Das JPG-Format

Level:Fortgeschritten
Anwendung:Hintergrundwissen

Das JPG-Format anschaulich erklärt - wie funktioniert es, was bringt es, warum ist es für Fotos so gut geeignet. Plus: wann welche Qualitätsverluste auftreten, mit Bildbeispielen.

Was ist JPG oder JPEG?

Screenshot Dateigrößen JPG, NEF, PNG, TIF

JPG oder JPEG ist das häufigste Format für Dateien mit digitalen Fotos. Ob eine Datei .jpg oder .jpeg heißt, ist egal; .jpg ist nur die bei Dateinamen übliche Verkürzung von .jpeg auf drei Buchstaben.

JPEG heißt die Organisation, die dieses Format 1992 definiert hat (ausgeschrieben: Joint Photographic Experts Group), dahinter stehen die mehrere für internationale Standardisierungen zuständige Organisationen (ISO und die weniger bekannten IEC und ITU).

Es hat für die Digitalfotografie einleuchtende Vorteile:

  • Kleine Dateigrößen, also weniger Speicherbedarf auf Festplatten, Speicherkarten und eine schnellere Übertragung über das Internet. Die Logik zur Komprimierung der Daten  ist so entwickelt, dass sie bei Fotos besonders gut funktioniert.
  • Die Komprimierung ist sehr variabel, man kann von einem Ausgangsbild je nach Bedarf unterschiedlich große Dateien erzeugen. In der bestmöglichen JPG-Qualität ist die Dateigröße schon massiv reduziert und damit verbundene Qualitätsverluste sind nur theoretisch vorhanden, nicht sichtbar. Wenn eine Bilddatei besonders klein werden soll, kann man die Komprimierung erhöhen und den Speicherbedarf zu Lasten der Bildqualität massiv weiter verkleinern.

JPG-Dateigröße im Vergleich zu anderen Formaten

Hier ein Beispielfoto, das aus der Kamera eine Auflösung von 24 Megapixel (MP) hat. Jeder Pixel hat drei Farbwerte für Rot, Grün, Blau, die jeweils ein Byte benötigen. Ohne Komprimierung benötigt ein solches Foto ca. 24 × 3 = 72 Millionen Bytes = knapp 70 Megabyte (MB). Ich habe das Bild in bestmöglicher JPG-Qualität sowie ein paar anderen Dateiformaten abgespeichert, das Ergebnis ist eindeutig: 

  • Ganz oben die Dateigröße ohne Komprimierung (TIF-Format), die zuvor geschätzten fast 70 MB.
  • Darunter drei andere Dateitypen als JPG:
    • das für alle möglichen Dateitypen weit verbreitete ZIP-Verfahren
    • TIF-Format mit einer verlustfreien Komprimierung – 30 MB, etwas weniger als die Hälfte.
    • PNG, ein Dateiformat, das für Grafiken verbreitet und vorteilhaft ist; bei Fotos produziert es jedoch sehr große Dateien.
  • JPG in bestmöglicher Qualität braucht rund 13 MB – weniger als ein Fünftel der Ausgangsdaten und weniger als die Hälfte von PNG- und TIF-Format darüber.

Die JPG-Komprimierung wirkt bei detailreichen Fotos weniger stark und kann daher je nach Motiv schwanken, der Vorteil für JPG bleibt aber bestehen. Wenn dein Foto z.B. nur aus Himmel und Wolken bestehen sollte, kann die JPG-Datei nur halb so groß ausfallen.

Ein Qualitätsverlust ist in der bestmöglichen JPG-Qualität nicht zu sehen, der Vollständigkeit halber kommt trotzdem ein Vergleich mit dem verlustfreien PNG-Format.
Ich habe Unterschiede zusätzlich sozusagen mit der Lupe gesucht, dazu in Photoshop eine Differenz der Bilder erstellt und analysiert. Ergebnis: Es lassen sich dann minimale Abweichungen aufspüren, aber unter dem, was das Auge wahrnehmen kann.

JPG-Dateigrößen mit unterschiedlicher Komprimierung

Das JPG-Format kann noch deutlich weitergehen; die Komprimierung ist einstellbar. Hier beispielhaft ein Screenshot aus den verbreiteten Bildbearbeitungsprogrammen Lightroom und DxO PhotoLab. Auch Kameras haben oft Einstellungsmöglichkeiten für die JPG-Qualität mit Bezeichnungen wie z.B. Fein/Standard, FINE/NORM/BASIC oder ähnlich.

