

JPEG 2000 ist in das PDF-Format seit Version 1.5 (Acrobat 6.0) integriert. Um PDF-Dokumente möglichst klein zu bekommen, kann man fotorealistische Bilder im JPEG 2000-Format einbetten.[6]

File-Format und Codestream

Wie schon JPEG-1 unterscheidet JPEG 2000 einen sogenannten 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

Pisagrabmal2.jpg 8,8-fach komprimiertes JPEG-Bild eines Grabmals im Camposanto in Pisa.
Pisagrabmal 66fach2.jpg Dasselbe Bild 66-fach komprimiert. Man erkennt deutlich die Blockartefakte.
Pisagrabmal 66fach jp2 2.jpg Dasselbe Bild 66-fach mit JPEG 2000 komprimiert. Die Artefakte sind deutlich weniger ausgeprägt.
Ori-jpg-jp2.png
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 Vorteile gegenüber den recht kleinen 8×8-Blöcken der DCT von JPEG-1 haben. 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.
  • 15444-10: Kompression von dreidimensionalen Volumendaten (JP3D)
  • 15444-12: ISO-Base-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 Initiatives, eine Vereinigung der meisten großen Filmstudios/-verleihern, verwendet Motion JPEG 2000 als Standard zur Speicherung, Verteilung und Darbietung von 2K- und 4K-Filmmaterial.
  • Einige Fernsehanstalten nutzen Motion JPEG 2000 zur datenreduzierten Übertragung von SD/HD Filmmaterial in ihren Netzen.
  • Einige 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.
  • Die Virtuelle-Welt-Software Second Life nutzt JPEG 2000 zur Speicherung sämtlicher Grafiken und Texturen.
  • Einige Belichtungsdienste nutzen JPEG 2000 für die Übertragung der Fotos.

Einzelnachweise

  1. MIME Type Registrations for JPEG 2000 (ISO/IEC 15444)
  2. Open-source C-library for JPEG 2000.
  3. Because Bandwidth Is Expensive: Adding JPEG2000 support to Firefox; Ben Karel, 23. März 2007
  4. JPEG2000 Plugin für Firefox
  5. Kommentar im Mozilla Bug Tracker zu JPEG2000: Offene Probleme
  6. PDF Referenz, Version 1.7, siehe Kapitel 7.4.9 JPXDecode Filter, (PDF, 8.8M)

Literatur

  • David S. Taubman, Michael Marcellin: Jpeg2000: Image Compression Fundamentals, Standards and Practice, Kluwer International Series in Engineering & Computer Science, November 2001, ISBN 978-0792375197
  • 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
  • Tilo Strutz: Bilddatenkompression. Grundlagen, Codierung, Wavelets, JPEG, MPEG, H.264 4. Auflage 2009, ISBN 978-3-8348-0472-3

Weblinks

 Commons: JPEG 2000 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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