Kampf um die Zukunft: JPEG- und HEIF-Format

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Das JPEG-Dateiformat begleitet die digitale Fotografie seit ihren Anfängen. Doch mit HEIF ist ein neuer Konkurrent für die Zukunft auf der Bühne erschienen, der bei gleicher Bildqualität platzsparender ist und eine erweiterte Funktionalität mitbringt.

Dieser Artikel stammt aus der Colorfoto 6/21.

Drei Faktoren spielen bei der Entwicklung und Verbreitung von Bildformaten eine entscheidende Rolle: die Bildqualität, der Speicherbedarf und die Verbreitung – sprich die allgemeine Akzeptanz und problemlose Nutzung. Während die ersten beiden Faktoren eher technischer Natur sind und stets ausbalanciert sein müssen, ist die Verbreitung auch eine Frage des geschickten Marketings, der Akzeptanz seitens der Produzenten und Nutzer – und der Gewohnheit. Die Ablösung ist zudem ein längerer Prozess, nicht ohne Probleme in der Praxis.

RAW und TIFF

Aus der Perspektive der Bildqualität sind RAW- und TIFF-Dateien die erste Wahl.

RAW-Dateien

RAW wird gerne mit dem digitalen Negativ verglichen, da die Daten ohne endgültige Verarbeitung abgespeichert werden. So kann der Fotograf durch eine gezielte „Entwicklung“ die Bildeigenschaften in größerem Umfang beeinflussen, als es beispielsweise bei JPEG-, PNG- oder TIFF-Format möglich wäre. Leider kostet diese „Entwicklung“ immer Zeit. Der erhöhte Aufwand ist für die meisten Bilder nicht notwendig. Zum anderen sind RAW-Formate bis auf DNG immer proprietär: Jeder Hersteller pflegt sein eigenes „verschlossenes“ RAW-For- mat, für die Bearbeitung ist ein passen- der Konverter notwendig. Anfang der 2000er-Jahre stellte Adobe mit DNG (digital negativ) ein offenes, verlust­freies RAW­Format bereit, das jedoch von den meisten Kameraherstellern (bis auf Leica, Pentax und Sigma) igno­riert wird. Anders ist es bei Smart­ phones: Wenn es hier RAW gibt, dann ist es DNG.

TIFF-Dateien

Soll ein Foto verlustfrei gespeichert werden, greift man nach der RAW­-Be­arbeitung oft zum TIFF-­Format (Tagged Image File Format). TIFF wurde 1994 vorgestellt und kann Bilddaten mit und ohne Kompression speichern. Es unterstützt mehrere verlustfreie wie ver­lustbehaftete Kompressionsmethoden. In der Praxis hat sich TIFF als „Stan­dard“ für die verlustfreie Bildspeiche­rung durchgesetzt. Weitere Vorteile sind CMYK­-Unterstützung, Farbtiefe bis zu 32-­Bit pro Kanal, Vorschaubilder, die Speicherung von Metainformatio­nen, Ebenen, u.a.
RAW und TIFF haben einen gemein­samen Nachteil: Sie belegen viel Spei­cherplatz. Während die RAWs noch bescheiden sind und circa dreimal so viel Volumen belegen wie JPEGs, verbrauchen TIFFs bis zu zehnmal so viel Platz.

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iPhone 12 Pro Max – 8-Bit HEIC

Bei Apple ist nicht nur die hauseigene Kamera-App, sondern auch einige Dritthersteller-Apps HEIC-fähig. Wir haben proCamera ausprobiert. Was Feinzeichnung angeht, so zeigen beide HEICs (Bild 2 und 3) kaum mehr Details als das JPEG (Bild 4) und weniger als das DNG (Bild 1). Apples Kamera-App belichtet ausgewogener (2), proCamera (3) belichtet zu hell und bietet kaum Vorteile bei der Dateikomprimierung.

