Zobacz metadane EXIF dla JPC

Format pliku JP2 lub JPEG 2000 część 1 to system kodowania obrazu, który został stworzony jako następca oryginalnego standardu JPEG przez Joint Photographic Experts Group. Został wprowadzony w roku 2000 i jest formalnie znany jako ISO/IEC 15444-1. W przeciwieństwie do swojego poprzednika, JPEG 2000 został zaprojektowany w celu zapewnienia bardziej wydajnej i elastycznej techniki kompresji obrazu, która mogłaby rozwiązać niektóre ograniczenia oryginalnego formatu JPEG. JPEG 2000 wykorzystuje kompresję opartą na falkach, która umożliwia zarówno kompresję bezstratną, jak i stratną w tym samym pliku, zapewniając wyższy stopień skalowalności i wierności obrazu.

Jedną z kluczowych cech formatu JPEG 2000 jest wykorzystanie dyskretnej transformacji falkowej (DWT) w przeciwieństwie do dyskretnej transformacji kosinusowej (DCT) stosowanej w oryginalnym formacie JPEG. DWT oferuje kilka zalet w porównaniu z DCT, w tym lepszą wydajność kompresji, szczególnie w przypadku obrazów o wyższej rozdzielczości, oraz zmniejszone artefakty blokowania. Wynika to z faktu, że transformacja falkowa jest w stanie przedstawić obraz z różnym poziomem szczegółowości, który można dostosować do konkretnych potrzeb aplikacji lub preferencji użytkownika.

Format JP2 obsługuje szeroką gamę przestrzeni kolorów, w tym skala szarości, RGB, YCbCr i inne, a także różne głębie bitowe, od obrazów binarnych do 16 bitów na kanał. Ta elastyczność sprawia, że nadaje się do różnych zastosowań, od fotografii cyfrowej po obrazowanie medyczne i teledetekcję. Ponadto JPEG 2000 obsługuje przezroczystość poprzez wykorzystanie kanału alfa, co nie jest możliwe w standardowym formacie JPEG.

Kolejną znaczącą zaletą JPEG 2000 jest obsługa progresywnego dekodowania. Oznacza to, że obraz można dekodować i wyświetlać w niższych rozdzielczościach i poziomach jakości przed pobraniem całego pliku, co jest szczególnie przydatne w przypadku aplikacji internetowych. W miarę dostępności większej ilości danych jakość obrazu może być stopniowo poprawiana. Ta funkcja, znana jako „warstwy jakości”, umożliwia wydajne wykorzystanie przepustowości i zapewnia lepsze wrażenia użytkownika w środowiskach o ograniczonej przepustowości.

JPEG 2000 wprowadza również koncepcję „obszarów zainteresowania” (ROI). Dzięki ROI niektóre części obrazu można kodować w wyższej jakości niż reszta obrazu. Jest to szczególnie przydatne, gdy konieczne jest zwrócenie uwagi na określone obszary obrazu, takie jak w nadzorze lub diagnostyce medycznej, gdzie nacisk może być położony na konkretną anomalię lub cechę obrazu.

Format JP2 obejmuje solidne możliwości obsługi metadanych. Może przechowywać szeroki zakres informacji o metadanych, takich jak metadane International Press Telecommunications Council (IPTC), dane Exif, dane XML, a nawet informacje o własności intelektualnej. To kompleksowe wsparcie metadanych ułatwia lepsze katalogowanie i archiwizowanie obrazów oraz zapewnia, że ważne informacje o obrazie są zachowywane i łatwo dostępne.

Odporność na błędy to kolejna cecha JPEG 2000, która sprawia, że nadaje się do użytku w sieciach, w których może wystąpić utrata danych, takich jak komunikacja bezprzewodowa lub satelitarna. Format zawiera mechanizmy wykrywania i korekcji błędów, które mogą pomóc w zapewnieniu prawidłowego dekodowania obrazów, nawet gdy niektóre dane zostały uszkodzone podczas transmisji.

Pliki JPEG 2000 są zwykle większe niż pliki JPEG, gdy są kodowane przy podobnych poziomach jakości, co było jedną z barier dla ich powszechnego przyjęcia. Jednak w przypadku aplikacji, w których jakość obrazu jest najważniejsza, a zwiększony rozmiar pliku nie stanowi istotnego problemu, JPEG 2000 oferuje wyraźne zalety. Warto również zauważyć, że wyższa wydajność kompresji formatu może skutkować mniejszymi rozmiarami plików przy wyższych poziomach jakości w porównaniu z JPEG, szczególnie w przypadku obrazów o wysokiej rozdzielczości.

