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JPEG, che sta per Joint Photographic Experts Group, è un metodo comunemente utilizzato di compressione con perdita per immagini digitali, in particolare per quelle immagini prodotte dalla fotografia digitale. Il grado di compressione può essere regolato, consentendo un compromesso selezionabile tra dimensioni di archiviazione e qualità dell'immagine. JPEG in genere raggiunge una compressione 10:1 con una perdita di qualità dell'immagine poco percettibile. L'algoritmo di compressione JPEG è al centro del formato file JPEG, che è formalmente noto come JPEG Interchange Format (JIF). Tuttavia, il termine "JPEG" viene spesso utilizzato per fare riferimento al formato file che in realtà è standardizzato come JPEG File Interchange Format (JFIF).

Il formato JPEG supporta vari spazi colore, ma quello più comunemente utilizzato nella fotografia digitale e nella grafica web è il colore a 24 bit, che include 8 bit ciascuno per le componenti rosso, verde e blu (RGB). Ciò consente oltre 16 milioni di colori diversi, fornendo una qualità dell'immagine ricca e vibrante adatta a un'ampia gamma di applicazioni. I file JPEG possono anche supportare immagini in scala di grigi e spazi colore come YCbCr, che viene spesso utilizzato nella compressione video.

L'algoritmo di compressione JPEG si basa sulla trasformata discreta del coseno (DCT), che è un tipo di trasformata di Fourier. La DCT viene applicata a piccoli blocchi dell'immagine, in genere pixel 8x8, trasformando i dati del dominio spaziale in dati del dominio della frequenza. Questo processo è vantaggioso perché tende a concentrare l'energia dell'immagine in pochi componenti a bassa frequenza, che sono più importanti per l'aspetto generale dell'immagine, mentre i componenti ad alta frequenza, che contribuiscono ai dettagli fini e possono essere scartati con un impatto minore sulla qualità percepita, vengono ridotti.

Dopo che la DCT è stata applicata, i coefficienti risultanti vengono quantizzati. La quantizzazione è il processo di mappatura di un ampio insieme di valori di input in un insieme più piccolo, riducendo efficacemente la precisione dei coefficienti DCT. È qui che entra in gioco l'aspetto con perdita di JPEG. Il grado di quantizzazione è determinato da una tabella di quantizzazione, che può essere regolata per bilanciare la qualità dell'immagine e il rapporto di compressione. Un livello di quantizzazione più elevato si traduce in una compressione più elevata e una qualità dell'immagine inferiore, mentre un livello di quantizzazione inferiore si traduce in una compressione inferiore e una qualità dell'immagine superiore.

Una volta quantizzati i coefficienti, vengono quindi serializzati in un ordine a zigzag, iniziando dall'angolo in alto a sinistra e seguendo uno schema a zigzag attraverso il blocco 8x8. Questo passaggio è progettato per posizionare i coefficienti a bassa frequenza all'inizio del blocco e i coefficienti ad alta frequenza verso la fine. Poiché è probabile che molti dei coefficienti ad alta frequenza siano zero o quasi zero dopo la quantizzazione, questo ordinamento aiuta a comprimere ulteriormente i dati raggruppando valori simili.

Il passo successivo nel processo di compressione JPEG è la codifica dell'entropia, che è un metodo di compressione senza perdita. La forma più comune di codifica dell'entropia utilizzata in JPEG è la codifica di Huffman, sebbene anche la codifica aritmetica sia un'opzione. La codifica di Huffman funziona assegnando codici più brevi a valori più frequenti e codici più lunghi a valori meno frequenti. Poiché i coefficienti DCT quantizzati sono ordinati in un modo che raggruppa zeri e valori a bassa frequenza, la codifica di Huffman può ridurre efficacemente le dimensioni dei dati.

Il formato file JPEG consente anche di archiviare metadati all'interno del file, come i dati Exif che includono informazioni sulle impostazioni della fotocamera, data e ora di acquisizione e altri dettagli rilevanti. Questi metadati vengono archiviati in segmenti specifici dell'applicazione del file JPEG, che possono essere letti da vari software per visualizzare o elaborare le informazioni sull'immagine.

