Zobacz JPEs

JPEG, co oznacza Joint Photographic Experts Group, to powszechnie stosowana metoda kompresji stratnej dla obrazów cyfrowych, szczególnie tych wytwarzanych przez fotografię cyfrową. Stopień kompresji można regulować, co pozwala na wybór kompromisu między rozmiarem pamięci masowej a jakością obrazu. JPEG zwykle osiąga kompresję 10:1 przy niewielkiej zauważalnej utracie jakości obrazu. Algorytm kompresji JPEG stanowi podstawę formatu pliku JPEG, który jest formalnie znany jako JPEG Interchange Format (JIF). Jednak termin „JPEG” jest często używany w odniesieniu do formatu pliku, który jest faktycznie znormalizowany jako JPEG File Interchange Format (JFIF).

Format JPEG obsługuje różne przestrzenie kolorów, ale najczęstszą używaną w fotografii cyfrowej i grafice internetowej jest kolor 24-bitowy, który zawiera po 8 bitów dla składowych czerwonej, zielonej i niebieskiej (RGB). Pozwala to na ponad 16 milionów różnych kolorów, zapewniając bogatą i żywą jakość obrazu odpowiednią do szerokiego zakresu zastosowań. Pliki JPEG mogą również obsługiwać obrazy w skali szarości i przestrzenie kolorów, takie jak YCbCr, która jest często używana w kompresji wideo.

Algorytm kompresji JPEG opiera się na dyskretnej transformacie kosinusowej (DCT), która jest rodzajem transformacji Fouriera. DCT jest stosowana do małych bloków obrazu, zwykle 8x8 pikseli, przekształcając dane domeny przestrzennej w dane domeny częstotliwości. Proces ten jest korzystny, ponieważ ma tendencję do koncentrowania energii obrazu w kilku składowych niskiej częstotliwości, które są ważniejsze dla ogólnego wyglądu obrazu, podczas gdy składowe wysokiej częstotliwości, które przyczyniają się do drobnych szczegółów i mogą być odrzucane z mniejszym wpływem na postrzeganą jakość, są redukowane.

Po zastosowaniu DCT, wynikowe współczynniki są kwantyzowane. Kwantyzacja to proces mapowania dużego zestawu wartości wejściowych na mniejszy zestaw, skutecznie zmniejszając precyzję współczynników DCT. To tutaj wkracza stratny aspekt JPEG. Stopień kwantyzacji jest określany przez tabelę kwantyzacji, którą można dostosować, aby zrównoważyć jakość obrazu i współczynnik kompresji. Wyższy poziom kwantyzacji skutkuje wyższą kompresją i niższą jakością obrazu, podczas gdy niższy poziom kwantyzacji skutkuje niższą kompresją i wyższą jakością obrazu.

Po skwantyzowaniu współczynników są one następnie serializowane w kolejności zygzakowatej, zaczynając od lewego górnego rogu i podążając wzorem zygzakowatym przez blok 8x8. Ten krok ma na celu umieszczenie współczynników niskiej częstotliwości na początku bloku, a współczynników wysokiej częstotliwości pod koniec. Ponieważ wiele współczynników wysokiej częstotliwości prawdopodobnie będzie zerowych lub bliskich zeru po kwantyzacji, takie uporządkowanie pomaga w dalszej kompresji danych poprzez grupowanie podobnych wartości razem.

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 wartości i dłuższych kodów do rzadszych wartości. Ponieważ skwantyzowane współczynniki DCT są uporządkowane w sposób, który grupuje zera i wartości niskiej częstotliwości, kodowanie Huffmana może skutecznie zmniejszyć rozmiar danych.

Format pliku JPEG umożliwia również przechowywanie metadanych w pliku, takich jak dane Exif, które zawierają informacje o ustawieniach aparatu, dacie i godzinie wykonania zdjęcia oraz inne istotne szczegóły. Te metadane są przechowywane w segmentach specyficznych dla aplikacji pliku JPEG, które mogą być odczytywane przez różne oprogramowanie w celu wyświetlania lub przetwarzania informacji o obrazie.

