JXL を JPG に変換

JPEG XL（JXL）画像フォーマットは、JPEG、PNG、GIF などの既存のフォーマットの機能を超えることを目指した次世代画像符号化規格です。優れた圧縮効率、品質、機能を提供します。これは、画像圧縮規格の開発に貢献してきた Joint Photographic Experts Group（JPEG）委員会による共同作業の結果です。JPEG XL は、プロフェッショナルな写真から Web グラフィックスまで、幅広いユースケースに対応できるユニバーサル画像フォーマットとして設計されています。

JPEG XL の主な目標の 1 つは、視覚品質を損なうことなくファイルサイズを大幅に削減できる高品質の画像圧縮を提供することです。これは、高度な圧縮技術と最新の符号化フレームワークを組み合わせることで実現されています。このフォーマットはモジュール方式を採用しており、カラースペース変換、トーンマッピング、レスポンシブなリサイズなどのさまざまな画像処理操作を圧縮パイプラインに直接組み込むことができます。

JPEG XL は、Google の PIK と Cloudinary の FUIF（Free Universal Image Format）という 2 つの以前の画像コーデックを基盤として構築されています。これらのコーデックは画像圧縮にいくつかの革新をもたらし、JPEG XL にさらに洗練されて統合されています。このフォーマットはロイヤリティフリーに設計されており、画像の保存と配信に費用効果の高いソリューションを必要とするソフトウェア開発者とコンテンツ制作者の両方にとって魅力的なオプションとなっています。

JPEG XL の圧縮効率の中心にあるのは、非対称数値システム（ANS）と呼ばれる最新のエントロピー符号化技術の使用です。ANS は、画像データの統計的分布を効率的に符号化することで、ほぼ最適な圧縮率を提供する算術符号化の一種です。これにより、JPEG XL は、元の JPEG フォーマットで使用されているハフマン符号化などの従来の方法よりも優れた圧縮を実現できます。

JPEG XL は、人間の視覚認識にさらに適合するように設計された XYB（eXtra Y、Blue-yellow）と呼ばれる新しいカラースペースも導入しています。XYB カラースペースは、人間の目に重要な画像のコンポーネントを優先することで、より効率的な圧縮を可能にします。これにより、ファイルサイズが小さくなるだけでなく、特に微妙な色の変化がある領域で圧縮アーティファクトが少なくなります。

JPEG XL のもう 1 つの重要な機能は、ハイダイナミックレンジ（HDR）とワイドカラージェム（WCG）画像のサポートです。ディスプレイ技術が進化するにつれて、これらの新しいディスプレイが生成できる拡張された明るさと色の範囲を処理できる画像フォーマットの需要が高まっています。JPEG XL の HDR と WCG のネイティブサポートにより、追加のメタデータやサイドカーファイルを使用せずに、最新の画面で画像が鮮やかでリアルに表示されます。

JPEG XL は、プログレッシブデコードも考慮して設計されています。つまり、画像はまだダウンロードされている間は低品質で表示できますが、より多くのデータが利用可能になると品質は徐々に向上します。この機能は、ユーザーのインターネット速度が異なる場合に特に役立ちます。ファイル全体がダウンロードされるのを待たずに画像のプレビューを提供することで、ユーザーエクスペリエンスが向上します。

下位互換性の点では、JPEG XL は「JPEG 再圧縮」と呼ばれる独自の機能を提供します。これにより、既存の JPEG 画像を品質を損なうことなく JPEG XL フォーマットに再圧縮できます。再圧縮された画像はサイズが小さくなるだけでなく、元の JPEG データをすべて保持するため、必要に応じて元の JPEG フォーマットに戻すことができます。これにより、JPEG XL は、元のファイルに戻す機能を維持しながらストレージ要件を大幅に削減できるため、大量の JPEG 画像をアーカイブするための魅力的なオプションになります。

JPEG XL は、Web 上のレスポンシブ画像のニーズにも対応しています。1 つのファイル内に画像の複数の解像度を格納する機能により、Web 開発者はユーザーのデバイスと画面解像度に基づいて最も適切な画像サイズを提供できます。これにより、異なる解像度用の個別の画像ファイルの必要性がなくなり、レスポンシブ Web デザインを作成するプロセスが簡素化されます。

