Wie kann etwas verlustfrei sein, wenn komprimiert wird?

Weil es zwei verschiedene Arten von Kompression gibt und ihre Verwechslung ein verbreiteter Irrtum ist. Verlustbehaftete Kompression gewinnt Platz, indem sie die vom Auge kaum wahrgenommenen Informationen berechnet und verwirft, und die verworfenen Daten kommen nicht zurück. Verlustfreie Kompression verwirft dagegen nichts, sie drückt dieselbe Information nur kürzer aus. PNG gehört zur zweiten Gruppe: Es schreibt die Daten mithilfe wiederkehrender Muster und der Ähnlichkeit benachbarter Pixel neu und stellt beim Öffnen das vollständige Original wieder her.

Ist eine geöffnete PNG-Datei auch im Arbeitsspeicher kleiner?

Nein, die Kompression betrifft ausschließlich die Repräsentation auf der Festplatte. Wenn Sie eine PNG-Datei öffnen, dekodiert das Programm sie und legt die Pixel roh im Arbeitsspeicher ab; an diesem Punkt belegt sie dort genauso viel Platz wie ein BMP. Der Vorteil von PNG liegt also auf der Seite von Speicherung und Übertragung: weniger Festplattenplatz, schnelleres Laden, einfachere Weitergabe. Bei der Anzeigeleistung werden Sie zwischen beiden Formaten praktisch keinen nennenswerten Unterschied bemerken.

Ist die Datei identisch mit dem Original, wenn ich das PNG wieder in ein BMP umwandle?

Was die Pixeldaten betrifft ja, doch die Dateien sind womöglich nicht Byte für Byte identisch. Der Farbwert jedes einzelnen Bildpunktes bleibt erhalten, es besteht also visuell und datenseitig vollständige Übereinstimmung. Dateiheader, die Anordnung der Bittiefe, die Zeilenauffüllung und gegebenenfalls vorhandene Metadaten können jedoch anders geschrieben werden. Das Ergebnis ist also dasselbe Bild, aber erwarten Sie nicht, dass die beiden Dateien in einem Vergleichsprogramm exakt übereinstimmen.

Wie viel kleiner wird die PNG-Fassung desselben Bildes?

Das hängt vollständig vom Bildinhalt ab, und ein fester Faktor lässt sich nicht angeben. Bei Bildern mit einheitlichen Farbflächen, wiederkehrenden Mustern und begrenzter Farbpalette — Screenshots, Logos, Diagramme — ist der Gewinn sehr deutlich. Bei rauschenden, texturreichen oder fotografischen Inhalten findet PNG dagegen wenige Muster, und die Verkleinerung fällt moderater aus. Gegenüber einem unkomprimierten BMP ist PNG dennoch fast immer erheblich kleiner.

Warum bleibt die Umwandlung von BMP nach PNG verlustfrei?

Dasselbe Bild, zwei sehr verschiedene Dateien

Wenn Sie eine BMP-Datei in ein PNG umwandeln, passiert etwas Interessantes: Die Datei schrumpft deutlich, aber im Bild ändert sich nicht ein einziges Pixel. Bei den meisten, die das zum ersten Mal sehen, kommt eine berechtigte Skepsis auf — wenn man etwas verkleinert, muss man doch auf etwas verzichten?

Die Antwort lautet nein, und dieser Beitrag erklärt genau, warum.

Es gibt zwei Arten von Kompression

Die Verwirrung rührt daher, dass das Wort „Kompression" für zwei völlig verschiedene Vorgänge verwendet wird.

Verlustbehaftete Kompression gewinnt Platz, indem sie Daten reduziert. Genau das tut JPG: Es nutzt Eigenschaften des menschlichen Sehsystems, berechnet die schwer wahrnehmbaren Informationen und verwirft sie. Die Datei wird sehr klein, aber die verworfenen Daten sind dauerhaft fort. Das JPG erneut zu öffnen und in einem anderen Format zu speichern holt diese Daten nicht zurück.

Verlustfreie Kompression reduziert die Daten nicht; sie drückt dieselben Daten lediglich kürzer aus. Das lässt sich am Beispiel eines Textes leicht nachvollziehen: Wenn Sie statt „aaaaaaaaaa" schreiben „10 mal a", belegen Sie weniger Platz, verlieren aber keinerlei Information. Beim Öffnen können Sie das Original vollständig wiederherstellen.

PNG gehört zur zweiten Gruppe. Auch BMP ist verlustfrei — es komprimiert nur überhaupt nicht. Der Wechsel von BMP zu PNG ist also ein Wechsel von verlustfrei zu verlustfrei, und das Einzige, was sich dabei ändert, ist die Art, wie die Daten verpackt werden.

Warum komprimiert BMP überhaupt nicht?

Die Entwurfsphilosophie von BMP beruht auf Einfachheit. Die Datei beginnt mit einem kurzen Header-Block, danach werden die Pixelwerte der Reihe nach geschrieben. Was im Bild zu sehen ist, hat auf die Dateigröße keinerlei Einfluss; die Größe ist schlicht das Produkt aus Breite, Höhe und Bittiefe.

