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JPEG（Joint Photographic Experts Group）画像フォーマットは、一般的にJPGとして知られており、デジタル画像、特にデジタル写真で生成された画像のロス有圧縮法として広く使用されています。圧縮の程度は調整でき、ストレージサイズと画質の間で選択可能なトレードオフを可能にします。JPEGは通常、画質の低下がほとんどない10:1の圧縮を実現します。

JPEG圧縮は、多くの画像ファイルフォーマットで使用されています。JPEG/Exifは、デジタルカメラやその他の画像キャプチャデバイスで最も一般的に使用される画像フォーマットです。JPEG/JFIFとともに、ワールドワイドウェブ上で写真画像を保存および送信するための最も一般的なフォーマットです。これらのフォーマットのバリエーションは、多くの場合区別されず、単にJPEGと呼ばれます。

JPEGフォーマットには、JPEG/Exif、JPEG/JFIF、JPEG 2000など、さまざまな標準が含まれています。JPEG 2000は、より高い計算複雑性でより優れた圧縮効率を提供する新しい標準です。JPEG標準は複雑で、さまざまな部分とプロファイルがありますが、最も一般的に使用されるJPEG標準はベースラインJPEGです。これは、ほとんどの人が「JPEG」画像について言及するときに言及しているものです。

JPEG圧縮アルゴリズムは、そのコアでは離散コサイン変換（DCT）ベースの圧縮技術です。DCTは、離散フーリエ変換（DFT）と同様のフーリエ関連変換ですが、コサイン関数のみを使用します。DCTは、信号の大部分をスペクトルの低周波数領域に集中させるという特性があるため使用され、これは自然画像の特性とよく相関しています。

JPEG圧縮プロセスには、いくつかのステップが含まれます。最初に、画像は元のカラースペース（通常はRGB）からYCbCrと呼ばれる別のカラースペースに変換されます。YCbCrカラースペースは、画像を輝度成分（Y）（明るさのレベルを表す）と2つの色差成分（CbとCr）（色情報を表す）に分割します。この分離は、人間の目は色よりも明るさの変化に敏感であるため、色差成分を大幅に圧縮しても知覚される画質に大きな影響を与えないため、有益です。

カラースペース変換後、画像はブロックに分割され、通常は8x8ピクセルのサイズになります。その後、各ブロックは個別に処理されます。各ブロックに対してDCTが適用され、空間領域データを周波数領域データに変換します。このステップは、自然画像は高周波数成分よりも重要な低周波数成分を持つ傾向があるため、画像データを圧縮しやすくするため、非常に重要です。

DCTが適用されると、結果の係数は量子化されます。量子化は、大規模な入力値セットをより小さなセットにマッピングするプロセスであり、それらを格納するために必要なビット数を効果的に削減します。これは、JPEG圧縮における損失の主な原因です。量子化ステップは、各DCT係数に適用される圧縮量を決定する量子化テーブルによって制御されます。量子化テーブルを調整することで、ユーザーは画質とファイルサイズのトレードオフを行うことができます。

量子化後、係数はジグザグスキャンによって線形化され、周波数が増加する順に並べられます。このステップは、量子化後にゼロまたはゼロに近い可能性が高い低周波数係数と、ゼロまたはゼロに近い可能性が高い高周波数係数をグループ化するため、重要です。この順序付けは、次のステップであるエントロピー符号化を容易にします。

エントロピー符号化は、量子化されたDCT係数に適用される可逆圧縮法です。JPEGで使用されるエントロピー符号化の最も一般的な形式はハフマン符号化ですが、算術符号化も標準でサポートされています。ハフマン符号化は、より頻繁な要素に短いコードを、より頻繁でない要素に長いコードを割り当てることで機能します。自然画像は、特に高周波数領域で量子化後に多くのゼロまたはゼロに近い係数を持つ傾向があるため、ハフマン符号化は圧縮データのサイズを大幅に削減できます。

JPEG圧縮プロセスの最後のステップは、圧縮データをファイルフォーマットに格納することです。最も一般的なフォーマットはJPEGファイル交換フォーマット（JFIF）で、圧縮データと、量子化テーブルやハフマンコードテーブルなどの関連メタデータを、さまざまなソフトウェアでデコードできるファイルで表す方法を定義します。もう1つの一般的なフォーマットは、デジタルカメラで使用され、カメラの設定やシーン情報などのメタデータを含む交換可能な画像ファイルフォーマット（Exif）です。

JPEGファイルには、ファイル内の特定のパラメータまたはアクションを定義するコードシーケンスであるマーカーも含まれています。これらのマーカーは、画像の開始、画像の終了、量子化テーブルの定義、ハフマンコードテーブルの指定などを示すことができます。マーカーは、圧縮データから画像を再構築するために必要な情報を提供するため、JPEG画像の適切なデコードに不可欠です。

JPEGの重要な機能の1つは、プログレッシブエンコーディングのサポートです。プログレッシブJPEGでは、画像は複数のパスでエンコードされ、それぞれが画質を向上させます。これにより、ファイルがまだダウンロードされている間でも、画像の低品質バージョンを表示できます。これは、Web画像に特に役立ちます。プログレッシブJPEGファイルは一般的にベースラインJPEGファイルよりも大きいですが、読み込み中の画質の違いはユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。

広く使用されているにもかかわらず、JPEGにはいくつかの制限があります。圧縮のロス有な性質により、画像に目に見える正方形が表示されるブロック化や、エッジに偽の振動が伴う「リンギング」などのアーティファクトが発生する可能性があります。これらのアーティファクトは、より高い圧縮レベルでより顕著になります。さらに、JPEGは、圧縮アルゴリズムがエッジをぼかして可読性を低下させる可能性があるため、シャープなエッジやコントラストの高いテキストを含む画像には適していません。

元のJPEG標準のいくつかの制限に対処するために、JPEG 2000が開発されました。JPEG 2000は、ベースラインJPEGに対して、より優れた圧縮効率、ロスレス圧縮のサポート、より広範な種類の画像タイプを効果的に処理する機能など、いくつかの改善を提供します。ただし、JPEG 2000は、計算複雑性の増加と一部のソフトウェアやWebブラウザでのサポートの欠如が主な理由で、元のJPEG標準と比較して広く採用されていません。

結論として、JPEG画像フォーマットは、写真画像を圧縮するための複雑ながらも効率的な方法です。広く採用されているのは、画質とファイルサイズのバランスを柔軟に調整できるため、Webグラフィックスからプロの写真まで、さまざまなアプリケーションに適しています。圧縮アーティファクトへの感受性などの欠点がありますが、使いやすさと幅広いデバイスやソフトウェアでのサポートにより、現在最も人気のある画像フォーマットの1つになっています。