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El formato de imagen JPEG (Joint Photographic Experts Group), comúnmente conocido como JPG, es un método ampliamente utilizado de compresión con pérdida para imágenes digitales, particularmente para aquellas imágenes producidas por fotografía digital. El grado de compresión se puede ajustar, lo que permite una compensación seleccionable entre el tamaño de almacenamiento y la calidad de la imagen. JPEG normalmente logra una compresión de 10:1 con poca pérdida perceptible en la calidad de la imagen.

La compresión JPEG se utiliza en varios formatos de archivo de imagen. JPEG/Exif es el formato de imagen más común utilizado por cámaras digitales y otros dispositivos de captura de imágenes fotográficas; junto con JPEG/JFIF, es el formato más común para almacenar y transmitir imágenes fotográficas en la World Wide Web. Estas variaciones de formato a menudo no se distinguen y simplemente se denominan JPEG.

El formato JPEG incluye una variedad de estándares, incluidos JPEG/Exif, JPEG/JFIF y JPEG 2000, que es un estándar más nuevo que ofrece una mejor eficiencia de compresión con mayor complejidad computacional. El estándar JPEG es complejo, con varias partes y perfiles, pero el estándar JPEG más utilizado es el JPEG de línea base, que es a lo que la mayoría de la gente se refiere cuando menciona imágenes 'JPEG'.

El algoritmo de compresión JPEG es en su núcleo una técnica de compresión basada en la transformada discreta del coseno (DCT). La DCT es una transformada relacionada con Fourier similar a la transformada discreta de Fourier (DFT), pero que utiliza solo funciones coseno. La DCT se utiliza porque tiene la propiedad de concentrar la mayor parte de la señal en la región de frecuencia más baja del espectro, que se correlaciona bien con las propiedades de las imágenes naturales.

El proceso de compresión JPEG implica varios pasos. Inicialmente, la imagen se convierte de su espacio de color original (generalmente RGB) a un espacio de color diferente conocido como YCbCr. El espacio de color YCbCr separa la imagen en un componente de luminancia (Y), que representa los niveles de brillo, y dos componentes de crominancia (Cb y Cr), que representan la información de color. Esta separación es beneficiosa porque el ojo humano es más sensible a las variaciones de brillo que de color, lo que permite una compresión más agresiva de los componentes de crominancia sin afectar significativamente la calidad de imagen percibida.

Después de la conversión del espacio de color, la imagen se divide en bloques, normalmente de 8x8 píxeles de tamaño. Luego, cada bloque se procesa por separado. Para cada bloque, se aplica la DCT, que transforma los datos del dominio espacial en datos del dominio de frecuencia. Este paso es crucial ya que hace que los datos de la imagen sean más susceptibles a la compresión, ya que las imágenes naturales tienden a tener componentes de baja frecuencia que son más significativos que los componentes de alta frecuencia.

Una vez que se aplica la DCT, los coeficientes resultantes se cuantifican. La cuantificación es el proceso de mapear un gran conjunto de valores de entrada a un conjunto más pequeño, reduciendo efectivamente el número de bits necesarios para almacenarlos. Esta es la principal fuente de pérdida en la compresión JPEG. El paso de cuantificación está controlado por una tabla de cuantificación, que determina cuánta compresión se aplica a cada coeficiente DCT. Al ajustar la tabla de cuantificación, los usuarios pueden intercambiar entre la calidad de la imagen y el tamaño del archivo.

Después de la cuantificación, los coeficientes se linealizan mediante escaneo en zigzag, que los ordena por frecuencia creciente. Este paso es importante porque agrupa los coeficientes de baja frecuencia que tienen más probabilidades de ser significativos y los coeficientes de alta frecuencia que tienen más probabilidades de ser cero o casi cero después de la cuantificación. Este ordenamiento facilita el siguiente paso, que es la codificación de entropía.

La codificación de entropía es un método de compresión sin pérdidas que se aplica a los coeficientes DCT cuantificados. La forma más común de codificación de entropía utilizada en JPEG es la codificación de Huffman, aunque el estándar también admite la codificación aritmética. La codificación de Huffman funciona asignando códigos más cortos a elementos más frecuentes y códigos más largos a elementos menos frecuentes. Dado que las imágenes naturales tienden a tener muchos coeficientes cero o casi cero después de la cuantificación, especialmente en la región de alta frecuencia, la codificación de Huffman puede reducir significativamente el tamaño de los datos comprimidos.

El paso final en el proceso de compresión JPEG es almacenar los datos comprimidos en un formato de archivo. El formato más común es el formato de intercambio de archivos JPEG (JFIF), que define cómo representar los datos comprimidos y los metadatos asociados, como las tablas de cuantificación y las tablas de códigos de Huffman, en un archivo que puede ser decodificado por una amplia gama de software. Otro formato común es el formato de archivo de imagen intercambiable (Exif), que es utilizado por cámaras digitales e incluye metadatos como la configuración de la cámara y la información de la escena.

Los archivos JPEG también incluyen marcadores, que son secuencias de código que definen ciertos parámetros o acciones en el archivo. Estos marcadores pueden indicar el inicio de una imagen, el final de una imagen, definir tablas de cuantificación, especificar tablas de códigos de Huffman y más. Los marcadores son esenciales para la decodificación adecuada de la imagen JPEG, ya que proporcionan la información necesaria para reconstruir la imagen a partir de los datos comprimidos.

Una de las características clave de JPEG es su soporte para codificación progresiva. En JPEG progresivo, la imagen se codifica en múltiples pasadas, cada una mejorando la calidad de la imagen. Esto permite que se muestre una versión de baja calidad de la imagen mientras el archivo aún se está descargando, lo que puede ser particularmente útil para imágenes web. Los archivos JPEG progresivos son generalmente más grandes que los archivos JPEG de línea base, pero la diferencia de calidad durante la carga puede mejorar la experiencia del usuario.

A pesar de su uso generalizado, JPEG tiene algunas limitaciones. La naturaleza con pérdida de la compresión puede provocar artefactos como el bloqueo, donde la imagen puede mostrar cuadrados visibles, y el "timbre", donde los bordes pueden ir acompañados de oscilaciones espurias. Estos artefactos son más notables en niveles de compresión más altos. Además, JPEG no es adecuado para imágenes con bordes afilados o texto de alto contraste, ya que el algoritmo de compresión puede difuminar los bordes y reducir la legibilidad.

Para abordar algunas de las limitaciones del estándar JPEG original, se desarrolló JPEG 2000. JPEG 2000 ofrece varias mejoras con respecto a JPEG de línea base, incluida una mejor eficiencia de compresión, soporte para compresión sin pérdida y la capacidad de manejar una gama más amplia de tipos de imagen de manera efectiva. Sin embargo, JPEG 2000 no ha tenido una adopción generalizada en comparación con el estándar JPEG original, en gran parte debido a la mayor complejidad computacional y la falta de soporte en algunos software y navegadores web.

En conclusión, el formato de imagen JPEG es un método complejo pero eficiente para comprimir imágenes fotográficas. Su amplia adopción se debe a su flexibilidad para equilibrar la calidad de la imagen con el tamaño del archivo, lo que lo hace adecuado para una variedad de aplicaciones, desde gráficos web hasta fotografía profesional. Si bien tiene sus inconvenientes, como la susceptibilidad a los artefactos de compresión, su facilidad de uso y soporte en una amplia gama de dispositivos y software lo convierten en uno de los formatos de imagen más populares en uso en la actualidad.