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Das JPG-Format: Datenkomprimierung, Bildqualität und QualitätsverlusteWorum es gehtDas Dateiformat „.jpg“ oder „.jpeg“ ist der maßgebliche Standard für das Speichern digitaler Fotos. Jede Digitalkamera bietet dieses Format an, entweder ausschließlich oder zusätzlich zu den Alternativen „RAW“ und manchmal „TIFF“. Es bringt jedoch Qualitätsverluste mit, die – je nachdem, welche Einstellungen Sie wählen – unterschiedlich stark sichtbar sein können.
Ein zweiter Teil wird praktische Tipps rund um das JPG-Format zusammenstellen. Ebenso einem späteren Artikel vorbehalten ist die vieldusktierte Frage „JPG oder RAW?“ . Zum Namen „JPG“ und weshalb dieses Dateiformat so wichtig istDie Dateiendung .jpg ist eine Abkürzung für die gelegentlich auch verwendete .jpeg und „JPEG“ steht für „Joint Photographic Experts Group“; ein Zusammenschluss von Firmen und Forschungsinstituten, das dieses Format im Jahr 1992 einführte. Das JPG-Dateiformat hat sich durchgesetzt, da es für Fotos besonders geeignet ist; technischer ausgedrückt: für Bilder mit dem vollen Farbumfang, den Computer bieten und überwiegend ähnlichen Farben zwischen den benachbarten Punkten eines Bildes – wie es typischerweise bei Fotos der Fall ist. Ohne Komprimierung würde jeder Punkt eines Farbbildes drei Byte für die drei Farbanteile rot, grün, blau erfordern und ein Bild von z.B. 10 Megapixeln rund 30 Megabyte belegen, wie Sie es Sie im sogenannten „Bitmap“ Dateiformat (.bmp) erhalten. Hintergrund: Wie die Komprimierung in JPG-Dateien funktioniertKomprimierung bedeutet eine Verringerung der zum Speichern benötigten Datenmenge und damit der Dateigröße eines Bildes. Das hinter dem JPG-Format stehende Verfahren ist mathematisch kompliziert und daher nur als überblicksartiges Hintergrundwissen beschrieben. Eine Farbraumkonvertierung wandelt die Darstellung der Bildpunkte aus der üblichen Form dreier Zahlen von 0 bis 255 für drei Rot-, Grün- und Blauanteile (RGB-Farbraum) in eine Darstellung um, die einen Wert für die Helligkeit (genauer: die Luminanz) jedes Bildpunktes und zwei für die Farbe (genauer: die Chrominanz) verwendet (YCrCv-Farbraum) – ein Verfahren, das übrigens auch bei Videosignalen verwendet wird. Die Farbsignale können daher in geringerer Auflösung gespeichert werden, was zu einer Reduzierung der Datenmenge führt. Manche Bildbearbeitungsprogramme bieten hierzu eine Einstellung „Sub-Sampling“ an. Praktisch bedeutet dies, dass zwei oder sogar vier benachbarten Pixeln die gleiche Farbe zugewiesen wird – aber nicht die gleiche Helligkeit, die ja in voller Auflösung separat gespeichert wird. Nach einer Teilung in Blöcke von 8x8 Pixeln hilft eine diskrete Kosinus-Transformation, die zuvor gewonnenen Bilddaten durch eine kleinere Menge von Daten näherungsweise abzubilden.
Aus dem selben Grund übergehen wir hier auch weitere Rechenschritte (Quantisierung, Huffman-Kodierung), die bei der JPG-Komprimierung im Hintergrund stattfinden. Praxis: Der Qualitätsverlust durch die KomprimierungBestmögliche JPG-Qualität
Von den beiden rechts stehenden Bildern dienen die markierten kleinen Ausschnitte im folgenden der Veranschaulichung der möglichen Qualitätsverluste. Es handelt sich um ein Bild mit größeren schwach strukturierten Flächen und ein detailreiches Bild, so dass die Komprimierung unterschiedlich gut funktionieren wird. Beide haben ursprünglich 10 Megapixel als volle Auflösung.
Beginnen wir mit den beiden Ausschnitten in bestmöglicher Qualität – beide aus RAW-Daten erzeugt und ohne Qualitätsverlust (im BMP-Format) gespeichert. Sie sehen Ausschnitte in 100% Vergrößerung (d.h. ein Punkt der Bilddatei = ein Pixel auf Ihrem Bildschirm). Beachten Sie: Das vollständige Bild wäre in dieser Auflösung (abhängig von Ihrem Monitor) ca.1 - 1,3m breit – eine Vergrößerung, die Sie normalerweise nicht benutzen werden. Man könnte in Anlehnung an einen uralten Werbespot sagen: „Wie Sie sehen, sehen Sie nichts!“. Halten wir also zunächst fest: Eine pauschale Aussage wie „Meiden Sie das JPG-Format, da die Datenkomprimierung Qualitätsverluste bringt“ ist falsch..
