Vergleichende Studie

Vergleichende Studie von WebP, JPEG und JPEG 2000, September 2010

Hinweis:Wir haben diese erste Studie mit der ersten von uns veröffentlichten WebP-Version durchgeführt, in der die libvpx-Bibliothek verwendet wurde. Außerdem waren die Quellbilder JPEG-Bilder, die wir aus dem Web gecrawlt haben. Auf der Grundlage des Feedbacks der Community haben wir jetzt eine neue Studie mit Version 0.1.2 von libwebp durchgeführt, beginnend mit verlustfreien Bildern (PNG) als Quelle. Die neue Studie ersetzt diese Studie.

Das WebP-Team führte eine Vergleichsstudie mit drei Bildkomprimierungsmethoden an einem zufälligen Satz von 1 Million Bildern durch. Ziel der Studie war es, die mit diesen Methoden erreichte Komprimierung zu messen und die Vor- und Nachteile zwischen Bildgröße und Komprimierung zu analysieren.

Auf die 900.000 JPEG-Bilder im Datensatz wurden die drei Komprimierungsmethoden WebP, JPEG 2000 und Re-JPEG angewendet. JPEG-Bilder wurden mit Re-JPEG neu komprimiert, sodass jedes Bild so nah wie möglich an einem Zielwert für das maximale Signal-Rausch-Verhältnis (PSNR) lag. Das Team analysierte die Bilder, nachdem sie komprimiert waren.

Zusätzlich zu der groß angelegten Studie untersuchte das Team manuell 100 zufällig ausgewählte Bilder und stellte fest, dass WebP in den meisten Fällen eine akzeptable visuelle Qualität bietet.

Ergebnisse

WebP erreicht eine insgesamt höhere Komprimierung als JPEG oder JPEG 2000. Die Steigerung der Dateigröße ist besonders bei kleineren Bildern besonders hoch, die am häufigsten im Web zu finden sind.

Datensatz

Bei dem in der Studie verwendeten Dataset handelte es sich um eine Sammlung von 1 Million Bildern, die zufällig aus einem Repository von aus dem Web gecrawlten Bildern zusammengestellt wurden. Die folgende Tabelle zeigt die Verteilung der verschiedenen Bildtypen im Dataset.

Typ Anzahl
JPEG ~900.000
PNG ~47.000
GIF ~47.000
Sonstiges ~6.000

Aufbau des Experiments

Die Tests liefen in zwei Phasen:

  1. Das Team führte WebP mit den Bildern mit einem Ziel-PSNR von 42 aus. Sie stimmten den Qualitätsparameter (QP) für den WebP-Encoder so lange ab, bis ein Ergebnis erzielt wurde, das fast 42 für ein bestimmtes Bild lag. Der tatsächliche PSNR-Wert für jedes Bild betrug daher nicht unbedingt genau 42.

  2. Das Team hat den PSNR-Wert für die WebP-komprimierten Bilder als Ziel-PSNR für die JPEG 2000- und Re-JPEG-Bilder verwendet. Außerdem führte das Team eine Liniensuche zu den Qualitätsparametern der JPEG 2000- und JPEG-Bilder durch, um der Ziel-PSNR möglichst nahe zu kommen.

Das tatsächliche Komprimierungsergebnis wurde als Prozentsatz mit der folgenden Formel gemessen:

compression_percentage = 100 * (original_image.length - compressed_image.length) / original_image.length

Ergebnisse

Die Tests ergaben die folgenden Ergebnisse für eine negative und nicht negative Komprimierungsverstärkung:

Nicht negative Komprimierungszunahme

Das Team hat eine Methode nicht bestraft, wenn diese Methode die Bildgröße nach der Komprimierung erhöht. Das heißt, der „compression_percentage“-Wert wurde mit 0 berechnet, wenn der Wert für „Compression_image.length“ größer als „original_image.length“ war.

Negative Kompressionsverstärkung

Das Team führte die Ergebnisse mit negativen Prozentsätzen der Komprimierung ein, um ein besseres Verständnis der Rohleistung der verschiedenen Kompressoren zu erhalten.

Nachfolgend finden Sie die durchschnittlichen Prozentsätze der Komprimierung, die mit jeder der drei Methoden erreicht wurden.

Typ Durchschn. PSNR erhalten Durchschn. Komprimierung in %
(nicht negative Komprimierungsverstärkung)
Durchschn. Komprimierung in %
(negativer Komprimierungszuwachs)
WebP 39,38 41.30 39,80
JPEG 2000 39,49 27.67 9.71
Re-JPEG 39,36 22.37 14.62

Wenn negativer Komprimierungsgewinn erlaubt war, war die durchschnittliche Leistung für JPEG 2000 niedriger als die von JPEG. Dies kann auf Hochfrequenzartefakte in den JPEG-Bildern zurückzuführen sein. Diese Artefakte können zu einer weniger optimalen Komprimierungssituation beitragen.

Mit der Kakadu-Implementierung, die im Experiment zur Konvertierung in das JPEG 2000-Format verwendet wurde, konnten etwa 240.000 Bilder nicht konvertiert werden.

JPEG 2000 hatte niedrigere Prozentsätze für die Komprimierung als Re-JPEG. Das liegt hauptsächlich daran, dass viele Bilder mit JPEG 2000 negativ komprimiert wurden. Aus diesem Grund erzielten JPEG-Bilder einen niedrigeren Gesamtkomprimierungswert.

Die folgenden Abbildungen enthalten Verteilungsdiagramme für die drei Methoden:

Abbildung 1: Verteilung der Populationsgröße der Bildgröße

Das Diagramm zeigt, dass die meisten Bilder klein waren. Die Häufigkeit der Bilder mit einer Größe über 500.000 liegt in der Regel unter 100.

Abbildung 2: Prozentsätze der Komprimierung für WebP-, JPEG- und JPEG 2000-Bilder

Dieses Diagramm zeigt, dass der Textkörper der mit WebP komprimierten Bilder besser komprimiert wurde als Re-JPEG und JPEG 2000. Außerdem wurden die mit WebP komprimierten Bilder positiver komprimiert als die anderen.

Abbildung 3: Vergleich der Bildgrößen und des Prozentsatzes der Komprimierung

Dieses Diagramm zeigt, dass WebP eine bessere Komprimierung als die anderen Formate erzielt, insbesondere bei kleineren Bildern.