Zobacz metadane EXIF dla JPEG

JPEG, co oznacza Joint Photographic Experts Group, to powszechnie stosowana metoda kompresji stratnej dla obrazów cyfrowych, szczególnie tych uzyskanych za pomocą fotografii cyfrowej. Stopień kompresji można regulować, co pozwala na wybór kompromisu między rozmiarem pliku a jakością obrazu. JPEG zwykle osiąga kompresję 10:1 przy niewielkiej zauważalnej utracie jakości obrazu.

Algorytm kompresji JPEG stanowi podstawę standardu JPEG. Proces rozpoczyna się od konwersji obrazu cyfrowego z typowej przestrzeni kolorów RGB do innej przestrzeni kolorów znanej jako YCbCr. Przestrzeń kolorów YCbCr dzieli obraz na luminancję (Y), która reprezentuje poziomy jasności, oraz chrominancję (Cb i Cr), która reprezentuje informacje o kolorze. Ten podział jest korzystny, ponieważ ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na zmiany jasności niż koloru, co pozwala kompresji wykorzystać to poprzez kompresowanie informacji o kolorze bardziej niż luminancji.

Gdy obraz znajduje się w przestrzeni kolorów YCbCr, następnym krokiem w procesie kompresji JPEG jest zmniejszenie próbkowania kanałów chrominancji. Zmniejszenie próbkowania zmniejsza rozdzielczość informacji o chrominancji, co zwykle nie wpływa znacząco na postrzeganą jakość obrazu ze względu na niższą wrażliwość ludzkiego oka na szczegóły kolorów. Ten krok jest opcjonalny i można go dostosować w zależności od pożądanego balansu między jakością obrazu a rozmiarem pliku.

Po zmniejszeniu próbkowania obraz jest dzielony na bloki, zwykle o rozmiarze 8x8 pikseli. Następnie każdy blok jest przetwarzany osobno. Pierwszym krokiem w przetwarzaniu każdego bloku jest zastosowanie dyskretnej transformacji kosinusowej (DCT). DCT to operacja matematyczna, która przekształca dane domeny przestrzennej (wartości pikseli) w domenę częstotliwości. Wynikiem jest macierz współczynników częstotliwości, które reprezentują dane bloku obrazu w kategoriach jego składowych częstotliwości przestrzennej.

Współczynniki częstotliwości wynikające z DCT są następnie kwantyzowane. Kwantyzacja to proces mapowania dużego zestawu wartości wejściowych na mniejszy zestaw – w przypadku JPEG oznacza to zmniejszenie precyzji współczynników częstotliwości. W tym miejscu następuje stratna część kompresji, ponieważ część informacji o obrazie jest odrzucana. Krok kwantyzacji jest kontrolowany przez tabelę kwantyzacji, która określa, ile kompresji jest stosowane do każdej składowej częstotliwości. Tabele kwantyzacji można dostosować, aby uzyskać wyższą jakość obrazu (mniej kompresji) lub mniejszy rozmiar pliku (więcej kompresji).

Po kwantyzacji współczynniki są układane w kolejności zygzakowatej, zaczynając od lewego górnego rogu i postępując zgodnie ze schematem, który priorytetyzuje niższe składowe częstotliwości nad wyższymi. Wynika to z faktu, że niższe składowe częstotliwości (które reprezentują bardziej jednolite części obrazu) są ważniejsze dla ogólnego wyglądu niż wyższe składowe częstotliwości (które reprezentują drobniejsze szczegóły i krawędzie).

Następnym krokiem w procesie kompresji JPEG jest kodowanie entropii, które jest metodą kompresji bezstratnej. Najczęstszą formą kodowania entropii stosowaną w JPEG jest kodowanie Huffmana, chociaż kodowanie arytmetyczne jest również opcją. Kodowanie Huffmana działa poprzez przypisywanie krótszych kodów do częstszych wystąpień i dłuższych kodów do rzadszych wystąpień. Ponieważ porządek zygzakowaty ma tendencję do grupowania podobnych współczynników częstotliwości, zwiększa to wydajność kodowania Huffmana.