Dass der Regler die Beschriftung „Qualität“ trägt, ist üblich, aber irreführend; wenn du ihn bewegst, ändert sich die Stärke der JPG-Komprimierung. Die Qualität nimmt damit nicht kontinuierlich ab, wie die Beschriftung und eine Skala von 0-100 suggerieren. Das klingt so, als ob du bei 80 nur 80% der ursprünglichen Qualität bekommst. So ist es nicht.

Der oberste Balken dieser Grafik ist die minimale Kompression / maximale Qualität von 100, entspricht dem untersten aus der ersten Grafik. Die Dateigröße fällt mit 90, 80 rasch erneut um mehr als die Hälfte und dann immer langsamer.

Die untersten Werte haben keine praktische Bedeutung; da werden Qualitätsverluste unübersehbar und wer schiebt schon freiwillig den Qualitäts-Regler fast ganz bis nach links? 

Eine „JPG-Qualität“ von 80 komprimiert für das Beispielfoto die Dateigröße erneut um mehr als die Hälfte, auf weniger als 10% der Ausgangsgröße – immer noch ohne sichtbare Qualitätsverluste.

Warum ist JPG für Fotos besonders geeignet?

Die Komprimierung der Datenmenge verwendet zwei bei digitalen Fotos besonders wirksame Methoden:

Unterschiedliche Auflösung für Helligkeit- und Farbinformationen | Das menschliche Auge nimmt Helligkeitsunterschiede empfindlicher wahr als Farbunterschiede. Das Speichern eines digitalen Fotos im JPG-Format nutzt das clever aus:

  • Die Ausgangsdaten mit drei Farbinformationen für Rot, Grün, Blau werden in eine andere Darstellung aus Helligkeit und Farbigkeit umgewandelt. Fachsprachlich: Luminanz und Chrominanz, abgekürzt YCbCr. Eine solche Codierung farbiger Bilder geschieht auch bei Videosignalen.
  • Der Trick: Die Helligkeitsinformationen bleiben in voller Auflösung erhalten; die Farbinformationen können in niedrigerer Auflösung gespeichert werden, je nach Stärke der Komprimierung. Die Datenmenge kann mit geringer oder nicht wahrnehmbaren Qualitätsverlusten erheblich sinken.

Für Fotodaten besonders effektive mathematische Verfahren | Ein Merkmal von Fotodaten ist, dass benachbarte Bildpunkte meist sehr ähnlich zueinander sind. So gut wie nie exakt gleich, auch bei scheinbar einheitlichen Flächen wie einem blauen Himmel nicht. Und auch nie mit ganz abrupten Änderungen wie in einem gestochen scharfen Textdokument. Farb- und Helligkeitsübergänge sind in Fotos fast immer kontinuierlich und auch an scheinbar scharfen Kanten nicht sprunghaft von einem Pixel zum nächsten.

Die JPG-Komprimierung beschreibt für kleine Blöcke von benachbarten Pixeln die dort vorhandenen Datenmuster mit einer mathematischen Funktion. So können die im Originalbild vorhandenen Daten aus der JPG-Datei näherungsweise rekonstruiert werden – mehr oder weniger genau, mit minimalen oder größeren Abweichungen.

Die Mathematik dahinter ist kompliziert, eine sog. diskrete Cosinus-Transformation, die man auch im Mathe-Leistungskurs bis zum Abitur nicht kennenlernt und selbst zwei von mir befragte Mathematiklehrer konnten mit diesem Begriff nichts anfangen.

In diesem mathematischen Verfahren steckt auch der Grund, weshalb die Komprimierung bei detailreichen Bildern weniger effektiv ist als bei Motiven mit vielen glatten Flächen und langsamen Farbverläufen.

Die Qualitätsverluste fallen am ehesten auf bei

  • exakt scharfen Kanten, daher sind z.B. für Schrift oder Grafiken mit dünnen Linien andere Dateiformate besser geeignet
  • feinen Strukturen, z.B. eine Wiese mit feinen Grashalmen, Oberflächenstrukturen.

Mögliche Qualitätsverluste im JPG-Format

Artefakte und blockartige Muster

Artefakte sind allgemein etwas künstlich Geschaffenes, in digitalen Fotos nennt man so Bildstörungen, die erst bei der späteren Bildverarbeitung entstehen, nicht von der ursprünglichen Aufnahme stammen.

