Was sind JPEG-Artefakte und was kann man dagegen tun?

Ich weiß, dass JPEG ein "verlustbehafteter" Komprimierungsalgorithmus ist, der Informationen verwirft, um Platz zu sparen. Was ist die visuelle Wirkung davon? Ich habe von "JPEG-Artefakten" gehört. Wie sehen diese aus?

Gibt es Situationen, in denen die gleiche Komprimierungsstufe mehr Artefakte erzeugt und schlechter aussieht? Kommt es überhaupt auf den Inhalt des Bildes an? Was kann der Algorithmus gut und womit hat er Probleme?

Vorausgesetzt, JPEG ist eine Voraussetzung, gibt es eine Möglichkeit, Artefakte zu reduzieren? Wenn ich auf einen Webdienst hochlade, der seine eigene Komprimierung außerhalb meiner Kontrolle anwendet, kann ich dann im Voraus etwas tun, um das Bild besser zu überleben?

Ein Beispiel

Verwenden des aktuellen Fotos des Wochenbilds. Dies ist das hochwertige JPEG:

in Gimp mit JPEG-Qualität 80 (niedrig) neu gespeichert; Bitte beachten Sie den allgemeinen Schärfeverlust, "Punkte" an kontrastreichen Rändern, Detailverlust in kontrastarmen Bereichen:

und in GIMP mit JPEG-Qualität 30 (sehr niedrig) erneut gespeichert; Bitte beachten Sie die offensichtlichen 8x8-Blöcke und den starken Verlust an Schärfe und Farbdetails:

Drei Arten von Verzerrungen

JPEG führt in der Regel zu zwei drei Arten von Verzerrungen:

• allgemeiner Schärfeverlust und Oszillationen um kontrastreiche Kanten: Diese sind auf angenäherte Intensitätsübergänge mit glatten Funktionen (Cosinus) zurückzuführen; Sie sehen sie als kleine "Punkte" oder "Lichthöfe" an den Rändern. Sie sind besonders gut in Textabbildungen von Handzeichnungen zu erkennen.
• Blockstruktur: Das Bild wird für jeden 8x8-Block separat verarbeitet (oder bei Chroma-Downsampling größer). Blockkanten werden bei hohen Komprimierungsraten sichtbar.
• Verlust von Farbdetails: es hängt vom Speichern der Parameter ab, das Programm kann Farbkanäle aggressiv "herunterrechnen" (Auflösung reduzieren); es ist selten ein Problem für die Naturfotografie.

Sichtbare Blockstrukturen und Lichthöfe um Kanten werden normalerweise als JPEG-Artefakte bezeichnet. Zoomen wir in unser Beispiel, um sie besser zu sehen. Von links nach rechts ein Ausschnitt aus den Originalbildern JPEG Q80 und JPEG Q30. Ich habe Artefakte grün markiert (Kreise für Lichthöfe und Punkte für 8x8 Blöcke):

Wie bei jedem Informationsverlust können Sie ihn nicht wiederherstellen. Das Schärfen kann dazu beitragen, den Kontrast verlorener Kanten wiederherzustellen, macht jedoch "Lichthöfe" deutlicher. Entrauschen kann helfen, "Lichthöfe" zu entfernen, verringert aber die Schärfe noch weiter. Wenn die Blockstruktur sichtbar ist, ist es wahrscheinlich zu spät. Behalten Sie einfach die Originalbilder in hoher Auflösung und Qualität bei und überschreiben Sie sie nicht.

Hosting-Strategien

Wenn Sie die JPEG-Komprimierungsparameter steuern und die Bildqualität maximieren möchten:

• halte das Komprimierungsverhältnis so niedrig wie möglich (verwende qualitativ hochwertige Einstellungen)
• Betrachten Sie das Downsampling von Chromatizitätskanälen (es kann für einige Bilder fast unmerklich sein und ermöglicht bei gleicher Dateigrößenbeschränkung ein geringeres Komprimierungsverhältnis im Helligkeitskanal).
• Erwägen Sie die Verwendung einer diskreten Gleitkomma-Cosinus-Transformation (dies kann die Präzision der Transformation erhöhen, das Speichern von Dateien dauert jedoch länger).
• Erwägen Sie die Verwendung einer niedrigeren Auflösung anstelle einer höheren Komprimierungsrate (bei gleicher Dateigrößenbeschränkung).

