Konwertuj JPGs do JPEGs

Format JPEG 2000 Multi-layer (JPM) jest rozszerzeniem standardu JPEG 2000, który jest standardem kompresji obrazu i systemem kodowania. Został stworzony przez komitet Joint Photographic Experts Group w 2000 roku z zamiarem zastąpienia oryginalnego standardu JPEG. JPEG 2000 jest znany z wysokiej wydajności kompresji i możliwości obsługi szerokiej gamy typów obrazów, w tym obrazów w skali szarości, kolorowych i wieloskładnikowych. Format JPM specjalnie rozszerza możliwości JPEG 2000 o obsługę dokumentów złożonych, które mogą zawierać mieszankę tekstu, grafiki i obrazów.

JPM jest zdefiniowany w części 6 pakietu JPEG 2000 (ISO/IEC 15444-6) i jest zaprojektowany do kapsułkowania wielu obrazów i powiązanych danych w jednym pliku. Dzięki temu jest szczególnie przydatny w takich zastosowaniach, jak obrazowanie dokumentów, obrazowanie medyczne i obrazowanie techniczne, gdzie różne typy treści muszą być przechowywane razem. Format JPM umożliwia wydajne przechowywanie stron w dokumencie, z których każda może zawierać kilka regionów obrazu o różnych charakterystykach, a także dane nieobrazowe, takie jak adnotacje lub metadane.

Jedną z kluczowych cech JPM jest wykorzystanie strumienia kodu JPEG 2000 (JPX), który jest rozszerzoną wersją podstawowego strumienia kodu JPEG 2000 (JP2). JPX obsługuje szerszą gamę przestrzeni kolorów, bardziej zaawansowane metadane i większe głębie bitowe. W pliku JPM każdy obraz lub „warstwa” jest przechowywany jako osobny strumień kodu JPX. Dzięki temu każda warstwa może być kompresowana zgodnie z własnymi charakterystykami, co może prowadzić do bardziej wydajnej kompresji i wyników o wyższej jakości, szczególnie w przypadku dokumentów złożonych z różnorodnymi typami treści.

Struktura pliku JPM jest hierarchiczna i składa się z serii boksów. Boks jest samodzielną jednostką, która zawiera nagłówek i dane. Nagłówek określa typ i długość boksu, podczas gdy dane zawierają rzeczywistą treść. Boks najwyższego poziomu w pliku JPM to boks sygnatury, który identyfikuje plik jako plik rodziny JPEG 2000. Po boksie sygnatury znajdują się między innymi boksy typu pliku, boksy nagłówka i boksy zawartości. Boksy nagłówka zawierają informacje o pliku, takie jak liczba stron i atrybuty każdej strony, podczas gdy boksy zawartości zawierają dane obrazu i wszelkie powiązane dane nieobrazowe.

Pod względem kompresji pliki JPM mogą wykorzystywać zarówno metody kompresji bezstratnej, jak i stratnej. Kompresja bezstratna zapewnia, że oryginalne dane obrazu mogą być idealnie zrekonstruowane z danych skompresowanych, co jest kluczowe dla zastosowań, w których integralność obrazu jest najważniejsza, takich jak obrazowanie medyczne. Z drugiej strony kompresja stratna pozwala na zmniejszenie rozmiaru pliku poprzez odrzucenie części danych obrazu, co może być dopuszczalne w sytuacjach, gdy nie jest wymagana idealna wierność.

JPM obsługuje również koncepcję „dekodowania progresywnego”, co oznacza, że można wyświetlić wersję obrazu o niskiej rozdzielczości, podczas gdy obraz o pełnej rozdzielczości jest nadal pobierany lub przetwarzany. Jest to szczególnie przydatne w przypadku dużych obrazów lub wolnych połączeń sieciowych, ponieważ pozwala użytkownikom na szybki podgląd bez konieczności czekania na dostępność całego pliku.

Innym ważnym aspektem JPM jest obsługa metadanych. Metadane w plikach JPM mogą zawierać informacje o dokumencie, takie jak autor, tytuł i słowa kluczowe, a także informacje o każdym obrazie, takie jak data wykonania, ustawienia aparatu i lokalizacja geograficzna. Te metadane można przechowywać w formacie XML, dzięki czemu są łatwo dostępne i modyfikowalne. Ponadto JPM obsługuje dołączanie profili ICC, które definiują przestrzeń kolorów obrazów, zapewniając dokładne odwzorowanie kolorów na różnych urządzeniach.

Pliki JPM są również zdolne do przechowywania wielu wersji obrazu, każda z różnymi rozdzielczościami lub ustawieniami jakości. Ta funkcja, znana jako „wielowarstwowość”, umożliwia bardziej wydajne przechowywanie i przesyłanie, ponieważ odpowiednia wersja obrazu może być wybierana w oparciu o konkretne potrzeby aplikacji lub dostępną przepustowość.