Die konkrete Folge daraus: Ein vollständig weißes Quadrat und ein komplexes Foto derselben Abmessungen belegen als BMP nahezu denselben Platz. Wiederholung, Struktur oder Schlichtheit des Inhalts werden überhaupt nicht ausgewertet.

In der Spezifikation ist ein Kompressionsverfahren namens RLE definiert, doch es kommt in der Praxis so gut wie nie zum Einsatz und gilt nur für niedrige Bittiefen. Die überwältigende Mehrheit der BMP-Dateien, die Ihnen begegnen, liegt roh vor.

Für diese Einfachheit gab es einen Grund: kein Dekodieren zu erfordern. Selbst ein stark eingeschränkter Prozessor kann ein BMP direkt lesen und auf den Bildschirm bringen. Heute ist dieser Vorteil nur noch für eingebettete Systeme und Industriegeräte von Bedeutung; auf dem Desktop und im Web ist er vollkommen wertlos.

Wie verkleinert PNG dieselben Pixel?

Die Arbeit von PNG erfolgt in zwei Stufen, und beide bewahren die Information.

Erste Stufe: Vorhersage. Statt jedes Pixel unverändert zu schreiben, schreibt PNG, wie stark es sich vom Nachbarpixel unterscheidet. Da benachbarte Pixel in Bildern meist sehr ähnlich sind, sind diese Differenzen kleine Zahlen, und kleine Zahlen belegen weniger Platz. In einem Himmelsfoto etwa ändert sich die Farbe beim horizontalen Fortschreiten sehr langsam; PNG kann diese langsame Veränderung als „nahezu gleich" ausdrücken.

Zweite Stufe: Musterkompression. Auf die so gewonnenen Differenzdaten wird eine verlustfreie Allzweckkompression angewendet. Diese Stufe findet wiederkehrende Sequenzen und kürzt sie. Die graue Werkzeugleiste in einem Screenshot, die einheitliche Farbfläche in einem Logo, der weiße Hintergrund in einem Diagramm — all das bringt hier großen Gewinn.

Beide Stufen haben gemeinsam, dass sie umkehrbar sind. Beim Öffnen der Datei werden die Vorgänge rückwärts ausgeführt, und sämtliche ursprünglichen Pixelwerte werden wiederhergestellt.

Was bedeutet das in der Praxis?

Sie müssen das Original nicht aufbewahren. Nachdem Sie das BMP nach PNG umgewandelt haben, enthält das PNG sämtliche Informationen des BMP. Die Quelldatei zu archivieren bringt keinen Informationsvorteil. Die einzige Ausnahme ist, dass Sie die Datei einem Programm übergeben müssen, das ausschließlich BMP akzeptiert.

Es gibt keine Qualitätssorgen. Sie müssen keine Qualitätseinstellung wählen, keine Einstellungen ausprobieren und das Ergebnis nicht heranzoomen, um nach Artefakten zu suchen. Das Ergebnis ist ohnehin identisch mit der Quelle.

Wiederholte Vorgänge häufen keine Verschlechterung an. Bei JPG fügt jedes Öffnen und Speichern einer Datei ein wenig mehr Verschlechterung hinzu. Bei PNG gibt es diese Anhäufung nicht; selbst wenn Sie die Datei hundertmal öffnen und speichern, ändert sich das Bild nicht. Für Dateien, an denen gearbeitet wird, ist das eine wichtige Zusicherung.

Der Gewinn hängt vom Inhalt ab. Screenshots, Oberflächenaufnahmen, Logos, Diagramme und gescannte Texte schrumpfen in PNG frappierend. Bei rauschenden und texturreichen fotografischen Inhalten fällt der Gewinn moderater aus, weil PNG dort wenige Muster findet. Wenn Ihnen das begegnet, sollten Sie bedenken, dass Ihr Inhalt tatsächlich fotografisch ist und JPG für die Weitergabe womöglich das passendere Ziel wäre.

Gilt die Kompression auch im Arbeitsspeicher?

Eine häufige Frage: Ist ein PNG auch im geöffneten Zustand klein?

Nein. Die Kompression betrifft ausschließlich die Repräsentation auf der Festplatte. Wenn Sie ein Bild öffnen, dekodiert das Programm die Datei und legt die Pixel roh im Arbeitsspeicher ab; an diesem Punkt belegt es dort genauso viel Platz wie ein BMP. Der Vorteil von PNG liegt auf der Seite von Speicherung und Übertragung: weniger Festplattenplatz, schnellere Downloads, Dateien, die in eine E-Mail passen.

Fazit

BMP und PNG sind zwei Formate, die dieselbe Information speichern; ihr Unterschied liegt darin, wie sie diese Information schreiben. BMP schreibt alles in roher Form, PNG drückt dasselbe mithilfe von Mustern weit kürzer aus. Da bei der Umwandlung dazwischen keinerlei Daten verworfen werden, ist die Antwort auf die Frage „Was verliere ich?" eindeutig: nichts. Was Sie gewinnen, sind Festplattenplatz, Transportfähigkeit und ein Format, das überall funktioniert.