In den gezeigten Beispielbildern sind die Dateigrößen ohne sichtbaren Qualitätsverlust schon auf weniger als die Hälfte bzw. fast ein Drittel gegenüber dem Ausgangsbild geschrumpft. Leichte FarbverschiebungenLeichte Farbverschiebungen bei den einzelnen Pixeln liegen in der Natur des JPG-Verfahrens und sind auch bei bester JPG-Qualität vorhanden – aber für die sichtbare Bildqualität praktisch ohne Bedeutung. Links stehend sehen Sie das gleiche Ausgangsbild wie zuvor – unkomprimiert, ohne jeglichen Qualitätsverlust (Bitmap-Format). Wenn Sie mit dem Mauszeiger darüberfahren, erscheint ein JPG-Bild hoher Qualität, stärker komprimiert als zuvor auf weniger als ein Zehntel der unkomprimierten Dateigröße. Wenn Sie wirklich genau hinschauen, gibt es im direkten Vergleich leichte Farbverschiebungen (z.B. um den dunklen Fleck in der roten Blüte) – wenn Sie aber nur eines der Bilder für sich betrachten, ist es unmöglich, zu sagen, welche Punkte eine leicht „falsche“ Farbe haben. Darauf beruht der Erfolg des JPG-Formates: Dass eine hohe Komprimierung ohne sichtbare Qualitätsverluste möglich ist. Ich greife ergänzend zu einem künstlich per Software erzeugten Bild, um den Effekt der Farbverschiebungen etwas besser sichtbar zu machen: Ein einfarbiger Kreis mit sehr scharfen Kanten vor einem exakt einfarbigen Hintergrund, beides werden Sie so nie auf Ihren Fotos finden. JPG-ArtefakteJPG-Artefakte sind Bildstörungen, die vor allem an scharfen Kanten auftreten und die zuvor sauberen Übergänge körnig erscheinen lassen. Fahren Sie erneut mit dem Mauszeiger über die Bilder, um diesen Effekt zu sehen.
Da die JPG-Artefakte in den Beispielbildern in einer Größe von 100% immer noch recht klein sind, ergänze ich den künstlich erstellten Kreis in der gleichen Qualität und mit einem vergrößerten Ausschnitt.
Blockartige Muster und Verlust von DetailsBei noch stärkerer JPG-Komprimierung zeigen sich die bei der Umwandlung benutzten Blöcke von 8x8 Pixeln zusätzlich; wer ganz genau hingeschaut hat, hat sie in Ansätzen auch im vorigen Abschnitt schon entdeckt. Rechts sehen Sie ein abermals auf ca. die Hälfte komprimiertes Bild (wir sind inzwischen bei weniger als einem Dreißigstel der unkomprimierten Dateigröße) und diesmal die bessere JPG-Qualität im Vergleich, wenn Sie den Mauszeiger über das Bild bewegen. Die Komprimierung ist wesentlich stärker, als Ihre Digitalkamera sie zulässt und sicher auch stärker, als Sie sie in Bildbearbeitungsprogrammen wählen würden – wer schiebt schon einen mit „Qualität“ oder ähnlich beschrifteten Regler freiwillig bis zum Anschlag nach links?
Auch hier zur Veranschaulichung eine Ausschnittsvergrößerung auf 200%, um die Unterschiede besser sichtbar zu machen. Wie zuvor können Sie durch Überfahren mit dem Mauszeiger den direkten Vergleich studieren. Bildqualität und DateigrößeDie folgende Tabelle veranschaulicht die in den obigen Beispielen entstandenen Dateigrößen (zur Erinnerung: Auflösung der Ausgangsbilder ist 10 MP). Die JPG-Komprimierung wird aber nicht einheitlich festgelegt: Bildbearbeitungsprogramme können für die Bildqualität eine Skala bis 100 anbieten, Photoshop verwendet z.B. aber eine Skala von 1 bis 12 und Kameras haben in der Regel nur zwei oder drei verschiedene, mit Namen bezeichnete Stufen.
ZusammenfassungBitte seien Sie nicht enttäuscht, wenn Sie die beschriebenen Qualitätsverluste nur schwer in den Beispielbildern erkennen konnten und dafür vielleicht sogar mit leicht zusammengekniffenen Augen dicht an den Monitor rutschen mussten. Und bitte lasten Sie das nicht schlecht gewählten Beispielbildern an: Das in der Digitalfotografie allgegenwärtige JPG-Format bietet eine erhebliche Verkleinerung der zum Speichern von Bildern benötigten Datenmengen mit Hilfe von zwei Tricks:
Bei Fotos mit wenig feinen Strukturen (z.B. Himmel, Wolken) funktioniert die Komprimierung effektiver als bei detailreichen Fotos (z.B. Bäume mit vielen Blättern). Die Stärke der Komprimierung ist veränderbar und kann in der Bildbearbeitung und Ihrer Kamera eingestellt werden.
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