Bezpieczeństwo to kolejna dziedzina, w której JPM zapewnia solidne funkcje. Format obsługuje dołączanie podpisów cyfrowych i szyfrowanie, które można wykorzystać do weryfikacji autentyczności dokumentu i ochrony poufnych informacji. Jest to szczególnie ważne w takich dziedzinach, jak zarządzanie dokumentami prawnymi i medycznymi, gdzie integralność i poufność dokumentów mają najwyższe znaczenie.

Pomimo wielu zalet format JPM nie zyskał powszechnego zastosowania, szczególnie na rynku konsumenckim. Wynika to częściowo ze złożoności formatu i zasobów obliczeniowych wymaganych do przetwarzania plików JPM. Ponadto rodzina standardów JPEG 2000, w tym JPM, podlegała problemom z licencjonowaniem patentów, które utrudniały jej przyjęcie w porównaniu z oryginalnym standardem JPEG, który ogólnie nie jest obciążony patentami.

Dla programistów oprogramowania i inżynierów pracujących z plikami JPM dostępnych jest kilka bibliotek i narzędzi, które zapewniają obsługę tego formatu. Należą do nich biblioteka OpenJPEG, która jest kodekiem JPEG 2000 typu open source, oraz oferty komercyjne różnych firm zajmujących się oprogramowaniem do obrazowania. Podczas pracy z plikami JPM programiści muszą znać składnię strumienia kodu JPEG 2000, a także szczegółowe wymagania dotyczące obsługi dokumentów złożonych i metadanych.

Podsumowując, format obrazu JPM jest potężnym rozszerzeniem standardu JPEG 2000, który oferuje szereg funkcji odpowiednich do przechowywania i zarządzania dokumentami złożonymi. Obsługa wielu warstw obrazu, dekodowania progresywnego, metadanych, wielowarstwowości i funkcji bezpieczeństwa sprawiają, że jest to idealny wybór dla profesjonalnych i technicznych zastosowań, w których jakość obrazu i integralność dokumentu mają kluczowe znaczenie. Chociaż może nie być tak powszechnie używany jak inne formaty obrazu, jego specjalistyczne możliwości zapewniają, że pozostaje ważnym narzędziem w takich dziedzinach, jak obrazowanie dokumentów i obrazowanie medyczne.

JPEG, co oznacza Joint Photographic Experts Group, to powszechnie stosowana metoda kompresji stratnej dla obrazów cyfrowych, szczególnie tych uzyskanych za pomocą fotografii cyfrowej. Stopień kompresji można regulować, co pozwala na wybór kompromisu między rozmiarem pliku a jakością obrazu. JPEG zwykle osiąga kompresję 10:1 przy niewielkiej zauważalnej utracie jakości obrazu.

Algorytm kompresji JPEG stanowi podstawę standardu JPEG. Proces rozpoczyna się od konwersji obrazu cyfrowego z typowej przestrzeni kolorów RGB do innej przestrzeni kolorów znanej jako YCbCr. Przestrzeń kolorów YCbCr dzieli obraz na luminancję (Y), która reprezentuje poziomy jasności, oraz chrominancję (Cb i Cr), która reprezentuje informacje o kolorze. Ten podział jest korzystny, ponieważ ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na zmiany jasności niż koloru, co pozwala kompresji wykorzystać to poprzez kompresowanie informacji o kolorze bardziej niż luminancji.

Gdy obraz znajduje się w przestrzeni kolorów YCbCr, następnym krokiem w procesie kompresji JPEG jest zmniejszenie próbkowania kanałów chrominancji. Zmniejszenie próbkowania zmniejsza rozdzielczość informacji o chrominancji, co zwykle nie wpływa znacząco na postrzeganą jakość obrazu ze względu na niższą wrażliwość ludzkiego oka na szczegóły kolorów. Ten krok jest opcjonalny i można go dostosować w zależności od pożądanego balansu między jakością obrazu a rozmiarem pliku.

Po zmniejszeniu próbkowania obraz jest dzielony na bloki, zwykle o rozmiarze 8x8 pikseli. Następnie każdy blok jest przetwarzany osobno. Pierwszym krokiem w przetwarzaniu każdego bloku jest zastosowanie dyskretnej transformacji kosinusowej (DCT). DCT to operacja matematyczna, która przekształca dane domeny przestrzennej (wartości pikseli) w domenę częstotliwości. Wynikiem jest macierz współczynników częstotliwości, które reprezentują dane bloku obrazu w kategoriach jego składowych częstotliwości przestrzennej.

Współczynniki częstotliwości wynikające z DCT są następnie kwantyzowane. Kwantyzacja to proces mapowania dużego zestawu wartości wejściowych na mniejszy zestaw – w przypadku JPEG oznacza to zmniejszenie precyzji współczynników częstotliwości. W tym miejscu następuje stratna część kompresji, ponieważ część informacji o obrazie jest odrzucana. Krok kwantyzacji jest kontrolowany przez tabelę kwantyzacji, która określa, ile kompresji jest stosowane do każdej składowej częstotliwości. Tabele kwantyzacji można dostosować, aby uzyskać wyższą jakość obrazu (mniej kompresji) lub mniejszy rozmiar pliku (więcej kompresji).