Wenn Sie zu einem Drittanbieter-Service hochladen und die Komprimierungsparameter nicht steuern, können Sie nicht viel dagegen tun:

• Wählen Sie einen Dienst, von dem bekannt ist, dass er qualitativ hochwertiges JPEG (Flickr, SmugMug, 23hq, 500px) gegenüber Diensten bevorzugt, von denen bekannt ist, dass sie zu stark komprimiert werden, um Datenverkehr zu sparen (Picasa, Imgur, Dropbox). Normalerweise bekommen Sie, wofür Sie bezahlen.
• Versuchen Sie, die Größe der Fotos selbst zu ändern und die richtige Größe hochzuladen (einige Dienste komprimieren sie trotzdem neu, andere liefern Ihre Datei möglicherweise als hochgeladen).

JPEG verwendet tatsächlich zwei Arten der Komprimierung, eine verlustbehaftete und eine verlustfreie. Verlustfreie Komprimierung verursacht keine Artefakte, daher können wir diesen Teil ignorieren. Die spezielle Art der verlustbehafteten Komprimierung in JPEG, die als diskrete Cosinustransformation für die mathematischen Knurds bezeichnet wird, ermöglicht einen Kompromiss zwischen Komprimierungsverhältnis und Wiedergabetreue. Die meisten Software-Programme sehen dies als "Qualitäts" -Wert an, üblicherweise auf der Skala von 0 bis 100, wobei 100 praktisch kein oder nur ein sehr geringer Verlust ist und die Dinge von da an sinken.

Dieser spezielle Komprimierungsalgorithmus wurde übernommen, weil er die Dinge, die das menschliche visuelle System nicht so stark wahrnimmt wie andere Szenenkomponenten, gut aussortieren kann. Dies ist zum Teil der Grund, warum ziemlich anständig aussehende Bilder beeindruckend hohe Kompressionsraten aufweisen können. Dies ist auch der Grund, warum es bei echten Halbtonfotos gut funktioniert und bei synthetischen Bildern und Strichzeichnungen nicht so gut.

Hier ist ein 200 x 300-Bereich eines größeren Fotos, in dem die Pixel 2x repliziert wurden, um sie besser zu sehen. Diese verwendete JPEG-Komprimierung "Qualität" 100:

Qualität 80, 79% Dateigrößenreduzierung:

Qualität 60, 86% Ermäßigung:

Qualität 40, 90% Ermäßigung:

Die Dateigrößenreduzierungen basierten auf JPEG-Komprimierungen der gesamten Datei, sodass die Header-Strukturen und andere festgelegte Overheads nur einen kleinen Teil der Daten ausmachten.

Beachten Sie, dass Sie nach Artefakten im zweiten Bild suchen müssen, obwohl fast 4/5 der ursprünglichen Informationen verworfen wurden. JPEG-Komprimierungsartefakte sind in der Regel an scharfen Kanten und in sich langsam ändernden flachen Bereichen am sichtbarsten. Da es sich bei Strichzeichnungen ausschließlich um scharfe Kanten handelt, ist die JPEG-Komprimierung hierfür nicht geeignet.

Sie können sehen, dass die Komprimierungsartefakte bei höheren Komprimierungsverhältnissen zunehmend schlechter werden. Beachten Sie jedoch, dass das untere Bild eine erstaunliche Menge an visuellen Informationen enthält, wenn 9/10 der Rohdaten gelöscht werden.

