Kompressionskodierung

Kompressionskodierung bezeichnet Verfahren zur Reduktion der Datenmenge, indem Redundanzen in der Information ausgenutzt oder die Darstellung der Daten mit weniger Bits ermöglicht wird. Ziel ist es, Speicherbedarf und Übertragungsbandbreite zu verringern, ohne die beabsichtigte Nutzbarkeit wesentlich zu beeinträchtigen. Grundsätzlich werden zwei Arten unterschieden: verlustfreie Kodierung, bei der nach der Dekodierung die Originaldaten exakt wiederhergestellt werden, und verlustbehaftete Kodierung, bei der einige Details dauerhaft verloren gehen.

Verlustfreie Kompressionskodierung nutzt statistische oder dictionarybasierte Techniken, um häufig vorkommende Symbole mit kurzen Codes zu versehen. Bekannte Beispiele sind Huffman-Codierung, arithmetische Codierung, Lempel-Ziv-Welch (LZW) sowie Deflate- oder Run-Length-Codierung. Diese Verfahren nähern sich dem theoretischen Untergrenzwert der benötigten Bits, gemessen an der Entropie der Quelldaten.

Verlustbehaftete Kodierung transformiert und quantisiert Daten, sodass sie mit deutlich geringeren Bitraten wiederhergestellt werden können. Typische Schritte sind Transformation (z. B. Diskrete Kosinustransformation DCT oder Wavelet-Transformation), Quantisierung und anschließende Entropie-Kodierung der Koeffizienten. Dadurch entsteht eine kontrollierte Qualitätsminderung zugunsten der Datenreduktion. Verluste werden in vielen Anwendungen als akzeptabel oder sogar unmerklich bewertet.

Theoretisch bildet die Informationstheorie die Grundlage: Die Entropie der Quelle gibt die theoretische untere Grenze der durchschnittlich benötigten Bits pro Symbol an. Praktische Kodierungssysteme streben danach, diese Grenze möglichst nahe zu erreichen, oft unter Berücksichtigung von Fehlertoleranz, Komplexität und Anwendungsanforderungen.

Anwendungsgebiete umfassen Speicherung, Übertragung und Multimedia-Streaming. Bekannte Standards umfassen JPEG, MP3, AAC, H.264/AVC, HEVC und viele Deflate-basierte Formate. Die Bewertung von Kompressionskodierung erfolgt typischerweise anhand von Kompressionsverhältnis, Bitrate und Qualitätskennwerten wie PSNR oder SSIM.