Po kwantyzacji współczynniki są układane w kolejności zygzakowatej, zaczynając od lewego górnego rogu i postępując zgodnie ze schematem, który priorytetyzuje niższe składowe częstotliwości nad wyższymi. Wynika to z faktu, że niższe składowe częstotliwości (które reprezentują bardziej jednolite części obrazu) są ważniejsze dla ogólnego wyglądu niż wyższe składowe częstotliwości (które reprezentują drobniejsze szczegóły i krawędzie).

Następnym krokiem w procesie kompresji JPEG jest kodowanie entropii, które jest metodą kompresji bezstratnej. Najczęstszą formą kodowania entropii stosowaną w JPEG jest kodowanie Huffmana, chociaż kodowanie arytmetyczne jest również opcją. Kodowanie Huffmana działa poprzez przypisywanie krótszych kodów do częstszych wystąpień i dłuższych kodów do rzadszych wystąpień. Ponieważ porządek zygzakowaty ma tendencję do grupowania podobnych współczynników częstotliwości, zwiększa to wydajność kodowania Huffmana.

Po zakończeniu kodowania entropii skompresowane dane są przechowywane w formacie pliku zgodnym ze standardem JPEG. Ten format pliku zawiera nagłówek, który zawiera informacje o obrazie, takie jak jego wymiary i użyte tabele kwantyzacji, a następnie zakodowane kodem Huffmana dane obrazu. Format pliku obsługuje również dołączanie metadanych, takich jak dane EXIF, które mogą zawierać informacje o ustawieniach aparatu użytego do wykonania zdjęcia, dacie i godzinie wykonania zdjęcia oraz innych istotnych szczegółach.

Gdy obraz JPEG jest otwierany, proces dekompresji zasadniczo odwraca kroki kompresji. Dane zakodowane kodem Huffmana są dekodowane, skwantyzowane współczynniki częstotliwości są dekwantyzowane przy użyciu tych samych tabel kwantyzacji, które były używane podczas kompresji, a odwrotna dyskretna transformacja kosinusowa (IDCT) jest stosowana do każdego bloku w celu przekonwertowania danych domeny częstotliwości z powrotem do wartości pikseli domeny przestrzennej.

Procesy dekwantyzacji i IDCT wprowadzają pewne błędy ze względu na stratny charakter kompresji, dlatego JPEG nie jest idealny dla obrazów, które będą podlegały wielokrotnym edycjom i ponownym zapisom. Za każdym razem, gdy obraz JPEG jest zapisywany, przechodzi ponownie przez proces kompresji, a dodatkowe informacje o obrazie są tracone. Może to prowadzić do zauważalnego pogorszenia jakości obrazu w czasie, zjawisko znane jako „utrata generacji”.

Pomimo stratnego charakteru kompresji JPEG pozostaje popularnym formatem obrazu ze względu na swoją elastyczność i wydajność. Obrazy JPEG mogą mieć bardzo mały rozmiar pliku, co czyni je idealnymi do użytku w Internecie, gdzie przepustowość i czasy ładowania są ważnymi czynnikami. Ponadto standard JPEG zawiera tryb progresywny, który pozwala na zakodowanie obrazu w taki sposób, aby można go było dekodować w wielu przejściach, przy czym każde przejście poprawia rozdzielczość obrazu. Jest to szczególnie przydatne w przypadku obrazów internetowych, ponieważ pozwala na szybkie wyświetlenie wersji obrazu o niskiej jakości, a jakość poprawia się wraz z pobieraniem większej ilości danych.

JPEG ma również pewne ograniczenia i nie zawsze jest najlepszym wyborem dla wszystkich typów obrazów. Na przykład nie nadaje się do obrazów z ostrymi krawędziami lub tekstem o wysokim kontraście, ponieważ kompresja może tworzyć zauważalne artefakty wokół tych obszarów. Ponadto JPEG nie obsługuje przezroczystości, która jest funkcją oferowaną przez inne formaty, takie jak PNG i GIF.

Aby rozwiązać niektóre ograniczenia oryginalnego standardu JPEG, opracowano nowe formaty, takie jak JPEG 2000 i JPEG XR. Formaty te oferują lepszą wydajność kompresji, obsługę większych głębi bitowych oraz dodatkowe funkcje, takie jak przezroczystość i kompresja bezstratna. Jednak nie osiągnęły jeszcze takiego samego poziomu powszechnej akceptacji jak oryginalny format JPEG.

Podsumowując, format obrazu JPEG to złożona równowaga matematyki, ludzkiej psychologii wzrokowej i informatyki. Jego szerokie zastosowanie świadczy o jego skuteczności w zmniejszaniu rozmiarów plików przy jednoczesnym zachowaniu poziomu jakości obrazu, który jest akceptowalny dla większości zastosowań. Zrozumienie aspektów technicznych JPEG może pomóc użytkownikom podejmować świadome decyzje o tym, kiedy używać tego formatu i jak optymalizować swoje obrazy pod kątem równowagi jakości i rozmiaru pliku, która najlepiej odpowiada ich potrzebom.