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Il formato file JP2 o JPEG 2000 Parte 1 è un sistema di codifica delle immagini creato come successore dello standard JPEG originale dal Joint Photographic Experts Group. È stato introdotto nell'anno 2000 ed è formalmente noto come ISO/IEC 15444-1. A differenza del suo predecessore, JPEG 2000 è stato progettato per fornire una tecnica di compressione delle immagini più efficiente e flessibile che potesse risolvere alcune delle limitazioni del formato JPEG originale. JPEG 2000 utilizza la compressione basata su wavelet, che consente sia la compressione senza perdita di dati che con perdita di dati all'interno dello stesso file, fornendo un grado più elevato di scalabilità e fedeltà dell'immagine.

Una delle caratteristiche principali del formato JPEG 2000 è l'uso della trasformata wavelet discreta (DWT), al contrario della trasformata coseno discreta (DCT) utilizzata nel formato JPEG originale. La DWT offre diversi vantaggi rispetto alla DCT, tra cui una migliore efficienza di compressione, in particolare per le immagini ad alta risoluzione, e artefatti di blocco ridotti. Ciò è dovuto al fatto che la trasformata wavelet è in grado di rappresentare un'immagine con un livello di dettaglio variabile, che può essere regolato in base alle esigenze specifiche dell'applicazione o alle preferenze dell'utente.

Il formato JP2 supporta un'ampia gamma di spazi colore, tra cui scala di grigi, RGB, YCbCr e altri, nonché varie profondità di bit, dalle immagini binarie fino a 16 bit per canale. Questa flessibilità lo rende adatto a una varietà di applicazioni, dalla fotografia digitale all'imaging medico e al telerilevamento. Inoltre, JPEG 2000 supporta la trasparenza tramite l'uso di un canale alfa, cosa non possibile nel formato JPEG standard.

Un altro vantaggio significativo di JPEG 2000 è il suo supporto per la decodifica progressiva. Ciò significa che un'immagine può essere decodificata e visualizzata a risoluzioni e livelli di qualità inferiori prima che l'intero file sia stato scaricato, il che è particolarmente utile per le applicazioni web. Man mano che diventano disponibili più dati, la qualità dell'immagine può essere progressivamente migliorata. Questa funzione, nota come "livelli di qualità", consente un utilizzo efficiente della larghezza di banda e fornisce una migliore esperienza utente in ambienti con larghezza di banda limitata.

JPEG 2000 introduce anche il concetto di "regioni di interesse" (ROI). Con ROI, alcune parti di un'immagine possono essere codificate con una qualità superiore rispetto al resto dell'immagine. Ciò è particolarmente utile quando è necessario attirare l'attenzione su aree specifiche all'interno di un'immagine, come nella sorveglianza o nella diagnostica medica, dove l'attenzione potrebbe essere su una particolare anomalia o caratteristica all'interno dell'immagine.

Il formato JP2 include robuste capacità di gestione dei metadati. Può memorizzare un'ampia gamma di informazioni sui metadati, come i metadati dell'International Press Telecommunications Council (IPTC), i dati Exif, i dati XML e persino le informazioni sulla proprietà intellettuale. Questo completo supporto dei metadati facilita una migliore catalogazione e archiviazione delle immagini e garantisce che le informazioni importanti sull'immagine vengano conservate e possano essere facilmente accessibili.

La resilienza agli errori è un'altra caratteristica di JPEG 2000 che lo rende adatto all'uso su reti in cui può verificarsi una perdita di dati, come le comunicazioni wireless o satellitari. Il formato include meccanismi per il rilevamento e la correzione degli errori, che possono contribuire a garantire che le immagini vengano decodificate correttamente anche quando alcuni dati sono stati danneggiati durante la trasmissione.

I file JPEG 2000 sono in genere di dimensioni maggiori rispetto ai file JPEG quando codificati a livelli di qualità simili, il che è stato uno degli ostacoli alla sua ampia adozione. Tuttavia, per le applicazioni in cui la qualità dell'immagine è fondamentale e l'aumento delle dimensioni del file non è una preoccupazione significativa, JPEG 2000 offre chiari vantaggi. Vale anche la pena notare che la superiore efficienza di compressione del formato può comportare dimensioni di file più piccole a livelli di qualità più elevati rispetto a JPEG, specialmente per le immagini ad alta risoluzione.

