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JPEG, qui signifie Joint Photographic Experts Group, est une méthode de compression avec perte couramment utilisée pour les images numériques, en particulier pour celles produites par la photographie numérique. Le degré de compression peut être ajusté, permettant un compromis sélectionnable entre la taille de stockage et la qualité de l'image. JPEG atteint généralement une compression de 10:1 avec une perte de qualité d'image peu perceptible. L'algorithme de compression JPEG est au cœur du format de fichier JPEG, qui est formellement connu sous le nom de JPEG Interchange Format (JIF). Cependant, le terme « JPEG » est souvent utilisé pour désigner le format de fichier qui est en réalité standardisé comme JPEG File Interchange Format (JFIF).

Le format JPEG prend en charge divers espaces colorimétriques, mais le plus courant utilisé dans la photographie numérique et les graphiques Web est la couleur 24 bits, qui comprend 8 bits chacun pour les composants rouge, vert et bleu (RVB). Cela permet d'obtenir plus de 16 millions de couleurs différentes, offrant une qualité d'image riche et éclatante adaptée à un large éventail d'applications. Les fichiers JPEG peuvent également prendre en charge les images en niveaux de gris et les espaces colorimétriques tels que YCbCr, qui est souvent utilisé dans la compression vidéo.

L'algorithme de compression JPEG est basé sur la transformée en cosinus discrète (DCT), qui est un type de transformée de Fourier. La DCT est appliquée à de petits blocs de l'image, généralement des pixels 8x8, transformant les données du domaine spatial en données du domaine fréquentiel. Ce processus est avantageux car il tend à concentrer l'énergie de l'image dans quelques composants basse fréquence, qui sont plus importants pour l'apparence globale de l'image, tandis que les composants haute fréquence, qui contribuent aux détails fins et peuvent être supprimés avec moins d'impact sur la qualité perçue, sont réduits.

Après l'application de la DCT, les coefficients résultants sont quantifiés. La quantification est le processus de mappage d'un grand ensemble de valeurs d'entrée vers un ensemble plus petit, réduisant efficacement la précision des coefficients DCT. C'est là que l'aspect avec perte de JPEG entre en jeu. Le degré de quantification est déterminé par une table de quantification, qui peut être ajustée pour équilibrer la qualité de l'image et le taux de compression. Un niveau de quantification plus élevé entraîne une compression plus élevée et une qualité d'image inférieure, tandis qu'un niveau de quantification inférieur entraîne une compression plus faible et une qualité d'image supérieure.

Une fois les coefficients quantifiés, ils sont ensuite sérialisés dans un ordre en zigzag, en commençant par le coin supérieur gauche et en suivant un motif en zigzag à travers le bloc 8x8. Cette étape est conçue pour placer les coefficients basse fréquence au début du bloc et les coefficients haute fréquence vers la fin. Étant donné que de nombreux coefficients haute fréquence sont susceptibles d'être nuls ou proches de zéro après la quantification, cet ordre aide à compresser davantage les données en regroupant des valeurs similaires.

L'étape suivante du processus de compression JPEG est le codage entropique, qui est une méthode de compression sans perte. La forme la plus courante de codage entropique utilisée dans JPEG est le codage de Huffman, bien que le codage arithmétique soit également une option. Le codage de Huffman fonctionne en attribuant des codes plus courts aux valeurs les plus fréquentes et des codes plus longs aux valeurs les moins fréquentes. Étant donné que les coefficients DCT quantifiés sont ordonnés de manière à regrouper les zéros et les valeurs basse fréquence, le codage de Huffman peut réduire efficacement la taille des données.

Le format de fichier JPEG permet également de stocker des métadonnées dans le fichier, telles que les données Exif qui incluent des informations sur les paramètres de l'appareil photo, la date et l'heure de la capture et d'autres détails pertinents. Ces métadonnées sont stockées dans des segments spécifiques à l'application du fichier JPEG, qui peuvent être lus par divers logiciels pour afficher ou traiter les informations de l'image.