In JPG-Dateien treten Artefakte vor allem auf:

  • an scharfen Kanten, zuvor saubere Übergänge erscheinen körnig, um sie herum erscheinen einzelne leicht abweichende Pixel
  • auf sehr glatten Flächen, zuvor kontinuierliche Farbverläufe können blockartige Muster bekommen.

    Hier ein Ausschnitt aus dem Beispielfoto mit verschiedenen JPG-Komprimierungen, wo bei hoher Komprimierung die blockartigen Muster sichtbar werden. 

    Um einzelne Artefakte zu entdecken, muss man schon sehr genau hinsehen, dazu habe ich von dem Originalbild und zwei niedrigen JPG-Komprimierungen einen noch kleineren Ausschnitt in 4-facher Vergrößerung hinzugefügt.

    Es veranschaulicht die feinen Ungenauigkeiten, die tatsächlich auch bei hohen Qualitätsstufen vorhanden sind, aber wirklich relevant sind diese Bildstörungen nicht... um sich daran zu stören, muss man schon ein Bild buchstäblich mit der Lupe untersuchen.

    In Bildpartien mit feinen Details und Strukturen gehen einzelne durch die Komprimierung geänderte Pixel unter und sind nicht einzeln erkennbar. Dort wird der Gesamteindruck verschwommener.

    Leichte Farbverschiebungen

    Infolge der JPG-Komprimierung können sich Farbtöne minimal verschieben. Um diesen Effekt zu veranschaulichen, habe ich zu einer künstlich erstellten Grafik gegriffen, da in Fotos auch einfarbige Flächen nicht perfekt gleichfarbige Pixel ergeben, der Effekt ist dort schwer zu beobachten.
    Sechs Kreise in den Grundfarben Rot, Grün, Blau und deren Mischungen mit voller Sättigung erscheinen nach dem Speichern als JPG minimal anders: Rot hat nur noch einen Tonwert von 254 statt 255, der grüne Kreis hat plötzlich einen Blauanteil von 1 statt 0, andere sind exakt wie zuvor. Die Änderungen treten in dem Beispiel bereits bei bester JPG-Qualität auf, werden dafür aber bei stärkerer Komprimierung nicht größer.

    Das sind sehr feine Änderungen, in realen Fotos praktisch nicht zu beobachten – es sei denn, sie betragen mal 2 oder gar 3 und man legt Fotos direkt übereinander, um wie ein Detektiv nach Unterschieden zu suchen.

    Mehrmaliges Speichern eines Fotos

    Wenn du ein JPG-Foto erneut speicherst, führt die Komprimierung jedes Mal erneut zu Qualitätsverlusten – das ist theoretisch nicht zu bestreiten. Erneut ist das aber kaum zu sehen, nicht wirklich praxisrelevant. Ich habe das obige Beispielfoto 12 Mal geöffnet und erneut gespeichert, jedes Mal in JPG-Qualität 80. Vergleiche selber...

    Bewertung der Qualitätsverluste

    Man kann viele Warnungen über Qualitätsverluste beim JPG-Format im Internet finden, ich würde mir darüber keinen Kopf machen. Sie spielen in der Praxis praktisch keine Rolle, solange du besonders hohe Komprimierungen vermeidest. 

    In allen Kameras und Bildverarbeitungsprogrammen kannst du davon ausgehen, dass eine hohe JPG-Qualität von z.B. 90 voreingestellt ist. Eher eine höhere als nötig, ich habe schon oft JPG-Fotos, wie sie aus der Kamera kamen, erneut komprimiert und ohne sichtbare Einbußen drastisch Speicherplatz gespart.

    Du musst Fotos nicht nur sehr genau, sondern auch in voller Größe betrachten, damit eventuelle Verluste sichtbar werden.

    Meine Hausnummern zum leichten Merken:

    • Eine JPG-„Qualität“ von 80 ist vollkommen ok und ohne sichtbare Qualitätsverluste; 
    • mit 90 bist du auf der sicheren Seite. 
    • 100 liefert deutlich größere Dateien und keine wahrnehmbaren Vorteile. 
    Erinnerung: Die Bezeichnung „JPG-Qualität“ in Bildbearbeitungsprogrammen und Kamera-Einstellungen ist irreführend. Dort stellst du die JPG-Komprimierung ein, die Qualität nimmt nicht kontinuierlich ab.

    Andere Faktoren spielen eine viel größere Rolle, wenn du insgesamt mit der Qualität von Fotos nicht zufrieden sein solltest. Ganz oben steht da Rauschreduzierung, die Fotos verschmiert aussehen lässt und natürlich alle anderen Gründe für unscharfe Bilder.


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