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Das JPEG 2000 Multi-Layer (JPM)-Format ist eine Erweiterung des JPEG 2000-Standards, einem Bildkomprimierungsstandard und Codierungssystem. Es wurde im Jahr 2000 vom Joint Photographic Experts Group-Komitee mit der Absicht erstellt, den ursprünglichen JPEG-Standard abzulösen. JPEG 2000 ist bekannt für seine hohe Komprimierungseffizienz und seine Fähigkeit, eine Vielzahl von Bildtypen zu verarbeiten, darunter Graustufen-, Farb- und Mehrkomponentenbilder. Das JPM-Format erweitert speziell die Fähigkeiten von JPEG 2000 um die Unterstützung von Verbunddokumenten, die eine Mischung aus Text, Grafiken und Bildern enthalten können.

JPM ist in Teil 6 der JPEG 2000 Suite (ISO/IEC 15444-6) definiert und wurde entwickelt, um mehrere Bilder und zugehörige Daten in einer einzigen Datei zu kapseln. Dies macht es besonders nützlich für Anwendungen wie Dokumenten-Imaging, medizinische Bildgebung und technische Bildgebung, bei denen verschiedene Arten von Inhalten zusammen gespeichert werden müssen. Das JPM-Format ermöglicht die effiziente Speicherung von Seiten innerhalb eines Dokuments, von denen jede mehrere Bildbereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften sowie Nicht-Bilddaten wie Anmerkungen oder Metadaten enthalten kann.

Eines der Hauptmerkmale von JPM ist die Verwendung des JPEG 2000-Codestreams (JPX), einer erweiterten Version des grundlegenden JPEG 2000-Codestreams (JP2). JPX unterstützt eine größere Auswahl an Farbräumen, komplexere Metadaten und höhere Bittiefen. In einer JPM-Datei wird jedes Bild oder jede „Ebene“ als separater JPX-Codestream gespeichert. Dies ermöglicht die Komprimierung jeder Ebene entsprechend ihrer eigenen Eigenschaften, was zu einer effizienteren Komprimierung und qualitativ hochwertigeren Ergebnissen führen kann, insbesondere bei Verbunddokumenten mit unterschiedlichen Inhaltstypen.

Die Struktur einer JPM-Datei ist hierarchisch und besteht aus einer Reihe von Boxen. Eine Box ist eine in sich geschlossene Einheit, die einen Header und Daten enthält. Der Header gibt den Typ und die Länge der Box an, während die Daten den eigentlichen Inhalt enthalten. Die Box der obersten Ebene in einer JPM-Datei ist die Signaturbox, die die Datei als eine Datei der JPEG 2000-Familie identifiziert. Nach der Signaturbox gibt es unter anderem Dateitypboxen, Headerboxen und Inhaltsboxen. Die Headerboxen enthalten Informationen über die Datei, wie z. B. die Anzahl der Seiten und die Attribute jeder Seite, während die Inhaltsboxen die Bilddaten und alle zugehörigen Nicht-Bilddaten enthalten.

In Bezug auf die Komprimierung können JPM-Dateien sowohl verlustfreie als auch verlustbehaftete Komprimierungsmethoden verwenden. Die verlustfreie Komprimierung stellt sicher, dass die ursprünglichen Bilddaten perfekt aus den komprimierten Daten rekonstruiert werden können, was für Anwendungen entscheidend ist, bei denen die Bildintegrität von größter Bedeutung ist, wie z. B. in der medizinischen Bildgebung. Die verlustbehaftete Komprimierung hingegen ermöglicht kleinere Dateigrößen, indem einige der Bilddaten verworfen werden, was in Situationen akzeptabel sein kann, in denen keine perfekte Wiedergabetreue erforderlich ist.

JPM unterstützt auch das Konzept der „progressiven Dekodierung“, was bedeutet, dass eine Version eines Bildes mit niedriger Auflösung angezeigt werden kann, während das Bild mit voller Auflösung noch heruntergeladen oder verarbeitet wird. Dies ist besonders nützlich für große Bilder oder langsame Netzwerkverbindungen, da es Benutzern eine schnelle Vorschau ermöglicht, ohne warten zu müssen, bis die gesamte Datei verfügbar ist.