Il formato JP2 è estensibile ed è stato progettato per far parte di una suite più ampia di standard nota come JPEG 2000. Questa suite include varie parti che estendono le capacità del formato di base, come il supporto per immagini in movimento (JPEG 2000 Parte 2), la trasmissione sicura delle immagini (JPEG 2000 Parte 8) e i protocolli interattivi (JPEG 2000 Parte 9). Questa estensibilità garantisce che il formato possa evolversi per soddisfare le esigenze delle future applicazioni multimediali.

In termini di struttura del file, un file JP2 è costituito da una sequenza di box, ognuno dei quali contiene un tipo specifico di dati. I box includono il box della firma del file, che identifica il file come un codestream JPEG 2000, il box del tipo di file, che specifica il tipo di supporto e la compatibilità, e il box dell'intestazione, che contiene le proprietà dell'immagine come larghezza, altezza, spazio colore e profondità di bit. Box aggiuntivi possono contenere dati di specifica del colore, dati della tavolozza per immagini a colori indicizzate, informazioni sulla risoluzione e dati sui diritti di proprietà intellettuale.

I dati dell'immagine effettivi in un file JP2 sono contenuti nel box "codestream contiguo", che include i dati dell'immagine compressa e qualsiasi informazione sullo stile di codifica. Il codestream è organizzato in "tile", che sono segmenti dell'immagine codificati indipendentemente. Questa funzione di tiling consente un accesso casuale efficiente a parti dell'immagine senza dover decodificare l'intera immagine, il che è vantaggioso per immagini di grandi dimensioni o quando è richiesta solo una parte dell'immagine.

Il processo di compressione in JPEG 2000 prevede diversi passaggi. Innanzitutto, l'immagine viene facoltativamente pre-elaborata, il che può includere tiling, trasformazione del colore e downsampling. Successivamente, viene applicata la DWT per trasformare i dati dell'immagine in un insieme gerarchico di coefficienti che rappresentano l'immagine a diverse risoluzioni e livelli di qualità. Questi coefficienti vengono quindi quantizzati, il che può essere fatto in modo senza perdita di dati o con perdita di dati, e i valori quantizzati vengono codificati in entropia utilizzando tecniche come la codifica aritmetica o la codifica ad albero binario.

Una delle sfide nell'adozione di JPEG 2000 è stata la complessità computazionale dei processi di codifica e decodifica, che richiedono più risorse rispetto a quelli dello standard JPEG originale. Ciò ha limitato il suo utilizzo in alcune applicazioni in tempo reale o a bassa potenza. Tuttavia, i progressi nella potenza di calcolo e lo sviluppo di algoritmi ottimizzati e acceleratori hardware hanno reso JPEG 2000 più accessibile per una gamma più ampia di applicazioni.

Nonostante i suoi vantaggi, JPEG 2000 non ha sostituito il formato JPEG originale nella maggior parte delle applicazioni tradizionali. La semplicità di JPEG, il supporto diffuso e l'inerzia dell'infrastruttura esistente hanno contribuito al suo continuo dominio. Tuttavia, JPEG 2000 ha trovato una nicchia nei settori professionali in cui le sue funzionalità avanzate, come una gamma dinamica più elevata, la compressione senza perdita di dati e una qualità dell'immagine superiore, sono fondamentali. È comunemente utilizzato nell'imaging medico, nel cinema digitale, nell'imaging geospaziale e nell'archiviazione, dove i vantaggi del formato superano gli svantaggi delle dimensioni dei file più grandi e dei maggiori requisiti computazionali.

In conclusione, il formato immagine JPEG 2000 rappresenta un progresso significativo nella tecnologia di compressione delle immagini, offrendo una gamma di funzionalità che migliorano le limitazioni dello standard JPEG originale. Il suo utilizzo della compressione basata su wavelet consente immagini di alta qualità con risoluzione e qualità scalabili, e il suo supporto per la decodifica progressiva, le regioni di interesse e i metadati robusti lo rendono una scelta versatile per molte applicazioni professionali. Sebbene non sia diventato lo standard universale per la compressione delle immagini, JPEG 2000 continua a essere uno strumento importante per le industrie in cui la qualità e la fedeltà delle immagini sono di primaria importanza.