Kompakte lineare DNG-Dateien:
Wie DxO PureRAW ⁶ die Größe von DNG-Dateien um das Vierfache reduziert, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen

Zusammenfassung

DxO PureRAW ⁶ führt eine neue High-Fidelity-Komprimierungsoption für das DNG-Format ein, die die Dateigröße gegenüber der bisherigen verlustfreien Komprimierung um etwa den Faktor vier reduziert – bei vollständig erhaltener, wahrnehmungsgetreuer Bildqualität.

Die Technologie kombiniert zwei sich ergänzende Verfahren: die Dynamikumfangs-Komprimierung und den JPEG XL-Bildcodec.

Die wichtigsten Vorteile

4x kleinere Dateien — Ein lineares DNG einer 50-MP-Kamera schrumpft von ca. 200 MB auf ca. 50 MB. Das macht lineares DNG alltagstauglich — auch für Workflows mit hohem Bildvolumen. Kleinere Dateien ermöglichen schnellere Importe, beschleunigen die Cloud-Synchronisierung und reduzieren den benötigten Speicherplatz erheblich.
Höchste Wiedergabetreue — Die Komprimierung ist selbst bei intensiver Bearbeitung nicht wahrnehmbar.
Kompatibilität — Die Ausgabe bleibt eine Standard-DNG-Datei. Jede DNG-kompatible Anwendung (etwa Adobe Lightroom, Capture One etc.) kann diese Dateien problemlos öffnen und wie gewohnt weiterverarbeiten.

Warum stärker komprimieren?

Lineares DNG ist das von DxO empfohlene Ausgabeformat für DxO PureRAW, da es den maximalen Bearbeitungsspielraum bewahrt und zugleich eine umfassende Kompatibilität mit RAW-Prozessoren von Drittanbietern gewährleistet. Trotz der in der DNG-Spezifikation integrierten verlustfreien Komprimierung erreicht eine typische lineare DNG-Datei eine Größe von etwa 4 MB pro Megapixel. Bei einer 50-MP-Kamera entspricht dies 200 MB pro Bild.

Es liegt daher nahe, diese Dateien deutlich stärker zu komprimieren.
Doch wie weit lässt sich die Komprimierung treiben, ohne die Qualität zu beeinträchtigen?

Von verlustfrei zu wahrnehmungstechnisch verlustfrei

Die verlustfreie Komprimierung gilt sowohl für Entwickler als auch für Anwender als der zuverlässigste Ansatz, da sie sicherstellt, dass die dekomprimierte Datei mathematisch exakt mit dem Original übereinstimmt – Bit für Bit. Allerdings sind der Effizienz solcher Algorithmen von Natur aus Grenzen gesetzt – insbesondere dann, wenn das zu komprimierende Signal Informationen enthält, die aus wahrnehmungsbezogener Sicht keinen relevanten Nutzen haben.

Für DxO PureRAW 6 haben unsere Ingenieure für Bildverarbeitung ein Komprimierungsverfahren entwickelt, das gezielt solche überflüssigen Informationen identifiziert und vor der eigentlichen Komprimierung entfernt, wodurch deutlich höhere Komprimierungsraten erreicht werden. Das Ergebnis ist eine sogenannte wahrnehmungstechnisch verlustfreie Komprimierung: Zwar entstehen mathematische Abweichungen, für den menschlichen Betrachter bleiben diese unter üblichen Betrachtungs- und Bearbeitungsbedingungen jedoch nicht wahrnehmbar.

Wir haben zwei Arten von Informationen in linearen DNG-Dateien identifiziert, die aus wahrnehmungstechnischer Sicht irrelevant sind:

1. Übermäßige Pixelgenauigkeit. RAW-Dateien digitaler Kameras werden in der Regel mit 12 oder 14 Bit pro Pixel codiert; die Ausgabe unserer DeepPRIME-Pipeline erfolgt hingegen mit 16 Bit. Dennoch weisen Bilder stets ein gewisses Restrauschen auf, das bewusst beibehalten wird, um den unnatürlichen „Plastik‑Look“ zu vermeiden, der durch vollständige Rauschminderung verursacht wird. Wie wir weiter unten erläutern, ist die numerische Präzision umso weniger relevant, je mehr Rauschen ein Signal enthält. Das Entfernen ungenutzter Präzision ist die Aufgabe der Dynamikumfangs-Komprimierung (DRC).

2. Exakte Textur und Form des Rauschens. In der Praxis sind geringfügige Unterschiede in der exakten Struktur von Rauschen oder feinsten Texturen für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar. Die Vereinfachung solcher Mikrodetails ist ein etabliertes Prinzip der Bild- und Videokomprimierung und zählt zu den zentralen Mechanismen des JPEG XL-Codecs.

Beide Techniken erfordern standardisierte DNG-Mechanismen, damit jede kompatible Software die resultierenden Dateien problemlos öffnen und weiterverarbeiten kann. DRC wird über das DNG‑Tag „Linearization Table“ codiert, und JPEG XL ist ein Komprimierungsmodus, der in der DNG‑Spezifikation Version 1.7 eingeführt wurde. Beide werden von gängigen RAW‑Bearbeitungsprogrammen unterstützt.

Dynamikumfangs‑Komprimierung

Die Dynamikumfangs-Komprimierung (DRC) ist eine bewährte Technik in der Verarbeitung von Audiosignalen. Bei der Komprimierung wird der Dynamikumfang eines Signals durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion reduziert: Im Audiobereich werden laute Abschnitte gedämpft und leise Passagen verstärkt, damit das Signal besser in ein vorgegebenes Bit-Spektrum passt. Dasselbe Prinzip funktioniert überraschend gut auch bei digitalen RAW-Bildern.