Po zakończeniu kodowania entropii skompresowane dane są przechowywane w formacie pliku zgodnym ze standardem JPEG. Ten format pliku zawiera nagłówek, który zawiera informacje o obrazie, takie jak jego wymiary i użyte tabele kwantyzacji, a następnie zakodowane kodem Huffmana dane obrazu. Format pliku obsługuje również dołączanie metadanych, takich jak dane EXIF, które mogą zawierać informacje o ustawieniach aparatu użytego do wykonania zdjęcia, dacie i godzinie wykonania zdjęcia oraz innych istotnych szczegółach.

Gdy obraz JPEG jest otwierany, proces dekompresji zasadniczo odwraca kroki kompresji. Dane zakodowane kodem Huffmana są dekodowane, skwantyzowane współczynniki częstotliwości są dekwantyzowane przy użyciu tych samych tabel kwantyzacji, które były używane podczas kompresji, a odwrotna dyskretna transformacja kosinusowa (IDCT) jest stosowana do każdego bloku w celu przekonwertowania danych domeny częstotliwości z powrotem do wartości pikseli domeny przestrzennej.

Procesy dekwantyzacji i IDCT wprowadzają pewne błędy ze względu na stratny charakter kompresji, dlatego JPEG nie jest idealny dla obrazów, które będą podlegały wielokrotnym edycjom i ponownym zapisom. Za każdym razem, gdy obraz JPEG jest zapisywany, przechodzi ponownie przez proces kompresji, a dodatkowe informacje o obrazie są tracone. Może to prowadzić do zauważalnego pogorszenia jakości obrazu w czasie, zjawisko znane jako „utrata generacji”.

Pomimo stratnego charakteru kompresji JPEG pozostaje popularnym formatem obrazu ze względu na swoją elastyczność i wydajność. Obrazy JPEG mogą mieć bardzo mały rozmiar pliku, co czyni je idealnymi do użytku w Internecie, gdzie przepustowość i czasy ładowania są ważnymi czynnikami. Ponadto standard JPEG zawiera tryb progresywny, który pozwala na zakodowanie obrazu w taki sposób, aby można go było dekodować w wielu przejściach, przy czym każde przejście poprawia rozdzielczość obrazu. Jest to szczególnie przydatne w przypadku obrazów internetowych, ponieważ pozwala na szybkie wyświetlenie wersji obrazu o niskiej jakości, a jakość poprawia się wraz z pobieraniem większej ilości danych.

JPEG ma również pewne ograniczenia i nie zawsze jest najlepszym wyborem dla wszystkich typów obrazów. Na przykład nie nadaje się do obrazów z ostrymi krawędziami lub tekstem o wysokim kontraście, ponieważ kompresja może tworzyć zauważalne artefakty wokół tych obszarów. Ponadto JPEG nie obsługuje przezroczystości, która jest funkcją oferowaną przez inne formaty, takie jak PNG i GIF.

Aby rozwiązać niektóre ograniczenia oryginalnego standardu JPEG, opracowano nowe formaty, takie jak JPEG 2000 i JPEG XR. Formaty te oferują lepszą wydajność kompresji, obsługę większych głębi bitowych oraz dodatkowe funkcje, takie jak przezroczystość i kompresja bezstratna. Jednak nie osiągnęły jeszcze takiego samego poziomu powszechnej akceptacji jak oryginalny format JPEG.

Podsumowując, format obrazu JPEG to złożona równowaga matematyki, ludzkiej psychologii wzrokowej i informatyki. Jego szerokie zastosowanie świadczy o jego skuteczności w zmniejszaniu rozmiarów plików przy jednoczesnym zachowaniu poziomu jakości obrazu, który jest akceptowalny dla większości zastosowań. Zrozumienie aspektów technicznych JPEG może pomóc użytkownikom podejmować świadome decyzje o tym, kiedy używać tego formatu i jak optymalizować swoje obrazy pod kątem równowagi jakości i rozmiaru pliku, która najlepiej odpowiada ich potrzebom.