Die für die verlustbehaftete JPEG-Komprimierung charakteristischen Artefakttypen sind "Block" in sich langsam ändernden flachen Bereichen und "Schmutz" um kontrastreiche Kanten. Sehen Sie sich zum Beispiel den unteren rechten Bereich im Bild oben an. Das enthält unscharfen Hintergrund, also ändern sich die Werte langsam. Die Blockhaftigkeit ist ganz offensichtlich. Schauen Sie sich für Beispiele des "Drecks" das linke Horn der Ziege an. Diese beiden Arten von Artefakten sind normalerweise ein starker Hinweis darauf, dass die JPEG-Komprimierung durchgeführt wurde. Schauen Sie auch in den anderen Bildern oben nach, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sie aussehen, wenn sie gerade erst erscheinen, und welche Art von Komprimierungsrate Sie unter verschiedenen Umständen tolerieren können.

Die JPG-Komprimierung erfolgt in Pixelblöcken. In einem hochkomprimierten JPG-Bild sind die Ränder dieser Blöcke zu sehen: Im Originalbild waren zwei Pixel in Helligkeit und Farbe möglicherweise sehr nahe beieinander, aber wenn sie sich in verschiedenen Blöcken befinden, werden sie nach der Komprimierung und Dekomprimierung (bei Betrachtung) jeweils einzeln angezeigt Ihre Werte können vom Original abweichen, so dass Sie diese allmähliche Vermischung verlieren und anfangen, diese "Blockhaftigkeit" zu erkennen.

Hier ist ein typisches Beispiel in einem Himmel - JPG in der Qualität 0 gespeichert.

Wenn Sie auf eine Site hochgeladen werden, die JPG-Komprimierung verwendet, erzielen Sie möglicherweise bessere Ergebnisse, wenn Sie zwei Dinge tun (Sie müssen mit der Site experimentieren, um zu sehen, was funktioniert):

• Ändern Sie die Größe Ihres Bilds so, dass es innerhalb der von der Site zugelassenen maximalen Höhe / Breite liegt, damit die Website die Größe Ihrer Bilder nicht für Sie ändert

• Machen Sie Ihre eigene Komprimierung, um eine kleinere Dateigröße mit guter Qualität zu erhalten. Abhängig davon, wie die Site funktioniert, wird das Bild möglicherweise nicht weiter komprimiert, wenn es bereits klein genug ist, oder, selbst wenn dies der Fall ist, hat es möglicherweise eine geringere Auswirkung.

Soweit JPG-Artefakte aus einem Bild entfernt werden, können JPG-Artefakte ähnlich wie normales Sensorrauschen aussehen. Rauschunterdrückungssoftware wird einige kleinere JPG-Artefakte etwas erfolgreich entfernen können, jedoch mit dem Verlust von Details.

Hier ist ein Beispiel mit JPG-Qualität von 50%, mit Blockigkeit, aber auch dunkleren und helleren Pixeln, die Rauschen ähneln.

Topaz Labs bietet ein Produkt namens DeJpeg an , das sich speziell auf JPG-Artefakte bezieht . Es macht einen guten Job, ohne zu viel Detailverlust. Das Plugin kann auch etwas schärfen und allgemeines Rauschen reduzieren. Das Plugin ist mit Photoshop CS, Photoshop Elements und Paint Shop Pro kompatibel. Ich glaube nicht, dass es mit Lightroom oder Aperture funktioniert.

Bei Websites, die Dateien komprimieren, bis sie eine bestimmte Zieldateigröße erreichen, können Sie die Bildqualität unter bestimmten Umständen verbessern.

JPEG konvertiert das Bild in eine Frequenzraumdarstellung (wobei X und Y horizontale und vertikale Frequenzen darstellen und "Helligkeit" die Amplitude der Frequenz darstellt). Frequenzen unterhalb einer bestimmten Amplitude werden ignoriert, wodurch die gespeicherte Datenmenge verringert und eine Komprimierung erzielt wird.

Rauschen hat ein breites Frequenzspektrum, das JPEG nicht komprimieren kann. Aus diesem Grund können Sie zwei Bilder erstellen, dieselbe Komprimierungsstufe anwenden und nach der JPEG-Komprimierung zwei verschiedene Dateigrößen erhalten.