Ein weiterer wichtiger Aspekt von JPM ist die Unterstützung von Metadaten. Metadaten in JPM-Dateien können Informationen über das Dokument enthalten, wie z. B. Autor, Titel und Schlüsselwörter, sowie Informationen über jedes Bild, wie z. B. Aufnahmedatum, Kameraeinstellungen und geografischer Standort. Diese Metadaten können im XML-Format gespeichert werden, wodurch sie leicht zugänglich und modifizierbar sind. Darüber hinaus unterstützt JPM die Einbeziehung von ICC-Profilen, die den Farbraum der Bilder definieren und eine genaue Farbwiedergabe auf verschiedenen Geräten gewährleisten.

JPM-Dateien können auch mehrere Versionen eines Bildes speichern, jeweils mit unterschiedlichen Auflösungen oder Qualitätseinstellungen. Diese als „Multi-Layering“ bezeichnete Funktion ermöglicht eine effizientere Speicherung und Übertragung, da die geeignete Version eines Bildes basierend auf den spezifischen Anforderungen der Anwendung oder der verfügbaren Bandbreite ausgewählt werden kann.

Sicherheit ist ein weiterer Bereich, in dem JPM robuste Funktionen bietet. Das Format unterstützt die Einbeziehung digitaler Signaturen und Verschlüsselung, die verwendet werden können, um die Authentizität des Dokuments zu überprüfen und vertrauliche Informationen zu schützen. Dies ist besonders wichtig in Bereichen wie der rechtlichen und medizinischen Dokumentenverwaltung, in denen die Integrität und Vertraulichkeit der Dokumente von größter Bedeutung sind.

Trotz seiner vielen Vorteile hat das JPM-Format keine weit verbreitete Akzeptanz gefunden, insbesondere im Verbrauchermarkt. Dies liegt zum Teil an der Komplexität des Formats und den Rechenressourcen, die zur Verarbeitung von JPM-Dateien erforderlich sind. Darüber hinaus unterliegt die JPEG 2000-Familie von Standards, einschließlich JPM, Patentlizenzproblemen, die ihre Akzeptanz im Vergleich zum ursprünglichen JPEG-Standard behindert haben, der im Allgemeinen nicht durch Patente belastet ist.

Für Softwareentwickler und Ingenieure, die mit JPM-Dateien arbeiten, stehen mehrere Bibliotheken und Tools zur Verfügung, die Unterstützung für das Format bieten. Dazu gehören die OpenJPEG-Bibliothek, ein Open-Source-JPEG 2000-Codec, und kommerzielle Angebote verschiedener Imaging-Softwareunternehmen. Bei der Arbeit mit JPM-Dateien müssen Entwickler mit der Syntax des JPEG 2000-Codestreams sowie den spezifischen Anforderungen für die Verarbeitung von Verbunddokumenten und Metadaten vertraut sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das JPM-Bildformat eine leistungsstarke Erweiterung des JPEG 2000-Standards ist, die eine Reihe von Funktionen bietet, die für die Speicherung und Verwaltung von Verbunddokumenten geeignet sind. Seine Unterstützung für mehrere Bildebenen, progressive Dekodierung, Metadaten, Multi-Layering und Sicherheitsfunktionen machen es zu einer idealen Wahl für professionelle und technische Anwendungen, bei denen Bildqualität und Dokumentintegrität entscheidend sind. Auch wenn es möglicherweise nicht so häufig verwendet wird wie andere Bildformate, stellen seine speziellen Funktionen sicher, dass es ein wichtiges Werkzeug in Bereichen wie Dokumenten-Imaging und medizinischer Bildgebung bleibt.

Das JPEG XL (JXL)-Bildformat ist ein Bildcodierungsstandard der nächsten Generation, der darauf abzielt, die Fähigkeiten bestehender Formate wie JPEG, PNG und GIF zu übertreffen, indem er eine überlegene Komprimierungseffizienz, Qualität und Funktionen bietet. Es ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit des Joint Photographic Experts Group (JPEG)-Komitees, das maßgeblich an der Entwicklung von Bildkomprimierungsstandards beteiligt war. JPEG XL wurde als universelles Bildformat konzipiert, das eine Vielzahl von Anwendungsfällen abdecken kann, von professioneller Fotografie bis hin zu Webgrafiken.

