Als meine Kinder klein waren, liebten sie es wie alle Kinder, Stunden mit ihren «Malen nach Zahlen»-Ausmalbüchern zu verbringen. Darin ist auf jeder Seite ein Umriss eines Tieres oder einer Szene abgebildet, und man muss jeden Fleck der Zeichnungen mit dem Farbstift ausfüllen, der durch eine Zahl in dem Fleck angegeben wird: Null für Schwarz, Eins für Rot, Zwei für Grün und so weiter. Die Schwierigkeit besteht darin, exakt innerhalb der Linien zu bleiben!
In denselben Jahren, als meine Kinder eine Menge Farbstifte aufbrauchten, war ich an den Forschungen beteiligt, einen neuen und besseren Standard für JPEG-Komprimierung zu bestimmen. Den Algorithmus, den jeder benutzt, um digitale Bilder zu speichern und zu teilen. Digitale Fotografien beanspruchen im Rohformat viel Speicherplatz. Selbst bei Einsteigerkameras benötigt heute jedes Foto mehr als 20 Megabytes Speicherplatz. Dank JPEG können wir den erforderlichen Platz mindestens um den Faktor 10 reduzieren und viel mehr Bilder in unseren Handys aufbewahren.
Nicht jedes Pixel muss wie ein Pixel behandelt werden
Interessanterweise teilen JPEG und Ausmalbücher ein ähnliches Konzept. Und so funktioniert JPEG: Wenn Sie während Ihres Urlaubs ein Bild am Strand oder in den Bergen aufnehmen, gibt es normalerweise einen grossen Bereich, in dem nicht viel passiert, wie etwa eine einheitliche Stelle blauer Himmel. Mit anderen Worten: Benachbarte Regionen blauer Pixel formen eine Stelle, die nahezu einheitlich ist. Dadurch muss nicht jedes Pixel wie ein einzelner Punkt behandelt werden. Stattdessen kann man einen Block von 8 mal 8 oder 64 blauen Pixeln in der Himmelsregion nehmen und sie zusammen speichern. Man nutzt ihre Ähnlichkeit aus. Statt jedes Pixel blauer Himmel unabhängig zu speichern, genügt es, dem Computer zu sagen, dass er «dieses blaue Pixel 64-mal wiederholen soll». Auf diese Weise können wir es schaffen, diesen Block aus 8 mal 8 Pixeln blauer Himmel zu einem einzigen Stück Information zu komprimieren und eine Menge Platz auf unseren Festplatten einzusparen. Natürlich gibt es offensichtlich Bruchstellen zwischen ähnlichen Regionen, diese sind wie die Ränder im Ausmalbuch: Wir müssen aufmerksam sein, um sie zu erkennen und mit unseren Farben nicht «darüber zu malen»!
Mehr Komprimierung bedeutet weniger Präzision
Kurzum, wenn Sie ein Bild in Ihrem elektronischen Fotoarchiv mit der bekannten Erweiterung «.jpg» speichern, nutzt ein Komprimierungsalgorithmus mehrere clevere Tricks, um mit zusammenhängenden Stellen benachbarter Pixel umzugehen und das meiste aus der Redundanz herauszuholen. Dies geschieht superschnell dank einer Technik, die mit der schnellen Fourier-Transformation (FFT) verwandt ist, über die ich in einer anderen Kolumne geschrieben habe.
Sie können das Komprimierungsniveau wählen: Mehr Komprimierung bedeutet eine kleinere Datei zum Preis weniger präziser Stellen und einer reduzierten Bildqualität. Wenn Sie das Foto schliesslich erneut anzeigen, macht der JPEG-Dekomprimierungsalgorithmus all dies rückgängig und stellt das vollständige Bild wieder her, indem er «die Flecken» Ihres eigenen digitalen Ausmalbuchs «einfärbt»!