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JPEG 2000, comunemente noto come J2K, è uno standard di compressione delle immagini e un sistema di codifica creato dal comitato Joint Photographic Experts Group nel 2000 con l'intenzione di sostituire lo standard JPEG originale. È stato sviluppato per affrontare alcune delle limitazioni dello standard JPEG originale e per fornire un nuovo set di funzionalità sempre più richieste per varie applicazioni. JPEG 2000 non è solo un singolo standard, ma una suite di standard, coperti dalla famiglia JPEG 2000 (ISO/IEC 15444).

Uno dei principali vantaggi di JPEG 2000 rispetto al formato JPEG originale è l'uso della trasformazione wavelet al posto della trasformata discreta del coseno (DCT). La trasformazione wavelet consente rapporti di compressione più elevati senza lo stesso grado di artefatti visibili che possono essere presenti nelle immagini JPEG. Ciò è particolarmente vantaggioso per applicazioni di immagini ad alta risoluzione e alta qualità, come immagini satellitari, immagini mediche, cinema digitale e archiviazione, dove la qualità dell'immagine è di massima importanza.

JPEG 2000 supporta sia la compressione senza perdita che con perdita all'interno di una singola architettura di compressione. La compressione senza perdita viene ottenuta utilizzando una trasformazione wavelet reversibile, che garantisce che i dati dell'immagine originale possano essere perfettamente ricostruiti dall'immagine compressa. La compressione con perdita, d'altra parte, utilizza una trasformazione wavelet irreversibile per ottenere rapporti di compressione più elevati eliminando alcune delle informazioni meno importanti all'interno dell'immagine.

Un'altra caratteristica significativa di JPEG 2000 è il supporto per la trasmissione progressiva delle immagini, nota anche come decodifica progressiva. Ciò significa che l'immagine può essere decodificata e visualizzata a risoluzioni inferiori e gradualmente aumentata alla risoluzione completa man mano che diventano disponibili più dati. Ciò è particolarmente utile per applicazioni con larghezza di banda limitata, come la navigazione web o le applicazioni mobili, dove è vantaggioso visualizzare rapidamente una versione di qualità inferiore dell'immagine e migliorarne la qualità man mano che vengono ricevuti più dati.

JPEG 2000 introduce anche il concetto di regioni di interesse (ROI). Ciò consente di comprimere parti diverse dell'immagine a diversi livelli di qualità. Ad esempio, in uno scenario di imaging medico, la regione contenente una caratteristica diagnostica potrebbe essere compressa senza perdita o a una qualità superiore rispetto alle aree circostanti. Questo controllo selettivo della qualità può essere molto importante in campi in cui alcune parti di un'immagine sono più importanti di altre.

Il formato file per le immagini JPEG 2000 è JP2, che è un formato standardizzato ed estensibile che include sia i dati dell'immagine che i metadati. Il formato JP2 utilizza l'estensione del file .jp2 e può contenere un'ampia gamma di informazioni, tra cui informazioni sullo spazio colore, livelli di risoluzione e informazioni sulla proprietà intellettuale. Inoltre, JPEG 2000 supporta il formato JPM (per immagini composte, come documenti contenenti sia testo che immagini) e il formato MJ2 per sequenze di movimento, simile a un file video.

JPEG 2000 impiega uno schema di codifica sofisticato noto come EBCOT (Embedded Block Coding with Optimal Truncation). EBCOT offre numerosi vantaggi, tra cui una migliore resilienza agli errori e la possibilità di ottimizzare la compressione per ottenere il giusto equilibrio tra qualità dell'immagine e dimensione del file. L'algoritmo EBCOT divide l'immagine in piccoli blocchi, chiamati blocchi di codice, e codifica ciascuno indipendentemente. Ciò consente il contenimento degli errori localizzati in caso di danneggiamento dei dati e facilita la trasmissione progressiva delle immagini.

La gestione dello spazio colore in JPEG 2000 è più flessibile rispetto allo standard JPEG originale. JPEG 2000 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 componente o superiore. Questa flessibilità rende JPEG 2000 adatto a una varietà di applicazioni e garantisce che possa gestire le esigenze di diverse tecnologie di imaging.