Wenn Sie ein Bild aufnehmen und die unwichtigen Hintergrundbereiche absichtlich verwischen, reduzieren Sie die Gesamtinformationsmenge und erzielen eine viel höhere Komprimierung dieser Bereiche, sodass Sie mehr Kilobyte für die Codierung der Bereiche übrig haben, in denen Details wichtig sind. Dies funktioniert besonders gut bei Bildern, bei denen der Hintergrund bereits unscharf ist.

Hier ist ein Beispiel für ein vergrößertes JPEG:

Bild von Wikipedia-Benutzer FelixH. Dieses Bild ist unter der Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Unported-Lizenz lizenziert.

In diesem Bild sehen Sie deutlich die sogenannten "Artefakte" im blauen Bereich. Beachten Sie, wie das Bild in Blöcke aufgeteilt zu sein scheint und die Blockgrenzen nicht übereinstimmen.

Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, um dieses Problem zu vermeiden oder zu verringern:

• Das offensichtlichste: Verwenden Sie kein JPEG. Möglicherweise möchten Sie Ihre Bilder mit einem verlustfreien Komprimierungsformat wie RAW, PNG oder verlustfreiem TIFF bearbeiten. Sie können im letzten Schritt nur ein Downgrade auf JPEG durchführen, wenn Sie das Bild in das Internet, per E-Mail usw. hochladen möchten.

• Das JPEG-Format ermöglicht die Konfiguration der Komprimierungsstufe. Sie können weniger Artefakte erhalten, wenn Sie möchten, aber die Datei wird größer.

• Vermeiden Sie es, ein JPEG immer wieder neu zu speichern, da jede Generation die Qualität noch weiter verschlechtert.

Artefakte sind die unerwünschten Nebenwirkungen der Bildbearbeitung. In diesem Fall ergeben sie sich aus der Art und Weise, wie Daten vom JPEG-Algorithmus komprimiert werden.

Im Allgemeinen möchten die Benutzer Fotos digital speichern können, ohne zu viel Speicherplatz zu beanspruchen. Daher werden die meisten Fotos im JPEG-Format gespeichert. In diesem Format werden die Daten, aus denen das Bild besteht, so komprimiert, dass möglichst viele Details erhalten bleiben. Die Komprimierungsstufe kann beim Erstellen der Datei geändert werden. Es handelt sich jedoch um einen "verlustbehafteten" Algorithmus, der einige Daten verwirft. Es ist nicht möglich, von einer komprimierten JPEG-Datei zu den ursprünglichen Daten zurückzukehren.

Dieser Datenverlust geht zu Lasten der Bildqualität. Die Komprimierung ist so konzipiert, dass das Gesamtbild nur minimal beeinflusst wird, kann jedoch bei hoher Komprimierung spürbar sein.

JPEG-Artefakte sehen am häufigsten aus wie blockige Farbabschnitte. Sie sind dort zu sehen, wo sich in einem großen Farbfleck eine subtile Farbveränderung abzeichnet - z. B. bei blauem Himmel oder einer nebligen Szene. Die Artefakte sehen eher aus wie gezackte Konturen einer bestimmten Farbe als wie eine glatte Mischung.

Bei stärker komprimierten Szenen können Artefakte auch um die Grenzen von Motiven gesehen werden - z. B. die Zweige eines Baumes vor einem hellen Himmel. Diese sehen aus wie fleckige Blöcke, die das Motiv umgeben.

Der beste Ansatz zur Reduzierung von Artefakten ist:

1. Behalten Sie immer das Originalbild bei - speichern Sie kein komprimiertes JPEG, öffnen Sie es später erneut und speichern Sie es erneut. Ein extremes Beispiel dafür finden Sie in Generation Loss , einem Video, das ein Bild zeigt, das 600-mal neu komprimiert wurde.
2. Speichern Sie unter Berücksichtigung der Dateigrößenbeschränkungen so hohe Qualität wie möglich.
3. Vermeiden Sie Dienste, die Ihre Bilder stark rekomprimieren - hosten Sie sie gegebenenfalls woanders und verknüpfen Sie sie direkt.

Weitere Informationen finden Sie unter http://photo.net/learn/jpeg/.