Una delle caratteristiche principali del formato JPEG è il suo supporto per la codifica progressiva. In un JPEG progressivo, l'immagine viene codificata in più passaggi di dettaglio crescente. Ciò significa che anche se l'immagine non è stata completamente scaricata, può essere visualizzata una versione approssimativa dell'intera immagine, che migliora gradualmente in qualità man mano che vengono ricevuti più dati. Ciò è particolarmente utile per le immagini web, consentendo agli utenti di avere un'idea del contenuto dell'immagine senza dover attendere il download dell'intero file.

Nonostante il suo uso diffuso e i numerosi vantaggi, il formato JPEG presenta alcune limitazioni. Una delle più significative è la questione degli artefatti, che sono distorsioni o anomalie visive che possono verificarsi a causa della compressione con perdita. Questi artefatti possono includere sfocatura, blocchi e "suonerie" attorno ai bordi. La visibilità degli artefatti è influenzata dal livello di compressione e dal contenuto dell'immagine. Le immagini con sfumature uniformi o sottili cambiamenti di colore sono più soggette a mostrare artefatti di compressione.

Un'altra limitazione di JPEG è che non supporta la trasparenza o i canali alfa. Ciò significa che le immagini JPEG non possono avere sfondi trasparenti, il che può essere uno svantaggio per alcune applicazioni come il web design, dove è comune sovrapporre immagini su sfondi diversi. Per questi scopi, vengono spesso utilizzati formati come PNG o GIF, che supportano la trasparenza.

JPEG inoltre non supporta livelli o animazioni. A differenza di formati come TIFF per livelli o GIF per animazioni, JPEG è rigorosamente un formato a immagine singola. Ciò lo rende inadatto per immagini che richiedono l'editing in livelli o per la creazione di immagini animate. Per gli utenti che devono lavorare con livelli o animazioni, devono utilizzare altri formati durante il processo di editing e possono quindi convertire in JPEG per la distribuzione, se necessario.

Nonostante queste limitazioni, JPEG rimane uno dei formati di immagine più popolari grazie alla sua compressione efficiente e alla compatibilità con praticamente tutti i software di visualizzazione e modifica delle immagini. È particolarmente adatto per fotografie e immagini complesse con toni e colori continui. Per l'uso sul web, le immagini JPEG possono essere ottimizzate per bilanciare qualità e dimensioni del file, rendendole ideali per tempi di caricamento rapidi pur fornendo risultati visivamente gradevoli.

Il formato JPEG si è anche evoluto nel tempo con lo sviluppo di varianti come JPEG 2000 e JPEG XR. JPEG 2000 offre una migliore efficienza di compressione, una migliore gestione degli artefatti dell'immagine e la possibilità di gestire la trasparenza. JPEG XR, d'altra parte, fornisce una migliore compressione a livelli di qualità più elevati e supporta una gamma più ampia di profondità di colore e spazi colore. Tuttavia, questi nuovi formati non hanno ancora raggiunto lo stesso livello di ubiquità del formato JPEG originale.

In conclusione, il formato immagine JPEG è un formato versatile e ampiamente supportato che trova un equilibrio tra qualità dell'immagine e dimensioni del file. Il suo utilizzo di DCT e quantizzazione consente una significativa riduzione delle dimensioni del file con un impatto personalizzabile sulla qualità dell'immagine. Sebbene presenti alcune limitazioni, come la mancanza di supporto per trasparenza, livelli e animazioni, i suoi vantaggi in termini di compatibilità ed efficienza lo rendono un punto fermo nell'imaging digitale. Man mano che la tecnologia progredisce, i nuovi formati potrebbero offrire miglioramenti, ma l'eredità e l'ampia adozione di JPEG garantiscono che rimarrà una parte fondamentale dell'imaging digitale per il prossimo futuro.