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JPEG

Genau hier setzt das JPEG­Format an, das untrennbar mit der Verbreitung der digitalen Fotografie verbunden ist. Es wurde 1992 vorgestellt.Technisch gese­hen ist JPEG ein Standard, der Kom­pressionsverfahren beschreibt. Die Entwickler, die Joint Photographic Ex­ perts Group (JPEG), wollten Bilddatei­ en ohne sichtbare Qualitätseinbußen platzsparend speichern. Das war das zentrale Ziel und Fundament für den späteren Erfolg, denn begrenzte Spei­cherkapazitäten waren auch bereits vor 30 Jahren ein Thema.

In der Theorie beherrscht JPEG sowohl verlustfreie wie auch verlustbehaftete Komprimierungsmethoden und kann auch mit unterschiedlichen Farbtiefen bis maximal 12­Bit umgehen. Doch in der Praxis hat sich in der Foto­ und Medienwelt nur die verlustbehaftete Kompression mit 8­Bit Farbtiefe eta­bliert. In dieser Form ist das Format allgegenwärtig und wird von Aufnah­megeräten wie Kameras oder Smart­ phones über sämtliche Bildbearbei­tungstools bis zu Fernsehern oder Bilderrahmen unterstützt.

Der Nachteil von JPEG-Dateien

JPEG war nie eine perfekte Lösung. Sein größter Nachteil: Bei jedem Spei­chervorgang gehen Bildinformationen verloren. Die Anwendung analysiert das Bild und filtert die „unwichtigen“ Informationen heraus. Das Bild wird in 8×8­-Pixel-­Cluster zerlegt, und zu je­ dem der 64 Bildpunkte wird die Orts­frequenz ermittelt. Anschließend wer­den diese gerundet, die feineren Frequenzen tendenziell etwas stärker. So entsteht die Blockbildung, ein bekannter Effekt der JPEG-­Komprimie­rung, und freilich erst dann problema­tisch, wenn eine Aufnahme mehrfach geöffnet und gespeichert wird, denn bei jedem Speichervorgang wird das Bild erneut komprimiert. Qualitätssen­sitive Anwendungen und professio­nelle Fotografen greifen daher gern zu anderen Bildformaten wie TIFF, um Bilddaten ohne Verluste zu speichern. Sie verbrauchen aber unweit mehr Speichervolumen.

Dennoch hat sich JPEG als eine „passt schon“­-Lösung etabliert, weil die Ba­lance zwischen Qualität und Speicher­ bedarf im Großen und Ganzen stimm­te und es keine Alternative gab, die vergleichbare Akzeptanz und Verbrei­tung erreicht hat. Versuche, das JPEG­-Format durch verbesserte Versionen wie JPEG XR oder JPEG 2000 abzu­lösen, waren nicht erfolgreich.

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Canon R5 – 10-Bit HEIC

Canons R5, R6 und 1D X III können das HEIC-Format und nehmen Bilder dann mit 10-Bit-Farbtiefe auf. Die Vorteile sind sehr überschaubar. Nur rund 10 % bei Speicherbelegung und nahezu die gleiche Bildqualität. Wenn konvertiert, sehen die HEIC-Bilder (links) dunkler belichtet aus als die JPEGs.

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HEIF, HEVC, HEIC

Gerade das verstärkte Aufkommen von mobilen Geräten ließ das Speicherpro­blem erneut aktuell werden. Die Auflösung von Kameras wächst, ebenso die der Videoformate, welche ungleich mehr Platz auf Speichermedien bean­spruchen. Zudem müssen mobile Geräte zunehmend ohne Wechselspeicher auskommen und schließlich, sowohl Kameras als auch Smartphones teilen ihre Bilder mehr und mehr drahtlos. Waren JPEGs früher ausreichend klein, sind sie es heute nicht mehr.

Der aussichtsreichste Kandidat auf den Königsthron ist im Moment das HEIF­-Format. HEIF (High Efficiency Image File Format) wurde 2015 von der Moving Picture Experts Group (MPEG) vorgestellt. Der Standard beschreibt zunächst einmal ein Container­-Format, welches unterschiedliche Dateitypen in beliebiger Anzahl beinhalten kann: einzelne Bilder, Bildsequenzen (GIF, Fokusreihen, HDR-Reihen), Texte, Metadaten (EXIF, XMP), Tiefeninformationen, Audio usw. Zudem unterstützt es verschiedene Kompressionsmethoden.