Format JP2 jest rozszerzalny i został zaprojektowany jako część większego zestawu standardów znanych jako JPEG 2000. Ten zestaw zawiera różne części, które rozszerzają możliwości podstawowego formatu, takie jak obsługa obrazów ruchomych (JPEG 2000 część 2), bezpieczna transmisja obrazu (JPEG 2000 część 8) i interaktywne protokoły (JPEG 2000 część 9). Ta rozszerzalność zapewnia, że format może ewoluować, aby sprostać potrzebom przyszłych aplikacji multimedialnych.

Pod względem struktury pliku plik JP2 składa się z sekwencji boksów, z których każdy zawiera określony typ danych. Boksy obejmują boks sygnatury pliku, który identyfikuje plik jako strumień kodowy JPEG 2000, boks typu pliku, który określa typ nośnika i zgodność, oraz boks nagłówka, który zawiera właściwości obrazu, takie jak szerokość, wysokość, przestrzeń kolorów i głębia bitowa. Dodatkowe boksy mogą zawierać dane specyfikacji kolorów, dane palety dla indeksowanych obrazów kolorowych, informacje o rozdzielczości i dane dotyczące praw własności intelektualnej.

Rzeczywiste dane obrazu w pliku JP2 znajdują się w boksie „ciągłego strumienia kodowego”, który zawiera skompresowane dane obrazu i wszelkie informacje o stylu kodowania. Strumień kodowy jest podzielony na „kafelki”, które są niezależnie kodowanymi segmentami obrazu. Ta funkcja kafelkowania umożliwia wydajny dostęp losowy do części obrazu bez konieczności dekodowania całego obrazu, co jest korzystne w przypadku dużych obrazów lub gdy wymagana jest tylko część obrazu.

Proces kompresji w JPEG 2000 obejmuje kilka kroków. Najpierw obraz jest opcjonalnie wstępnie przetwarzany, co może obejmować kafelkowanie, transformację kolorów i próbkowanie w dół. Następnie DWT jest stosowana do przekształcenia danych obrazu w hierarchiczny zestaw współczynników, które reprezentują obraz w różnych rozdzielczościach i poziomach jakości. Te współczynniki są następnie kwantyzowane, co można wykonać bezstratnie lub stratnie, a skwantyzowane wartości są kodowane entropią przy użyciu technik takich jak kodowanie arytmetyczne lub kodowanie drzewa binarnego.

Jednym z wyzwań w przyjęciu JPEG 2000 była złożoność obliczeniowa procesów kodowania i dekodowania, które są bardziej zasobożerne niż w przypadku oryginalnego standardu JPEG. Ograniczyło to jego zastosowanie w niektórych aplikacjach czasu rzeczywistego lub o niskim poborze mocy. Jednak postęp w mocy obliczeniowej i rozwój zoptymalizowanych algorytmów i akceleratorów sprzętowych uczyniły JPEG 2000 bardziej dostępnym dla szerszej gamy aplikacji.

Pomimo swoich zalet JPEG 2000 nie zastąpił oryginalnego formatu JPEG w większości popularnych aplikacji. Prostota JPEG, szerokie wsparcie i bezwładność istniejącej infrastruktury przyczyniły się do jego ciągłej dominacji. Jednak JPEG 2000 znalazł niszę w dziedzinach profesjonalnych, w których jego zaawansowane funkcje, takie jak wyższy zakres dynamiki, kompresja bezstratna i doskonała jakość obrazu, mają kluczowe znaczenie. Jest powszechnie stosowany w obrazowaniu medycznym, kinie cyfrowym, obrazowaniu geoprzestrzennym i archiwizacji, gdzie zalety formatu przewyższają wady większych rozmiarów plików i zwiększonych wymagań obliczeniowych.

Podsumowując, format obrazu JPEG 2000 stanowi znaczący postęp w technologii kompresji obrazu, oferując szereg funkcji, które poprawiają ograniczenia oryginalnego standardu JPEG. Jego wykorzystanie kompresji opartej na falkach pozwala na uzyskanie obrazów wysokiej jakości ze skalowalną rozdzielczością i jakością, a jego obsługa progresywnego dekodowania, obszarów zainteresowania i solidnych metadanych czyni go wszechstronnym wyborem dla wielu profesjonalnych aplikacji. Chociaż nie stał się uniwersalnym standardem kompresji obrazu, JPEG 2000 nadal jest ważnym narzędziem dla branż, w których jakość i wierność obrazu mają najwyższe znaczenie.