L'une des principales caractéristiques du format JPEG est sa prise en charge de l'encodage progressif. Dans un JPEG progressif, l'image est encodée en plusieurs passes de détails croissants. Cela signifie que même si l'image n'a pas été entièrement téléchargée, une version approximative de l'image entière peut être affichée, qui s'améliore progressivement en qualité à mesure que davantage de données sont reçues. Ceci est particulièrement utile pour les images Web, permettant aux utilisateurs d'avoir une idée du contenu de l'image sans avoir à attendre que le fichier entier soit téléchargé.

Malgré son utilisation répandue et ses nombreux avantages, le format JPEG présente certaines limites. L'un des plus importants est le problème des artefacts, qui sont des distorsions ou des anomalies visuelles qui peuvent survenir à la suite de la compression avec perte. Ces artefacts peuvent inclure le flou, le blocage et la « sonnerie » autour des bords. La visibilité des artefacts est influencée par le niveau de compression et le contenu de l'image. Les images avec des dégradés lisses ou des changements de couleur subtils sont plus susceptibles de présenter des artefacts de compression.

Une autre limitation de JPEG est qu'il ne prend pas en charge la transparence ou les canaux alpha. Cela signifie que les images JPEG ne peuvent pas avoir d'arrière-plans transparents, ce qui peut être un inconvénient pour certaines applications telles que la conception Web, où la superposition d'images sur différents arrière-plans est courante. À ces fins, des formats comme PNG ou GIF, qui prennent en charge la transparence, sont souvent utilisés à la place.

JPEG ne prend pas non plus en charge les calques ou l'animation. Contrairement aux formats tels que TIFF pour les calques ou GIF pour l'animation, JPEG est strictement un format à image unique. Cela le rend inadapté aux images qui nécessitent une édition en calques ou à la création d'images animées. Pour les utilisateurs qui ont besoin de travailler avec des calques ou des animations, ils doivent utiliser d'autres formats pendant le processus d'édition et peuvent ensuite convertir en JPEG pour distribution si nécessaire.

Malgré ces limitations, JPEG reste l'un des formats d'image les plus populaires en raison de sa compression efficace et de sa compatibilité avec pratiquement tous les logiciels de visualisation et d'édition d'images. Il est particulièrement bien adapté aux photographies et aux images complexes avec des tons et des couleurs continus. Pour une utilisation sur le Web, les images JPEG peuvent être optimisées pour équilibrer la qualité et la taille du fichier, ce qui les rend idéales pour des temps de chargement rapides tout en fournissant des résultats visuellement agréables.

Le format JPEG a également évolué au fil du temps avec le développement de variantes telles que JPEG 2000 et JPEG XR. JPEG 2000 offre une efficacité de compression améliorée, une meilleure gestion des artefacts d'image et la possibilité de gérer la transparence. JPEG XR, d'un autre côté, offre une meilleure compression à des niveaux de qualité plus élevés et prend en charge une plus large gamme de profondeurs de couleur et d'espaces colorimétriques. Cependant, ces nouveaux formats n'ont pas encore atteint le même niveau d'omniprésence que le format JPEG d'origine.

En conclusion, le format d'image JPEG est un format polyvalent et largement pris en charge qui établit un équilibre entre la qualité de l'image et la taille du fichier. Son utilisation de la DCT et de la quantification permet une réduction significative de la taille du fichier avec un impact personnalisable sur la qualité de l'image. Bien qu'il présente certaines limitations, telles que le manque de prise en charge de la transparence, des calques et de l'animation, ses avantages en termes de compatibilité et d'efficacité en font un élément de base de l'imagerie numérique. À mesure que la technologie progresse, de nouveaux formats peuvent offrir des améliorations, mais l'héritage et l'adoption généralisée de JPEG garantissent qu'il restera un élément fondamental de l'imagerie numérique dans un avenir prévisible.