Messung der Bildkompressionsqualität: Zusammenhang zwischen PSNR, SSIM und Qualitätsparametern

PSNR, Abkürzung für Peak Signal-to-Noise Ratio, ist mathematisch definiert als 10 multipliziert mit dem dekadischen Logarithmus des Kehrwertes des mittleren quadratischen Fehlers zwischen dem Originalbild und dem komprimierten Bild geteilt durch die maximale Signalleistung. Die Berechnung erfolgt auf Basis des globalen Fehlers von Pixelwerten, die Einheit ist dB.

Ein höherer PSNR-Wert weist auf einen geringeren Pixelfehler hin, aber diese Metrik stimmt nicht mit der menschlichen visuellen Wahrnehmung überein. Ein komprimiertes Bild mit hohem PSNR kann sichtbare Blockartefakte aufweisen, während der Unterschied bei einem Bild mit niedrigem PSNR für das menschliche Auge kaum zu erkennen ist. Dies ist die zentrale Einschränkung.

SSIM, Abkürzung für Structural Similarity Index Measure, liegt im Wertebereich von 0 bis 1. Ein Wert näher an 1 bedeutet einen geringeren strukturellen Unterschied zwischen dem komprimierten Bild und dem Originalbild. Diese Metrik vergleicht Bilder aus drei Dimensionen: Luminanz, Kontrast und Struktur, anstatt nur Pixelfehler zu zählen.

Das menschliche Auge ist empfindlicher für strukturelle Informationen eines Bildes als für zufällige Pixelfehler, und SSIM weist strukturellen Verzerrungen höhere Gewichte zu, daher liegt sein Ergebnis näher an der tatsächlichen Wahrnehmung des menschlichen Auges.

Der Qualitätsparameterbereich von JPG, WebP und AVIF beträgt für alle drei Formate 1 bis 100, und alle weisen nichtlineare Eigenschaften auf. Wenn der Qualitätsparameter von 90 auf 100 steigt, nimmt die Dateigröße deutlich zu, aber die Qualitätsverbesserung ist sehr gering.

Wenn der Qualitätsparameter unter 60 liegt, bringt jede Erhöhung um 10 Einheiten eine deutlich größere Verbesserung der Bildqualität als eine Erhöhung von 80 auf 90. Parameteränderungen im Bereich niedriger Qualität beeinflussen die Bildqualität stärker, während der Grenznutzen im Bereich hoher Qualität schnell abnimmt.

Dieser Test wählte 10 herkömmliche Farbbilder aus unterschiedlichen Szenarien aus, darunter Landschaften, Porträts und gemischter Text-Bild-Inhalt, und testete die SSIM-Werte der drei Formate mit unterschiedlichen Qualitätsparametern.

Für alle drei Formate liegen die SSIM-Werte im Qualitätsparameterbereich 75 bis 85 zwischen 0,98 und 0,995. Die meisten Betrachter können den Unterschied zwischen komprimierten Bildern in diesem Bereich und den Originalbildern nicht erkennen, und die Dateigröße ist 40% bis 60% kleiner als bei Qualität 100.

Chroma-Subsampling 4:2:0 ist das Standardverfahren für Chroma-Abtastung bei den meisten verlustbehafteten Kompressionsformaten. Dieses Verfahren halbiert die Auflösung der Chroma-Kanäle und reduziert die Menge an Chromadaten um etwa 50%.

Bei Screenshots mit kleinem, klarem Text kann 4:2:0-Abtastung zu Unschärfe-Artefakten an den Rändern von farbigem Text führen. Wenn Text klar bleiben soll, kann ein Kompressionsformat mit 4:4:4-Abtastung gewählt werden, wie PNG oder WebP mit aktiviertem 4:4:4.