Vorteile integrierter JPEG-Bildkompression

Wird eine Bildkomprimierung direkt in der Kamera umgesetzt, ergeben sich für den Systemaufbau und die flexible, kostengünstige Nutzung viele Vorteile.


Funktionsweise JPEG-Bildkompression

1992 wurde der Standard ISO/IEC 10918 durch die Joint Photographic Experts Group (JPEG) veröffentlicht und umfasst mehrere Teile, insbesondere die eigentliche Kompression einzelner Fotos sowie das Format zum Abspeichern JFIF (JPEG File Interchange Format). Es ist eines der am meisten genutzten Bildformate.

Die Kompression erfolgt in mehreren Teilschritten. Farbbilder werden vom RGB-Farbraum in das Farbmodell YCbCr konvertiert. Dieses besteht aus der Luminanz Y (Helligkeit) und den beiden Farbkomponenten Cb (Blau-Gelb Chrominanz) und Cr (Rot-Grün Chrominanz). Durch eine Tiefpassfilterung und Unterabtastung werden die Farbinformationen reduziert. Dabei wird ausgenutzt, dass das menschliche Auge Farben deutlich geringer als Helligkeitsunterschiede auflöst.

Von links nach rechts: Originalbild (RGB-Farbraum) und dessen Aufspaltung in die Komponenten Y, Cb und Cr.
Nach der Konvertierung erfolgt für jede Komponente (Y, Cb und Cr) eine Einteilung in 8×8-Blöcke sowie deren diskrete Kosinustransformation (DCT). Die eigentliche Datenreduktion wird durch eine sich anschliessende Quantisierung erreicht. Den Abschluss der Bildkomprimierung bilden eine frequenzentsprechende Umsortierung der Koeffizienten und eine Entropiekodierung. Für eine hohe Performance, können diese Prozesse parallel ausgeführt werden.
Ablauf JPEG-Bildkompression
Die JPEG-Kompression ist grundsätzlich verlustbehaftet, da die Bildqualität reduziert wird. Für monochrome Bilder ist eine Kompressionsrate im Bereich 5:1 visuell verlustfrei. Bei einer Rate von 10:1 ist die Qualität für viele Applikationen ausreichend. Höhere Kompressionsraten führen jedoch im Bild zu starken Artefakten wie Blockbildung und Stufen an Kanten. Bei Nutzung von RGB-Farbbildern können Kompressionsraten von 12:1 für visuell verlustfrei bzw. 35:1 für gute Qualität genutzt werden.

Umsetzung in den LXT-Kameras

Die LXT-Kameras basieren auf modernen CMOS-Sensoren mit hoher Auflösung und Geschwindigkeit. Unkomprimierte Bilder werden über die schnelle 10 GigE-Schnittstelle direkt zum PC übertragen. Die JPEG-Kompression kann als Feature optional im Camera Explorer oder SDK aktiviert werden. Dazu muss zunächst ein für die Applikation passendes Pixelformat ausgewählt werden (Mono8 oder YCbCr422_8). Im Anschluss kann die integrierte JPEG-Bildkompression per Parameter „Image Compression Mode“ = JPEG einfach per Knopfdruck aktiviert werden.
Die JPEG-Kompressionsrate kann im Bereich 30-100% flexibel über den Parameter „Image Compression Quality“ konfiguriert werden und ermöglicht so eine individuelle Abstimmung der Bildqualität auf die jeweilige Anwendung.
Von links nach rechts: Original-Bild, 80%-Komprimierung (8:1), 30%-Komprimierung (16:1)
Es werden monochrome oder farbige 8-Bit-Bilder unterstützt. Eine hochwertige Farbrechnung (z.T. in einer 5×5-Umgebung) sowie Konvertierung zu YCbCr422_8 wird für Farbkameras ausgeführt. Die JPEG-Bildkompression erfolgt dabei sequentiell mit voller Sensor-Performance. Die zusätzliche Latenz durch die Kompression ist vernachlässigbar. Die Implementierung erfolgt auf Basis des GigE Vision 2.0 Standards per JPEG Payload Typ. Der erzeugte JPEG-Strom enthält alle Header und kann direkt in ein JPEG-File gespeichert werden. In den Metadaten werden ein Zeitstempel sowie die ROI-Position im JPEG-Strom mit übertragen. Ein Vorschaubild oder die parallele Übertragung von Original- und JPEG-Bild ist nicht vorgesehen.

Anwendungsbeispiele

JPEG-Bildkompression kann überall dort eingesetzt werden, wo Bildsequenzen über einen längeren Zeitraum benötigt werden. Insbesondere wenn die Bandbreite der Übertragung oder des Speichermediums begrenzt ist oder der PC die zusätzliche Verarbeitung z.B. für mehrere Kameras nicht ausführen kann. Da sich die Bildqualität im Vergleich zum Original etwas reduziert, ist eine Anwendung für messtechnische Applikationen nicht empfehlenswert.

Software Support

Zur einfachen Einbindung und Nutzung der VLXT.JP-Kameras stehen verschiedene Software Optionen zur Verfügung.


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