JPG を JPEG に変換

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。

JPEG 2000 マルチレイヤー（JPM）形式は、画像圧縮標準および符号化システムである JPEG 2000 標準の拡張です。これは、元の JPEG 標準に取って代わることを意図して、2000 年に Joint Photographic Experts Group 委員会によって作成されました。JPEG 2000 は、高い圧縮効率と、グレースケール、カラー、マルチコンポーネント画像など、幅広い種類の画像を処理する能力で知られています。JPM 形式は、特に JPEG 2000 の機能を拡張して、テキスト、グラフィックス、画像を混在させることができる複合ドキュメントのサポートを含んでいます。

JPM は JPEG 2000 スイート（ISO/IEC 15444-6）の第 6 部で定義されており、複数の画像と関連データを 1 つのファイルにカプセル化するように設計されています。これにより、さまざまな種類のコンテンツを一緒に格納する必要があるドキュメントイメージング、医療イメージング、技術イメージングなどのアプリケーションに特に役立ちます。JPM 形式では、ドキュメント内のページを効率的に格納できます。各ページには、異なる特性を持つ複数の画像領域と、注釈やメタデータなどの非画像データを含めることができます。

JPM の重要な機能の 1 つは、基本的な JPEG 2000 コードストリーム（JP2）の拡張バージョンである JPEG 2000 コードストリーム（JPX）を使用することです。JPX は、より広範なカラースペース、より高度なメタデータ、より高いビット深度をサポートしています。JPM ファイルでは、各画像または「レイヤー」は個別の JPX コードストリームとして格納されます。これにより、各レイヤーを独自の特性に従って圧縮できます。これにより、特にさまざまなコンテンツタイプを含む複合ドキュメントの場合、より効率的な圧縮とより高品質な結果が得られます。

JPM ファイルの構造は階層的で、一連のボックスで構成されています。ボックスは、ヘッダーとデータを含む自己完結型のユニットです。ヘッダーはボックスのタイプと長さを指定し、データには実際のコンテンツが含まれます。JPM ファイルの最上位ボックスはシグネチャボックスで、ファイルを JPEG 2000 ファミリファイルとして識別します。シグネチャボックスの後に、ファイルタイプボックス、ヘッダーボックス、コンテンツボックスなどが続きます。ヘッダーボックスには、ページ数や各ページの属性などのファイルに関する情報が含まれ、コンテンツボックスには画像データと関連する非画像データが含まれます。

圧縮の観点から、JPM ファイルはロスレスとロスのある両方の圧縮方法を使用できます。ロスレス圧縮は、元の画像データを圧縮データから完全に再構築できることを保証します。これは、医療イメージングなど、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。一方、ロスのある圧縮は、一部の画像データを破棄することでより小さなファイルサイズを実現します。これは、完全な忠実度が不要な状況で許容できます。

JPM はまた、「プログレッシブデコーディング」の概念もサポートしています。つまり、フル解像度の画像がまだダウンロードまたは処理されている間、低解像度の画像を表示できます。これは、大規模な画像や低速のネットワーク接続に特に役立ちます。ユーザーは、ファイル全体が利用可能になるのを待たずに、すばやくプレビューできます。

JPM のもう 1 つの重要な側面は、メタデータのサポートです。JPM ファイルのメタデータには、著者、タイトル、キーワードなどのドキュメントに関する情報と、撮影日、カメラ設定、地理的位置などの各画像に関する情報を含めることができます。このメタデータは XML 形式で格納できるため、簡単にアクセスして変更できます。さらに、JPM は ICC プロファイルの挿入をサポートしています。これにより、画像のカラースペースが定義され、さまざまなデバイス間で正確な色再現が確保されます。

JPM ファイルは、それぞれ異なる解像度または品質設定を持つ複数のバージョンの画像を格納することもできます。この機能は「マルチレイヤー」と呼ばれ、アプリケーションの特定のニーズや利用可能な帯域幅に基づいて適切なバージョンの画像を選択できるため、より効率的な格納と伝送が可能になります。

セキュリティは、JPM が堅牢な機能を提供するもう 1 つの領域です。この形式は、デジタル署名と暗号化の挿入をサポートしています。これを使用して、ドキュメントの真正性を検証し、機密情報を保護できます。これは、ドキュメントの完全性と機密性が最優先される法律や医療ドキュメント管理などの分野で特に重要です。

多くの利点があるにもかかわらず、JPM 形式は、特にコンシューマー市場では広く採用されていません。これは、形式の複雑さと、JPM ファイルを処理するために必要な計算リソースが原因です。さらに、JPM を含む JPEG 2000 標準ファミリは、特許ライセンスの問題の影響を受けています。これにより、一般的に特許によって妨げられない元の JPEG 標準と比較して、採用が妨げられています。

JPM ファイルを扱うソフトウェア開発者やエンジニア向けには、この形式をサポートするライブラリやツールがいくつかあります。これらには、オープンソースの JPEG 2000 コーデックである OpenJPEG ライブラリと、さまざまなイメージングソフトウェア会社からの商用製品が含まれます。JPM ファイルを扱う場合、開発者は JPEG 2000 コードストリーム構文と、複合ドキュメントとメタデータを処理するための特定の要件に精通している必要があります。

結論として、JPM 画像形式は、複合ドキュメントの格納と管理に適した機能を提供する JPEG 2000 標準の強力な拡張です。複数の画像レイヤー、プログレッシブデコーディング、メタデータ、マルチレイヤー、セキュリティ機能をサポートしているため、画像品質とドキュメントの完全性が重要なプロフェッショナルおよび技術アプリケーションに最適です。他の画像形式ほど一般的に使用されていないかもしれませんが、その特殊な機能により、ドキュメントイメージングや医療イメージングなどの分野で重要なツールであり続けています。