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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。