Jedną z kluczowych cech formatu JPEG jest jego obsługa kodowania progresywnego. W progresywnym JPEG obraz jest kodowany w wielu przejściach o coraz większej szczegółowości. Oznacza to, że nawet jeśli obraz nie został całkowicie pobrany, można wyświetlić wersję roboczą całego obrazu, która stopniowo poprawia się wraz z odbieraniem większej ilości danych. Jest to szczególnie przydatne w przypadku obrazów internetowych, ponieważ pozwala użytkownikom uzyskać wyobrażenie o zawartości obrazu bez konieczności czekania na pobranie całego pliku.

Pomimo powszechnego stosowania i wielu zalet, format JPEG ma pewne ograniczenia. Jednym z najważniejszych jest kwestia artefaktów, czyli zniekształceń lub anomalii wizualnych, które mogą wystąpić w wyniku kompresji stratnej. Artefakty te mogą obejmować rozmycie, blokowanie i „dzwonienie” wokół krawędzi. Widoczność artefaktów zależy od poziomu kompresji i zawartości obrazu. Obrazy z płynnymi gradientami lub subtelnymi zmianami kolorów są bardziej podatne na pojawianie się artefaktów kompresji.

Kolejnym ograniczeniem JPEG jest to, że nie obsługuje przezroczystości ani kanałów alfa. Oznacza to, że obrazy JPEG nie mogą mieć przezroczystych tła, co może być wadą w przypadku niektórych zastosowań, takich jak projektowanie stron internetowych, gdzie nakładanie obrazów na różne tła jest powszechne. W takich celach często używa się zamiast tego formatów takich jak PNG lub GIF, które obsługują przezroczystość.

JPEG również nie obsługuje warstw ani animacji. W przeciwieństwie do formatów takich jak TIFF dla warstw lub GIF dla animacji, JPEG jest ściśle formatem jednoobrazkowym. To sprawia, że nie nadaje się do obrazów, które wymagają edycji w warstwach lub do tworzenia animowanych obrazów. Użytkownicy, którzy muszą pracować z warstwami lub animacjami, muszą używać innych formatów podczas procesu edycji, a następnie mogą przekonwertować do JPEG w celu dystrybucji, jeśli jest to konieczne.

Pomimo tych ograniczeń, JPEG pozostaje jednym z najpopularniejszych formatów obrazów ze względu na jego wydajną kompresję i kompatybilność z praktycznie wszystkimi programami do przeglądania i edycji obrazów. Jest szczególnie dobrze przystosowany do fotografii i złożonych obrazów o ciągłych tonach i kolorach. W przypadku użycia w Internecie obrazy JPEG można zoptymalizować, aby zrównoważyć jakość i rozmiar pliku, dzięki czemu są idealne do szybkiego ładowania, jednocześnie zapewniając wizualnie przyjemne rezultaty.

Format JPEG również ewoluował w czasie wraz z rozwojem wariantów, takich jak JPEG 2000 i JPEG XR. JPEG 2000 oferuje lepszą wydajność kompresji, lepsze radzenie sobie z artefaktami obrazu i możliwość obsługi przezroczystości. JPEG XR z kolei zapewnia lepszą kompresję przy wyższych poziomach jakości i obsługuje szerszy zakres głębi kolorów i przestrzeni kolorów. Jednak te nowsze formaty nie osiągnęły jeszcze takiego samego poziomu powszechności jak oryginalny format JPEG.

Podsumowując, format obrazu JPEG jest wszechstronnym i szeroko obsługiwanym formatem, który zapewnia równowagę między jakością obrazu a rozmiarem pliku. Jego wykorzystanie DCT i kwantyzacji pozwala na znaczną redukcję rozmiaru pliku przy konfigurowalnym wpływie na jakość obrazu. Chociaż ma pewne ograniczenia, takie jak brak obsługi przezroczystości, warstw i animacji, jego zalety pod względem kompatybilności i wydajności sprawiają, że jest podstawą w przetwarzaniu obrazu cyfrowego. W miarę postępu technologii nowsze formaty mogą oferować ulepszenia, ale dziedzictwo JPEG i powszechna adopcja zapewniają, że pozostanie on podstawową częścią przetwarzania obrazu cyfrowego w przewidywalnej przyszłości.