Eines der Hauptziele von JPEG XL ist die Bereitstellung einer qualitativ hochwertigen Bildkomprimierung, die die Dateigröße erheblich reduzieren kann, ohne die visuelle Qualität zu beeinträchtigen. Dies wird durch eine Kombination aus fortschrittlichen Komprimierungstechniken und einem modernen Codierungsframework erreicht. Das Format verwendet einen modularen Ansatz, der es ermöglicht, verschiedene Bildverarbeitungsvorgänge wie Farbraumkonvertierungen, Tonwertzuordnung und reaktionsfähige Größenänderung direkt in die Komprimierungspipeline zu integrieren.

JPEG XL basiert auf zwei früheren Bildcodecs: Googles PIK und Cloudinarys FUIF (Free Universal Image Format). Diese Codecs führten mehrere Innovationen in der Bildkomprimierung ein, die in JPEG XL weiter verfeinert und integriert wurden. Das Format ist lizenzfrei konzipiert, was es zu einer attraktiven Option sowohl für Softwareentwickler als auch für Content-Ersteller macht, die eine kostengünstige Lösung für die Speicherung und Verteilung von Bildern benötigen.

Das Herzstück der Komprimierungseffizienz von JPEG XL ist die Verwendung einer modernen Entropiecodierungstechnik namens asymmetrische Zahlensysteme (ANS). ANS ist eine Form der arithmetischen Codierung, die nahezu optimale Komprimierungsverhältnisse liefert, indem die statistische Verteilung von Bilddaten effizient codiert wird. Dies ermöglicht JPEG XL eine bessere Komprimierung als herkömmliche Methoden wie die Huffman-Codierung, die im ursprünglichen JPEG-Format verwendet wird.

JPEG XL führt außerdem einen neuen Farbraum namens XYB (eXtra Y, Blue-yellow) ein, der besser auf die menschliche visuelle Wahrnehmung abgestimmt ist. Der XYB-Farbraum ermöglicht eine effizientere Komprimierung, indem die Komponenten eines Bildes priorisiert werden, die für das menschliche Auge wichtiger sind. Dies führt zu Bildern, die nicht nur kleinere Dateigrößen haben, sondern auch weniger Komprimierungsartefakte aufweisen, insbesondere in Bereichen mit subtilen Farbvariationen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal von JPEG XL ist die Unterstützung von Bildern mit hohem Dynamikbereich (HDR) und großem Farbraum (WCG). Mit der Weiterentwicklung von Anzeigetechnologien besteht eine wachsende Nachfrage nach Bildformaten, die den erweiterten Helligkeits- und Farbbereich verarbeiten können, den diese neuen Displays erzeugen können. Die native Unterstützung von HDR und WCG durch JPEG XL stellt sicher, dass Bilder auf den neuesten Bildschirmen lebendig und naturgetreu aussehen, ohne dass zusätzliche Metadaten oder Sidecar-Dateien erforderlich sind.

JPEG XL wurde auch unter Berücksichtigung der progressiven Decodierung entwickelt. Dies bedeutet, dass ein Bild in einer niedrigeren Qualität angezeigt werden kann, während es noch heruntergeladen wird, und die Qualität kann sich schrittweise verbessern, wenn mehr Daten verfügbar werden. Diese Funktion ist besonders nützlich für das Surfen im Internet, wo Benutzer unterschiedliche Internetgeschwindigkeiten haben können. Sie ermöglicht eine bessere Benutzererfahrung, indem eine Vorschau des Bildes bereitgestellt wird, ohne dass auf den Download der gesamten Datei gewartet werden muss.

In Bezug auf die Abwärtskompatibilität bietet JPEG XL eine einzigartige Funktion namens „JPEG-Rekomprimierung“. Dadurch können vorhandene JPEG-Bilder ohne zusätzlichen Qualitätsverlust in das JPEG XL-Format rekomprimiert werden. Die rekomprimierten Bilder sind nicht nur kleiner, sondern behalten auch alle ursprünglichen JPEG-Daten, sodass sie bei Bedarf wieder in das ursprüngliche JPEG-Format konvertiert werden können. Dies macht JPEG XL zu einer attraktiven Option für die Archivierung großer Sammlungen von JPEG-Bildern, da es den Speicherbedarf erheblich reduzieren kann und gleichzeitig die Möglichkeit bietet, zu den Originaldateien zurückzukehren.

