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JPEG, que significa Grupo Conjunto de Expertos Fotográficos, es un método de compresión con pérdida comúnmente utilizado para imágenes digitales, particularmente para aquellas imágenes producidas por fotografía digital. El grado de compresión se puede ajustar, lo que permite una compensación seleccionable entre el tamaño de almacenamiento y la calidad de la imagen. JPEG normalmente logra una compresión de 10:1 con poca pérdida perceptible en la calidad de la imagen.

El algoritmo de compresión JPEG es el núcleo del estándar JPEG. El proceso comienza con una imagen digital que se convierte de su espacio de color RGB típico a un espacio de color diferente conocido como YCbCr. El espacio de color YCbCr separa la imagen en luminancia (Y), que representa los niveles de brillo, y crominancia (Cb y Cr), que representan la información de color. Esta separación es beneficiosa porque el ojo humano es más sensible a las variaciones de brillo que de color, lo que permite que la compresión aproveche esto al comprimir la información de color más que la luminancia.

Una vez que la imagen está en el espacio de color YCbCr, el siguiente paso en el proceso de compresión JPEG es reducir la resolución de los canales de crominancia. La reducción de resolución reduce la resolución de la información de crominancia, lo que normalmente no afecta significativamente la calidad percibida de la imagen, debido a la menor sensibilidad del ojo humano a los detalles de color. Este paso es opcional y se puede ajustar según el equilibrio deseado entre la calidad de la imagen y el tamaño del archivo.

Después de la reducción de resolución, la imagen se divide en bloques, normalmente de 8x8 píxeles de tamaño. Luego, cada bloque se procesa por separado. El primer paso en el procesamiento de cada bloque es aplicar la Transformada Discreta del Coseno (DCT). La DCT es una operación matemática que transforma los datos del dominio espacial (los valores de los píxeles) en el dominio de la frecuencia. El resultado es una matriz de coeficientes de frecuencia que representan los datos del bloque de imagen en términos de sus componentes de frecuencia espacial.

Los coeficientes de frecuencia resultantes de la DCT se cuantifican. La cuantificación es el proceso de mapear un gran conjunto de valores de entrada a un conjunto más pequeño; en el caso de JPEG, esto significa reducir la precisión de los coeficientes de frecuencia. Aquí es donde ocurre la parte con pérdida de la compresión, ya que se descarta parte de la información de la imagen. El paso de cuantificación está controlado por una tabla de cuantificación, que determina cuánta compresión se aplica a cada componente de frecuencia. Las tablas de cuantificación se pueden ajustar para favorecer una mayor calidad de imagen (menos compresión) o un tamaño de archivo más pequeño (más compresión).

Después de la cuantificación, los coeficientes se organizan en un orden en zigzag, comenzando desde la esquina superior izquierda y siguiendo un patrón que prioriza los componentes de frecuencia más baja sobre los de frecuencia más alta. Esto se debe a que los componentes de frecuencia más baja (que representan las partes más uniformes de la imagen) son más importantes para la apariencia general que los componentes de frecuencia más alta (que representan los detalles y bordes más finos).

El siguiente paso en el proceso de compresión JPEG es la codificación de entropía, que es un método de compresión sin pérdida. La forma más común de codificación de entropía utilizada en JPEG es la codificación de Huffman, aunque la codificación aritmética también es una opción. La codificación de Huffman funciona asignando códigos más cortos a ocurrencias más frecuentes y códigos más largos a ocurrencias menos frecuentes. Dado que el orden en zigzag tiende a agrupar coeficientes de frecuencia similares, aumenta la eficiencia de la codificación de Huffman.

Una vez que se completa la codificación de entropía, los datos comprimidos se almacenan en un formato de archivo que cumple con el estándar JPEG. Este formato de archivo incluye un encabezado que contiene información sobre la imagen, como sus dimensiones y las tablas de cuantificación utilizadas, seguido de los datos de imagen codificados por Huffman. El formato de archivo también admite la inclusión de metadatos, como datos EXIF, que pueden contener información sobre la configuración de la cámara utilizada para tomar la fotografía, la fecha y hora en que se tomó y otros detalles relevantes.

Cuando se abre una imagen JPEG, el proceso de descompresión esencialmente invierte los pasos de compresión. Los datos codificados por Huffman se decodifican, los coeficientes de frecuencia cuantificados se des-cuantifican utilizando las mismas tablas de cuantificación que se utilizaron durante la compresión, y la Transformada Discreta del Coseno Inversa (IDCT) se aplica a cada bloque para convertir los datos del dominio de frecuencia de nuevo en valores de píxeles del dominio espacial.

Los procesos de des-cuantificación e IDCT introducen algunos errores debido a la naturaleza con pérdida de la compresión, por lo que JPEG no es ideal para imágenes que se someterán a múltiples ediciones y re-guardados. Cada vez que se guarda una imagen JPEG, vuelve a pasar por el proceso de compresión y se pierde información adicional de la imagen. Esto puede provocar una degradación notable en la calidad de la imagen con el tiempo, un fenómeno conocido como "pérdida de generación".

A pesar de la naturaleza con pérdida de la compresión JPEG, sigue siendo un formato de imagen popular debido a su flexibilidad y eficiencia. Las imágenes JPEG pueden ser muy pequeñas en tamaño de archivo, lo que las hace ideales para su uso en la web, donde el ancho de banda y los tiempos de carga son consideraciones importantes. Además, el estándar JPEG incluye un modo progresivo, que permite codificar una imagen de tal manera que se pueda decodificar en múltiples pasadas, cada pasada mejora la resolución de la imagen. Esto es particularmente útil para imágenes web, ya que permite mostrar rápidamente una versión de baja calidad de la imagen, y la calidad mejora a medida que se descargan más datos.

JPEG también tiene algunas limitaciones y no siempre es la mejor opción para todos los tipos de imágenes. Por ejemplo, no es adecuado para imágenes con bordes afilados o texto de alto contraste, ya que la compresión puede crear artefactos notables alrededor de estas áreas. Además, JPEG no admite transparencia, que es una característica proporcionada por otros formatos como PNG y GIF.

Para abordar algunas de las limitaciones del estándar JPEG original, se han desarrollado nuevos formatos, como JPEG 2000 y JPEG XR. Estos formatos ofrecen una eficiencia de compresión mejorada, soporte para profundidades de bits más altas y características adicionales como transparencia y compresión sin pérdida. Sin embargo, aún no han alcanzado el mismo nivel de adopción generalizada que el formato JPEG original.

En conclusión, el formato de imagen JPEG es un equilibrio complejo de matemáticas, psicología visual humana e informática. Su uso generalizado es un testimonio de su eficacia para reducir el tamaño de los archivos manteniendo un nivel de calidad de imagen aceptable para la mayoría de las aplicaciones. Comprender los aspectos técnicos de JPEG puede ayudar a los usuarios a tomar decisiones informadas sobre cuándo utilizar este formato y cómo optimizar sus imágenes para el equilibrio de calidad y tamaño de archivo que mejor se adapte a sus necesidades.