プロのフォトグラファーやグラフィックデザイナー向けに、JPEG XL はロスレス圧縮をサポートしており、元の画像データのすべてのビットが保持されます。これは、医療画像、デジタルアーカイブ、プロフェッショナルな写真編集など、画像の完全性が最優先されるアプリケーションに不可欠です。JPEG XL のロスレスモードも非常に効率的で、PNG や TIFF などの他のロスレスフォーマットと比較してファイルサイズが小さくなることがよくあります。

JPEG XL の機能セットは、GIF や WebP フォーマットと同様にアニメーションのサポートにまで及びますが、圧縮と品質が大幅に向上しています。これにより、Web 上の GIF の適切な代替となり、より広いカラパレットでよりスムーズなアニメーションを提供し、GIF の 256 色の制限はありません。

このフォーマットには、EXIF、XMP、ICC プロファイルなどのメタデータの堅牢なサポートも含まれており、圧縮中に画像に関する重要な情報が保持されます。このメタデータには、カメラの設定、著作権情報、カラーマネジメントデータなどの詳細を含めることができ、プロフェッショナルな使用とデジタル遺産の保存の両方に不可欠です。

セキュリティとプライバシーも JPEG XL の設計で考慮されています。このフォーマットは実行可能コードを含めることを許可しないため、画像を介して悪用される可能性のあるセキュリティの脆弱性のリスクが軽減されます。さらに、JPEG XL は機密メタデータの削除をサポートしており、オンラインで画像を共有するときのユーザーのプライバシーを保護するのに役立ちます。

JPEG XL は、新しい機能やテクノロジーが導入されたときにサポートを拡張できる柔軟なコンテナーフォーマットを備えており、将来に対応するように設計されています。これにより、このフォーマットは変化する要件に適応し、今後何年にもわたってユニバーサル画像フォーマットとして機能し続けることができます。

採用に関しては、JPEG XL はまだ初期段階であり、Web ブラウザ、オペレーティングシステム、画像編集ソフトウェアへのサポートを統合するための取り組みが継続されています。より多くのプラットフォームがこのフォーマットを採用するにつれて、効率、品質、機能の向上を組み合わせた、古い画像フォーマットの代替として注目を集めることが期待されています。

結論として、JPEG XL は画像圧縮技術における大きな進歩を表しています。高い圧縮効率、最新の画像機能のサポート、下位互換性の組み合わせにより、画像の保存と送信の新しい標準となる強力な候補となっています。このフォーマットが広く採用されるにつれて、デジタル画像の作成、共有、消費の方法を変革し、誰もがよりアクセスしやすく、楽しめるものにする可能性があります。

JPEG（Joint Photographic Experts Group の略）は、デジタル画像、特にデジタル写真で生成された画像の非可逆圧縮によく使用される手法です。圧縮の程度を調整することができ、ストレージサイズと画質の間で選択可能なトレードオフを可能にします。JPEG は通常、画質の低下がほとんどない 10:1 の圧縮を実現します。

JPEG 圧縮アルゴリズムは JPEG 規格の中核です。このプロセスは、デジタル画像を通常の RGB 色空間から YCbCr と呼ばれる別の色空間に変換することから始まります。YCbCr 色空間は、画像を輝度（Y、明るさのレベルを表す）とクロミナンス（Cb と Cr、色の情報を表す）に分割します。この分離は、人間の目は色よりも明るさの変化に敏感であるため、この利点を活用してクロミナンス情報を輝度よりも多く圧縮することで有益です。

画像が YCbCr 色空間にあると、JPEG 圧縮プロセスの次のステップはクロミナンスチャネルをダウンサンプリングすることです。ダウンサンプリングはクロミナンス情報の解像度を低下させますが、通常は人間の目が色の詳細にあまり敏感ではないため、画像の知覚品質に大きな影響はありません。このステップはオプションであり、目的の画質とファイルサイズのバランスに応じて調整できます。

ダウンサンプリング後、画像は通常 8x8 ピクセルのブロックに分割されます。各ブロックは個別に処理されます。各ブロックを処理する最初のステップは、離散コサイン変換（DCT）を適用することです。DCT は、空間ドメインデータ（ピクセル値）を周波数ドメインに変換する数学演算です。結果は、画像ブロックのデータを空間周波数成分の観点から表す周波数係数の行列です。