JPEG 2000 include anche solide funzionalità di sicurezza, come la possibilità di includere crittografia e filigrana digitale all'interno del file. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni in cui la protezione del copyright o l'autenticazione dei contenuti sono una preoccupazione. La parte JPSEC (JPEG 2000 Security) dello standard delinea queste funzionalità di sicurezza, fornendo un framework per la distribuzione sicura delle immagini.

Una delle sfide con JPEG 2000 è che è computazionalmente più intensivo rispetto allo standard JPEG originale. La complessità della trasformazione wavelet e dello schema di codifica EBCOT significa che la codifica e la decodifica delle immagini JPEG 2000 richiedono maggiore potenza di elaborazione. Ciò ha storicamente limitato la sua adozione nell'elettronica di consumo e nelle applicazioni web, dove l'overhead computazionale potrebbe essere un fattore significativo. Tuttavia, poiché la potenza di elaborazione è aumentata e il supporto hardware specializzato è diventato più comune, questa limitazione è diventata meno un problema.

Nonostante i suoi vantaggi, JPEG 2000 non ha visto un'adozione diffusa rispetto al formato JPEG originale. Ciò è in parte dovuto all'ubiquità del formato JPEG e al vasto ecosistema di software e hardware che lo supporta. Inoltre, anche le questioni relative a licenze e brevetti che circondano JPEG 2000 hanno ostacolato la sua adozione. Alcune delle tecnologie utilizzate in JPEG 2000 erano brevettate e la necessità di gestire le licenze per questi brevetti lo rendeva meno attraente per alcuni sviluppatori e aziende.

In termini di dimensioni del file, i file JPEG 2000 sono in genere più piccoli dei file JPEG di qualità equivalente. Ciò è dovuto agli algoritmi di compressione più efficienti utilizzati in JPEG 2000, che possono ridurre in modo più efficace la ridondanza e l'irrilevanza nei dati dell'immagine. Tuttavia, la differenza nelle dimensioni del file può variare a seconda del contenuto dell'immagine e delle impostazioni utilizzate per la compressione. Per le immagini con molti dettagli fini o livelli di rumore elevati, la compressione superiore di JPEG 2000 può comportare file significativamente più piccoli.

JPEG 2000 supporta anche il tiling, che divide l'immagine in riquadri più piccoli e codificati indipendentemente. Ciò può essere utile per immagini molto grandi, come quelle utilizzate nelle applicazioni di imaging satellitare o di mappatura, poiché consente una codifica, decodifica e gestione più efficienti dell'immagine. Gli utenti possono accedere e decodificare singoli riquadri senza dover elaborare l'intera immagine, il che può far risparmiare memoria e requisiti di elaborazione.

La standardizzazione di JPEG 2000 include anche disposizioni per la gestione dei metadati, che è un aspetto importante per i sistemi di archiviazione e recupero. Il formato JPX, un'estensione di JP2, consente l'inclusione di metadati estesi, tra cui caselle XML e UUID, che possono memorizzare qualsiasi tipo di informazione sui metadati. Ciò rende JPEG 2000 una buona scelta per applicazioni in cui la conservazione dei metadati è importante, come biblioteche digitali e musei.

In conclusione, JPEG 2000 è uno standard di compressione delle immagini sofisticato che offre numerosi vantaggi rispetto al formato JPEG originale, tra cui rapporti di compressione più elevati, decodifica progressiva, regioni di interesse e solide funzionalità di sicurezza. La sua flessibilità in termini di spazi colore e profondità di bit, nonché il suo supporto per i metadati, lo rendono adatto a un'ampia gamma di applicazioni professionali. Tuttavia, la sua complessità computazionale e i problemi iniziali di brevetto hanno limitato la sua adozione diffusa. Nonostante ciò, JPEG 2000 continua a essere il formato preferito nei settori in cui la qualità dell'immagine e il set di funzionalità sono più critici dell'efficienza computazionale o dell'ampia compatibilità.