Effiziente Komprimierung

HEIF-Bilder werden meist mit den Dateiendungen .heif oder .heic abgespeichert, die Inhalte mit dem High-Efficiency-Video-Coding-(HEVC)-Standard kodiert. HEVC ist der Nachfolger des Standards H.264/MPEG-4-AVC und soll im Vergleich zu diesem eine doppelt so starke Kompression bei gleichbleibender Qualität ermöglichen. In gewisser Weise komprimiert HEVC Daten ähnlich wie JPEG: So zerlegt HEVC das Bild ebenfalls in Blöcke, doch diese haben eine variable Größe von 4 x 4 bis 64 x 64 Pixeln innerhalb eines Bildes, kleinere Blöcke für feinere Strukturen, größere für Flächen. Dank dieser Flexibilität haben HEIC-Dateien weniger Speicherhunger. Bei etwa gleicher Bildqualität belegen HEICs ca. 30 bis 40 Prozent weniger Speicherplatz als JPEGs.

Der Wert ist eher eine grobe Hausnummer, denn die tatsächliche Größe hängt von vielen Faktoren ab, vor allem von den Qualitätseinstellungen, mit denen ein HEIF-Bild gespeichert wird. Bei etwa gleicher Größe würde man im Umkehrschluss eine bessere Qualität durch geringere Kompression erwarten.
In der Praxis haben wir je nach Aufnahmegerät, Motiv und Auflösung Unterschiede von 10 bis 50% bei Samsung- S21-Smartphones, 30% bis fast keinen Unterschied bei Apple (zwei unterschiedliche Apps) und 0 bis maximal 10% – je nach „Tonwert Priorität“-Einstellung – bei der Canon R5 festgestellt. Dabei zeigten die Aufnahmen keine signifikanten Qualitätsunterschiede.

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Oppo Find X3 Pro – 8-Bit HEIC

Oppo kann HEIC-Fotos sowohl mit 8-Bit- als auch mit 10-Bit-Farbtiefe. Letztere konnten wir nur auf dem Gerät konvertieren, was nicht bequem ist. Das Find X3 Pro fiel eher durch negative HEIC-Ausreißer mit kaputt gerechneten Strukturen auf (links). Dann hilft auch die Platzersparnis wenig.

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Beim Xiaomi Mi 11 kamen HEIF-Bilder im Schnitt auf ca. 40% der JPEG-Größe, waren zum Teil aber sichtbar detailärmer. Ähnliches haben wir auch beim Oppo Find X3 Pro beobachtet. Seine 8-Bit-HEIC beanspruchten 20 bis 40% weniger Speicherplatz, wiederum mit teils deutlichen Qualitätseinbußen.

Mehr Details und Dynamik

Fotografen bietet das Format weitere wichtige Vorteile. So unterstützt HEIF eine Farbkodierung bis zu 16-Bit. Das ist deutlich mehr als die üblichen 8-Bit des JPEG-Formats und verspricht feinere Farben und mehr Dynamik. In der Praxis fanden wir jedoch kein HEIC mit 16-Bit – die höhere Farbtiefe bedeutet schließlich auch einen größeren Platzbedarf.

Smartphones kodieren die HEICs mit 8-Bit, Canon- und Sony-Kameras immerhin mit 10-Bit. Bei den Smartphones kann nur Oppo Find X3 Pro zusätzlich 10-Bit-HEIC.
Ob ein HEIC-File Strukturen tatsächlich mit feinerer und größerer Dynamik darstellen kann, hängt also von den Aufnahmeeinstellungen und der Komprimierungsstufe beim Speichern ab. Bei 8-Bit verspricht nur die effizientere Komprimierung Vorteile, bei 10-Bit könnte in Aufnahmen mit starken Kontrastunterschieden etwas mehr Dynamik drin sein.

Bei unseren Vergleichen (Apple, Samsung und Canon) konnten wir nur selten und nur geringe Vorteile in der Feinzeichnung und Dynamik sehen. Betrachtet man den zusätzlichen Aufwand, lohnt es sich kaum. Stattdessen gab es einige negative Ausreißer beim Xiaomi Mi 11 und beim Oppo Find X3 Pro mit geradezu kaputt gerechneten HEIF-Aufnahmen. Reproduzierbar waren diese Fehler aber zu häufig, um dem Format in diesen beiden Fällen vertrauen zu können.