Warum DRC bei RAW-Bildern so gut funktioniert

Digitale Bilder sind vom photonischen Rauschen (Schrotrauschen) betroffen, einer fundamentalen physikalischen Eigenschaft des Lichts selbst. Die Standardabweichung dieses Rauschens wächst mit der Quadratwurzel der Signalintensität.
Das hat tiefgreifende Folgen für die Komprimierung linearer Bilder:

In dunklen Bildbereichen ist das Rauschen sehr gering, und das Signal ist fein strukturiert. Jedes einzelne Bit an Pixelpräzision kann wertvolle Bildinformationen enthalten — weshalb in vielen Fällen 14 oder sogar 16 Bit erforderlich sind.
In hellen Bildbereichen ist das Rauschen vergleichsweise stark. Die reale Präzision des Signals bleibt spürbar unter dem, was 14 oder 16 Bit theoretisch abbilden könnten. Diese zusätzlichen Bits erfassen das Rauschen mit einer Genauigkeit, die weit über das hinausgeht, was jemals sichtbar oder notwendig wäre.

Genau diese für die Wahrnehmung wertlosen hochpräzisen Abtastwerte in den Spitzlichtern machen die verlustfreie Komprimierung weniger effizient: Es werden Bits originalgetreu codiert, die keine nennenswerten Bildinformationen enthalten.

DRC behebt dieses Problem, indem es vor der Komprimierung eine Kompandierungsfunktion — konkret eine Kurve nahe der Quadratwurzel — auf die linearen Pixelwerte anwendet. Dies ist konzeptionell mit einer varianzstabilisierenden Transformation vergleichbar: Nach der Quadratwurzel wird die Standardabweichung des Rauschens über den gesamten Tonwertumfang hinweg nahezu konstant. Die Präzision wird somit dort zum Einsatz gebracht, wo sie erforderlich ist — viele Abstufungen in den Schatten, weniger in den Spitzlichtern — ohne dass Informationen verloren gehen, die für die Wahrnehmung von Bedeutung sind.

Beim Dekomprimieren stellt eine inverse Funktion (hinterlegt in der DNG-Linearisierungstabelle) die ursprüngliche lineare Kodierung wieder her, exakt gemäß den Vorgaben der DNG-Spezifikation. Der Prozess ist für jede weiterverarbeitende Software vollständig transparent.

Die Anzahl der Quantisierungsstufen wurde konservativ gewählt und gegen Worst-Case-Bearbeitungsszenarien validiert – etwa starke Belichtungsverschiebungen in Kombination mit extremer Wiederherstellung der Schatten –, damit Quantisierungsartefakte in allen praktischen Anwendungen unsichtbar bleiben.

JPEG XL-Komprimierung

Nach der DRC wird das aufbereitete Bild mit dem Bildcodec JPEG XL komprimiert, einer vom JPEG-Komitee standardisierten Technologie der nächsten Generation.

Was macht JPEG XL besser als das klassische JPEG?

Das klassische JPEG stammt aus dem Jahr 1992 und basiert auf einer festen 8 x 8 -Blocktransformation mit vergleichsweise einfacher Entropiekodierung. So bahnbrechend er damals war, lässt dieser Ansatz nach heutigem Maßstab erhebliches Komprimierungspotenzial ungenutzt. JPEG XL bündelt über zwei Jahrzehnte Fortschritte in der Bildkomprimierungsforschung:

Transformationen mit variabler Größe — Blockgrößen von nur 2×2 bis hin zu 256×256 erlauben es dem Encoder, in homogenen Bildbereichen große, effiziente Blöcke einzusetzen und in detailreichen Randzonen kleinere, präzisere Strukturen zu verwenden. Dadurch passt sich die Kodierung flexibel dem lokalen Bildinhalt an, anstatt ein starres Raster vorzugeben.

Wahrnehmungsoptimierter Farbraum — Die interne Farbdarstellung orientiert sich an der Funktionsweise des menschlichen Sehens und ermöglicht eine gezielte, intelligente Zuweisung der verfügbaren Bits zu den Bildbereichen, die für die visuelle Wahrnehmung am wichtigsten sind.

Erweiterte Entropiekodierung — Moderne, deutlich effizientere Kodierverfahren nutzen die in den Daten vorhandene Redundanz wesentlich effektiver als herkömmliche Ansätze.

Ausgereifte Bildprognose und Kontextmodellierung — Während der Verarbeitung erstellt der Encoder ein statistisches Modell des Bildes, erkennt dabei fein abgestufte lokale Strukturen und reduziert so die Menge an zu speichernden Informationen, die tatsächlich schwer vorhersehbar sind.

Native Unterstützung hoher Bit-Tiefe — Im Gegensatz zum klassischen JPEG wurde JPEG XL von Grund auf für Bilddaten mit hoher Bit-Tiefe entwickelt — und eignet sich damit ideal als Komprimierungsebene in RAW-Bildverarbeitungs-Pipelines.

Wir setzen JPEG XL mit einer nahezu verlustfreien Qualitätseinstellung ein. Der dabei entstehende mathematische Verlust ist vernachlässigbar und liegt deutlich unterhalb der Rauschschwelle jedes realen Bildes. Entscheidend ist die Kombination mit der vorgeschalteten DRC: Indem wahrnehmungsirrelevante Präzision bereits vor der Übergabe an JPEG XL entfernt wird, erhält der Codec ein Signal, das sich von Natur aus effizienter komprimieren lässt, ohne dass qualitätsmindernde Entscheidungen erforderlich sind.