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JPEG，即联合图像专家组，是一种常用的有损压缩数字图像的方法，特别是对于数码摄影产生的图像。压缩程度可以调整，允许在存储大小和图像质量之间进行可选择的权衡。JPEG 通常以几乎无法察觉的图像质量损失实现 10:1 压缩。JPEG 压缩算法是 JPEG 文件格式的核心，该格式正式称为 JPEG 交换格式 (JIF)。但是，“JPEG”一词通常用于指实际上标准化为 JPEG 文件交换格式 (JFIF) 的文件格式。

JPEG 格式支持各种色彩空间，但数码摄影和网络图形中最常用的色彩空间是 24 位色彩，其中红色、绿色和蓝色 (RGB) 分量各包含 8 位。这允许超过 1600 万种不同的颜色，提供适合广泛应用的丰富而鲜艳的图像质量。JPEG 文件还可以支持灰度图像和色彩空间，例如 YCbCr，它通常用于视频压缩。

JPEG 压缩算法基于离散余弦变换 (DCT)，它是一种傅里叶变换。DCT 应用于图像的小块，通常为 8x8 像素，将空间域数据转换为频域数据。此过程是有利的，因为它倾向于将图像的能量集中到几个低频分量中，这些分量对图像的整体外观更重要，而高频分量有助于精细的细节，并且可以丢弃而对感知质量的影响较小，被减少。

应用 DCT 后，对所得系数进行量化。量化是将一大组输入值映射到一小组的过程，有效地降低了 DCT 系数的精度。这是 JPEG 有损方面发挥作用的地方。量化程度由量化表决定，该量化表可以调整以平衡图像质量和压缩比。较高的量化级别会导致更高的压缩和较低的图像质量，而较低的量化级别会导致较低的压缩和较高的图像质量。

对系数进行量化后，它们将按锯齿形顺序序列化，从左上角开始，并按照锯齿形模式穿过 8x8 块。此步骤旨在将低频系数放在块的开头，并将高频系数放在结尾处。由于许多高频系数在量化后可能为零或接近零，因此此排序有助于通过将相似值分组在一起进一步压缩数据。

JPEG 压缩过程中的下一步是熵编码，这是一种无损压缩方法。JPEG 中最常用的熵编码形式是霍夫曼编码，尽管算术编码也是一种选择。霍夫曼编码通过为更频繁的值分配较短的代码，为不那么频繁的值分配较长的代码来工作。由于量化的 DCT 系数按将零和低频值分组的方式排序，因此霍夫曼编码可以有效地减小数据大小。

JPEG 文件格式还允许在文件中存储元数据，例如包含有关相机设置、拍摄日期和时间以及其他相关详细信息的 Exif 数据。此元数据存储在 JPEG 文件的特定于应用程序的段中，各种软件可以读取这些段以显示或处理图像信息。

JPEG 格式的一个关键特性是对渐进编码的支持。在渐进式 JPEG 中，图像以多个越来越详细的通道进行编码。这意味着即使图像尚未完全下载，也可以显示整个图像的粗略版本，随着接收更多数据，图像质量会逐渐提高。这对于网络图像特别有用，允许用户在不必等待整个文件下载的情况下了解图像内容。

尽管 JPEG 格式被广泛使用且具有许多优点，但它也有一些局限性。最显着的问题之一是伪影问题，伪影是由于有损压缩而可能发生的失真或视觉异常。这些伪影可能包括模糊、块状和边缘周围的“振铃”。伪影的可见性受压缩级别和图像内容的影响。具有平滑渐变或微妙颜色变化的图像更容易显示压缩伪影。

JPEG 的另一个限制是它不支持透明度或 alpha 通道。这意味着 JPEG 图像不能有透明背景，这对于某些应用程序（例如网络设计）来说可能是一个缺点，在这些应用程序中，在不同背景上叠加图像很常见。对于这些目的，通常使用支持透明度的格式，例如 PNG 或 GIF。

JPEG 也不支持图层或动画。与用于图层的 TIFF 或用于动画的 GIF 等格式不同，JPEG 严格来说是一种单图像格式。这使其不适合需要分层编辑或创建动画图像的图像。对于需要使用图层或动画的用户，他们必须在编辑过程中使用其他格式，然后在需要时转换为 JPEG 以进行分发。

尽管存在这些限制，但 JPEG 仍然是最流行的图像格式之一，因为它具有高效的压缩和与几乎所有图像查看和编辑软件的兼容性。它特别适合具有连续色调和颜色的照片和复杂图像。对于网络使用，JPEG 图像可以优化以平衡质量和文件大小，使其非常适合快速加载时间，同时仍然提供视觉上令人愉悦的结果。

JPEG 格式也随着 JPEG 2000 和 JPEG XR 等变体的开发而不断发展。JPEG 2000 提供了更高的压缩效率、更好的图像伪影处理能力以及处理透明度。另一方面，JPEG XR 在更高的质量级别下提供了更好的压缩，并支持更广泛的色深和色彩空间。然而，这些较新的格式尚未达到与原始 JPEG 格式相同的普及程度。

总之，JPEG 图像格式是一种通用且广泛支持的格式，它在图像质量和文件大小之间取得了平衡。它使用 DCT 和量化可以显着减小文件大小，同时对图像质量产生可定制的影响。虽然它有一些限制，例如不支持透明度、图层和动画，但它在兼容性和效率方面的优势使其成为数字成像中的主要格式。随着技术的进步，较新的格式可能会提供改进，但 JPEG 的传统和广泛采用确保它将在可预见的未来仍然是数字成像的基本组成部分。