JPEG XL adressiert auch den Bedarf an responsiven Bildern im Web. Mit der Möglichkeit, mehrere Auflösungen eines Bildes in einer einzigen Datei zu speichern, können Webentwickler die am besten geeignete Bildgröße basierend auf dem Gerät und der Bildschirmauflösung des Benutzers bereitstellen. Dies macht separate Bilddateien für unterschiedliche Auflösungen überflüssig und vereinfacht den Prozess der Erstellung responsiver Webdesigns.

Für professionelle Fotografen und Grafikdesigner unterstützt JPEG XL die verlustfreie Komprimierung, die sicherstellt, dass jedes einzelne Bit der ursprünglichen Bilddaten erhalten bleibt. Dies ist entscheidend für Anwendungen, bei denen die Bildintegrität von größter Bedeutung ist, wie z. B. in der medizinischen Bildgebung, in digitalen Archiven und in der professionellen Fotobearbeitung. Der verlustfreie Modus von JPEG XL ist außerdem hocheffizient und führt oft zu kleineren Dateigrößen im Vergleich zu anderen verlustfreien Formaten wie PNG oder TIFF.

Der Funktionsumfang von JPEG XL umfasst auch die Unterstützung von Animationen, ähnlich den Formaten GIF und WebP, jedoch mit viel besserer Komprimierung und Qualität. Dies macht es zu einem geeigneten Ersatz für GIFs im Web und bietet flüssigere Animationen mit einer breiteren Farbpalette und ohne die Einschränkungen der 256-Farben-Beschränkung von GIF.

Das Format bietet außerdem eine robuste Unterstützung für Metadaten, einschließlich EXIF-, XMP- und ICC-Profile, um sicherzustellen, dass wichtige Informationen über das Bild während der Komprimierung erhalten bleiben. Diese Metadaten können Details wie Kameraeinstellungen, Urheberrechtsinformationen und Farbmanagementdaten enthalten, die sowohl für den professionellen Einsatz als auch für die Bewahrung des digitalen Erbes unerlässlich sind.

Auch Sicherheit und Datenschutz werden bei der Konzeption von JPEG XL berücksichtigt. Das Format erlaubt keine Einbindung von ausführbarem Code, was das Risiko von Sicherheitslücken reduziert, die über Bilder ausgenutzt werden können. Darüber hinaus unterstützt JPEG XL das Entfernen sensibler Metadaten, was zum Schutz der Privatsphäre der Benutzer beim Teilen von Bildern online beitragen kann.

JPEG XL ist zukunftssicher konzipiert, mit einem flexiblen Containerformat, das erweitert werden kann, um neue Funktionen und Technologien zu unterstützen, sobald sie auftauchen. Dies stellt sicher, dass sich das Format an sich ändernde Anforderungen anpassen kann und noch viele Jahre als universelles Bildformat dienen kann.

In Bezug auf die Akzeptanz befindet sich JPEG XL noch in einem frühen Stadium, wobei laufende Bemühungen unternommen werden, die Unterstützung in Webbrowsern, Betriebssystemen und Bildbearbeitungssoftware zu integrieren. Da immer mehr Plattformen das Format übernehmen, wird erwartet, dass es als Ersatz für ältere Bildformate an Bedeutung gewinnt und eine Kombination aus verbesserter Effizienz, Qualität und Funktionen bietet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass JPEG XL einen bedeutenden Fortschritt in der Bildkomprimierungstechnologie darstellt. Seine Kombination aus hoher Komprimierungseffizienz, Unterstützung für moderne Bildgebungsfunktionen und Abwärtskompatibilität positioniert es als einen starken Kandidaten, um der neue Standard für die Speicherung und Übertragung von Bildern zu werden. Mit zunehmender Verbreitung des Formats hat es das Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie wir digitale Bilder erstellen, teilen und konsumieren, und sie für alle zugänglicher und angenehmer zu machen.