Die Relevanz der Bilkompressionsalgorithmen im Kontext der Milliarden täglich kreierter und veröffentlichter Bilder ist gegenwärtig größer denn je. Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche Bildkompressionsalgorithmen entwickelt, um den steigenden Anforderungen moderner Anwendungen gerecht zu werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei Vertretern moderner Codecs: AVIF, Webp und JPEG XL. Die Evaluation umfasst einen vergleichenden Überblick über die Komponenten jedes Encoders, welche durch die Referenzimplementierungen bereitgestellt werden. Im Anschluss erfolgt eine kombinierte Leistungsanalyse der Encoder sowie eine Bildqualitätsanalyse. Die Ergebnisse der Leistungsanalyse zeigen, dass WebP generell am schnellsten kodiert und für Bilder mit geringer Auflösung und vergleichbarer Bildqualität auch die besten Kompressionsleistung aufweist. JPEG XL zeigt für Bilder mit höherer Auflösung und vergleichbarer Qualität die beste Kompressionsleistung.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Überblick über WebP, AVIF und JPEG XL . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Verwandte Arbeiten 5 2.1 Grundlagen der Leistungsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Einschränkung und Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Leistungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.3 Bildqualitätsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Veröffentlichungen der Entwickler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 WebP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 AV1 Image File Format (AVIF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.3 Joint Photographic Experts Group (JPEG) XL . . . . . . . . . 13 2.3 Veröffentlichungen dritter Autoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Encoder-Analyse 19 3.1 Vorverarbeitung und Farbmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2 Blockpartitionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3 Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.4 Quantisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5 Intraframe-Prädiktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.6 In-Loop-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.7 Entropiekodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.8 Out-Of-Loop-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.9 Fazit der theoretischen Analyse und Entwurf der Arbeitshypothesen . 32 4 Entwurf der Experimente 37 4.1 Entwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Allgemeines Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Experiment 1: Übersichtsbetrachtung und Skalierung der Geschwindigkeitsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4 Experiment 2: Skalierung bezüglich Auflösung . . . . . . . . . . . . . 41 4.5 Experiment 3: Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für niedrigaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.6 Experiment 4: Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für hochaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.7 Experiment 5: Decode-Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Ergebnisse der Experimente 45 5.1 Ergebnisse von Experiment 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Ergebnisse des Skalierungsverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3 Ergebnisse der Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für niedrigaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.4 Ergebnisse der Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für hochaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.5 Ergebnisse der Decode-Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 54 6 Konklusion 55 6.1 Diskussion und Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.2 zukünftige Arbeiten und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 / Image compression performance has never been more relevant with billions of images created and shared on a daily basis. Over the years, numerous new image codecs have been proposed with enhanced compression performance to meet the demands of modern applications. This study evaluates three of the modern codecs: AVIF, WebP and JPEG XL, with a focus on encoder performance and image quality analysis. The evaluation comprises a theoretical overview of the components of each encoder, as specified by the reference implementations, followed by a combined performance analysis of the encoder and an image quality analysis. The results of the performance analysis show, that AVIF demonstrates the best scaling for increased resolution while WebP generally encodes the fastest. Images with comparable visual quality, as measured via SSIM, are evaluated for a dataset comprising smaller photographic images and larger photographic images. WebP exhibits the best compression performance for small images, whereas JPEG XL demonstrates the best performance for larger Resolutions.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Überblick über WebP, AVIF und JPEG XL . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Verwandte Arbeiten 5 2.1 Grundlagen der Leistungsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Einschränkung und Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Leistungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.3 Bildqualitätsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Veröffentlichungen der Entwickler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 WebP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 AV1 Image File Format (AVIF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.3 Joint Photographic Experts Group (JPEG) XL . . . . . . . . . 13 2.3 Veröffentlichungen dritter Autoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Encoder-Analyse 19 3.1 Vorverarbeitung und Farbmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2 Blockpartitionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3 Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.4 Quantisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5 Intraframe-Prädiktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.6 In-Loop-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.7 Entropiekodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.8 Out-Of-Loop-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.9 Fazit der theoretischen Analyse und Entwurf der Arbeitshypothesen . 32 4 Entwurf der Experimente 37 4.1 Entwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Allgemeines Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Experiment 1: Übersichtsbetrachtung und Skalierung der Geschwindigkeitsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4 Experiment 2: Skalierung bezüglich Auflösung . . . . . . . . . . . . . 41 4.5 Experiment 3: Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für niedrigaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.6 Experiment 4: Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für hochaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.7 Experiment 5: Decode-Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Ergebnisse der Experimente 45 5.1 Ergebnisse von Experiment 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Ergebnisse des Skalierungsverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3 Ergebnisse der Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für niedrigaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.4 Ergebnisse der Kompressionsleistung und Encode-Geschwindigkeit für hochaufgelöste Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.5 Ergebnisse der Decode-Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 54 6 Konklusion 55 6.1 Diskussion und Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.2 zukünftige Arbeiten und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58