DCT から得られる周波数係数は、次に量子化されます。量子化とは、大規模な入力値セットをより小規模なセットにマッピングするプロセスです。JPEG の場合は、周波数係数の精度を低下させることを意味します。これは圧縮の非可逆的な部分が発生する部分であり、一部の画像情報が破棄されます。量子化ステップは量子化テーブルによって制御され、各周波数成分に適用される圧縮量を決定します。量子化テーブルは、より高い画質（圧縮が少ない）またはより小さいファイルサイズ（圧縮が多い）を優先するように調整できます。

量子化後、係数はジグザグ順に配置され、左上から始まり、高周波数成分よりも低周波数成分を優先するパターンに従います。これは、低周波数成分（画像のより均一な部分を表す）が高周波数成分（より細かい詳細とエッジを表す）よりも全体的な外観にとって重要であるためです。

JPEG 圧縮プロセスの次のステップはエントロピー符号化であり、これは可逆圧縮の手法です。JPEG で使用される最も一般的なエントロピー符号化の形式はハフマン符号化ですが、算術符号化もオプションです。ハフマン符号化は、より頻繁に出現する値に短いコードを、より頻繁に出現しない値に長いコードを割り当てることで機能します。ジグザグ順序は類似した周波数係数をグループ化する傾向があるため、ハフマン符号化の効率が向上します。

エントロピー符号化が完了すると、圧縮されたデータは JPEG 規格に準拠したファイル形式に格納されます。このファイル形式には、画像の寸法や使用された量子化テーブルなどの画像に関する情報を含むヘッダーが含まれ、その後にハフマン符号化された画像データが続きます。ファイル形式は、カメラの設定、撮影日時、その他の関連の詳細に関する情報を含めることができる EXIF データなどのメタデータの挿入もサポートしています。

JPEG 画像が開かれると、解凍プロセスは本質的に圧縮ステップを逆転させます。ハフマン符号化されたデータはデコードされ、量子化された周波数係数は圧縮中に使用されたのと同じ量子化テーブルを使用して量子化解除され、逆離散コサイン変換（IDCT）が各ブロックに適用されて周波数ドメインデータを空間ドメインのピクセル値に戻します。

量子化解除と IDCT プロセスは、圧縮の非可逆的な性質によりいくつかのエラーを導入します。そのため、JPEG は複数の編集と再保存が行われる画像には適していません。JPEG 画像が保存されるたびに、再び圧縮プロセスが実行され、追加の画像情報が失われます。これにより、時間の経過とともに画質が著しく低下する可能性があり、これは「世代の損失」として知られる現象です。

JPEG 圧縮の非可逆的な性質にもかかわらず、その柔軟性と効率性により、依然として一般的な画像形式です。JPEG 画像はファイルサイズが非常に小さくなる可能性があり、帯域幅と読み込み時間が重要な考慮事項である Web での使用に理想的です。さらに、JPEG 規格にはプログレッシブモードが含まれており、画像を複数のパスでデコードできるようにエンコードできます。各パスで画像の解像度が向上します。これは Web 画像に特に役立ちます。低品質バージョンの画像をすばやく表示でき、より多くのデータがダウンロードされると品質が向上します。

JPEG にもいくつかの制限があり、すべてのタイプの画像に常に最適な選択肢ではありません。たとえば、シャープなエッジやコントラストの高いテキストを含む画像には適していません。圧縮により、これらの領域の周囲に目立つアーティファクトが発生する可能性があるためです。さらに、JPEG は透過性をサポートしていません。これは、PNG や GIF などの他の形式で提供される機能です。

元の JPEG 規格のいくつかの制限に対処するために、JPEG 2000 や JPEG XR などの新しい形式が開発されました。これらの形式は、圧縮効率の向上、より高いビット深度のサポート、透過性や可逆圧縮などの追加機能を提供します。ただし、元の JPEG 形式と同じレベルの普及にはまだ達していません。

結論として、JPEG 画像形式は、数学、人間の視覚心理学、コンピュータサイエンスの複雑なバランスです。その広範な使用は、ほとんどのアプリケーションで許容できるレベルの画質を維持しながらファイルサイズを削減するその有効性の証です。JPEG の技術的側面を理解すると、ユーザーはこの形式を使用するタイミングと、ニーズに最適な品質とファイルサイズのバランスに合わせて画像を最適化する方法について情報に基づいた意思決定を行うのに役立ちます。