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Samsung S21 Ultra – 8-Bit HEIC

Samsung unterstützt das HEIC-Format seit der S20-Generation, aber bisher nur in der teureren S-Baureihe. Platzvorteile können gewaltig sein: bis zu 50% bei 108-MP-Bildern, doch das kann zu Lasten der Qualität gehen. Das HEIC-Bild (links) hat durch die stärkere Komprimierung mehr Details verloren.

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Bildbearbeitung

Bei der Nachbearbeitung der Bilder arbeitet HEIF nicht destruktiv, da Korrekturen als Metadaten gespeichert werden können. Die Aufnahme muss also nicht erneut kodiert werden, stattdessen werden Änderungen als Zusatzinformation in der gleichen Datei mitgespeichert. Tiefeninformationen, sofern erfasst und mitgespeichert, bieten neue Möglichkeiten bei der selektiven Bildanpassung, ebenso die Möglichkeit, HDR- oder Fokussequenzen in einer Datei abzuspeichern.

Geringe Kompatibilität

Problematisch bleiben beim HEIF-Standard die Verbreitung sowie das Fehlen einer gemeinsamen Strategie seitens der Hersteller. Apple-Geräte nutzen das Format als Standard seit iOS 11 und bieten zudem eine automatische Konvertierungsfunktion zu JPEG für ältere Geräte bzw. beim Datentransfer zum PC. Android unterstützt es ab der Version 9 (Pie). Windows unterstützt HEIF seit Windows 10 (Update 1803). Es braucht aber eine zusätzlich HEIF- sowie HEVC-Erweiterung.

In der Kamerawelt bieten aktuell nur wenige Kameras, etwa Canon 1D X Mk III, R5 und R6 sowie Sony A1 und FX3, eine HEIF-Unterstützung. Bei Smartphones sind es Apple und Samsung und nun auch Xiaomi (Mi 11) sowie Oppo (Find X3 Pro und Find X3 Neo). Canon und Sony speichern HEIF-Aufnahmen mit einer .HIF-Erweiterung, was das Lesen der Dateien zusätzlich erschwert und selbst bei vielen modernen Rechnern nicht klappt, obwohl dasselbe System .heic-Fotos von Smartphones ohne Probleme öffnet. In unserem Beispiel war die Installation der Herstellersoftware notwendig: DPP bei Canon und der HEIF-Converter bei Sony, der nur Aufnahmen des eigenen Herstellers aufmachen konnte. All dies sind unerfreuliche Insellösungen, die der Verbreitung hinderlich sind.

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Xiaomi Mi 11 – 8-Bit HEIC

Xiaomi unterstützt in dem neuesten MI-11-Modell nun auch das HEIC-Format. Doch scheint der Hersteller dabei vor allem den Speicherverbrauch im Blick zu haben. Die HEIC-Dateien (Bild links) sind deutlich kleiner. Aber sie sind in der Regel auch detailärmer als die vergleichbaren JPEGs.

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Bearbeitungsprogramme wie Adobe Lightroom und Camera RAW, Affinity Photo, Pixelmator oder Gimp unterstützen HEIC inzwischen. Auch hier muss der HEVC-Codec installiert sein. Probleme gibt es aber auch hier bei 10-Bit-Dateien. Sie ließen sich bei uns nicht aufmachen. Browser und Anzeigegeräte wie Fernseher können mit dem Format noch nicht viel anfangen.

Fazit

Das HEIF-Format bietet viele Möglichkeiten. Doch abgesehen vom geringeren Speicherbedarf sind die für Fotografen wichtigen Vorteile wie Zeichnung und Dynamik derzeit eher klein. Der Aufwand, die Bilder überall lesbar zu machen, ist – noch – groß. Der Erfolg des Formats hängt in erster Linie davon ab, ob die konkurrierenden Hersteller sich anstelle von eigenen Lösungen auf gemeinsame Standards einigen können, um die Handhabung ähnlich simpel wie beim JPEG zu machen. Im Moment ist es nicht der Fall.

Autor: Wadim Herdt