Просмотр EXIF-данных JPE

JPEG, что означает Объединенная группа экспертов по фотографии, является широко используемым методом с потерями для цифровых изображений, особенно для тех изображений, которые создаются цифровой фотографией. Степень сжатия можно регулировать, что позволяет выбирать компромисс между размером хранилища и качеством изображения. JPEG обычно достигает сжатия 10:1 с небольшой заметной потерей качества изображения.

Алгоритм сжатия JPEG лежит в основе стандарта JPEG. Процесс начинается с преобразования цифрового изображения из его типичного цветового пространства RGB в другое цветовое пространство, известное как YCbCr. Цветовое пространство YCbCr разделяет изображение на яркость (Y), которая представляет уровни яркости, и цветность (Cb и Cr), которая представляет цветовую информацию. Это разделение полезно, потому что человеческий глаз более чувствителен к изменениям яркости, чем цвета, что позволяет сжатию использовать это преимущество, сжимая цветовую информацию больше, чем яркость.

Как только изображение находится в цветовом пространстве YCbCr, следующим шагом в процессе сжатия JPEG является понижение частоты дискретизации каналов цветности. Понижение частоты дискретизации уменьшает разрешение информации о цветности, что обычно не влияет на воспринимаемое качество изображения, из-за более низкой чувствительности человеческого глаза к деталям цвета. Этот шаг является необязательным и может быть скорректирован в зависимости от желаемого баланса между качеством изображения и размером файла.

После понижения частоты дискретизации изображение делится на блоки, обычно размером 8x8 пикселей. Затем каждый блок обрабатывается отдельно. Первым шагом в обработке каждого блока является применение дискретного косинусного преобразования (DCT). DCT — это математическая операция, которая преобразует данные пространственной области (значения пикселей) в частотную область. Результатом является матрица частотных коэффициентов, которые представляют данные блока изображения с точки зрения его пространственных частотных компонентов.

Затем частотные коэффициенты, полученные в результате DCT, квантуются. Квантование — это процесс отображения большого набора входных значений в меньший набор — в случае JPEG это означает уменьшение точности частотных коэффициентов. Именно здесь происходит потерянная часть сжатия, поскольку часть информации изображения отбрасывается. Шаг квантования контролируется таблицей квантования, которая определяет, какое сжатие применяется к каждому частотному компоненту. Таблицы квантования можно настроить в пользу более высокого качества изображения (меньшее сжатие) или меньшего размера файла (большее сжатие).

После квантования коэффициенты располагаются в зигзагообразном порядке, начиная с верхнего левого угла и следуя шаблону, который ставит приоритет более низким частотным компонентам над более высокими. Это связано с тем, что более низкие частотные компоненты (которые представляют более однородные части изображения) более важны для общего внешнего вида, чем более высокие частотные компоненты (которые представляют более мелкие детали и края).

Следующим шагом в процессе сжатия JPEG является энтропийное кодирование, которое является методом сжатия без потерь. Наиболее распространенной формой энтропийного кодирования, используемой в JPEG, является кодирование Хаффмана, хотя также возможна арифметическое кодирование. Кодирование Хаффмана работает путем назначения более коротких кодов более частым вхождениям и более длинных кодов менее частым вхождениям. Поскольку зигзагообразный порядок имеет тенденцию группировать похожие частотные коэффициенты вместе, это повышает эффективность кодирования Хаффмана.

После завершения энтропийного кодирования сжатые данные сохраняются в формате файла, соответствующем стандарту JPEG. Этот формат файла включает заголовок, который содержит информацию об изображении, такую как его размеры и используемые таблицы квантования, а затем данные изображения, закодированные Хаффманом. Формат файла также поддерживает включение метаданных, таких как данные EXIF, которые могут содержать информацию о настройках камеры, используемых для съемки фотографии, дате и времени ее съемки и других соответствующих деталях.

Когда открывается изображение JPEG, процесс декомпрессии по существу обращает шаги сжатия. Данные, закодированные Хаффманом, декодируются, квантованные частотные коэффициенты деквантуются с использованием тех же таблиц квантования, которые использовались при сжатии, и к каждому блоку применяется обратное дискретное косинусное преобразование (IDCT) для преобразования данных частотной области обратно в значения пикселей пространственной области.

Процессы деквантования и IDCT вносят некоторые ошибки из-за потери сжатия, поэтому JPEG не подходит для изображений, которые будут подвергаться многочисленным редактированиям и повторным сохранениям. Каждый раз, когда изображение JPEG сохраняется, оно снова проходит процесс сжатия, и теряется дополнительная информация об изображении. Это может привести к заметному ухудшению качества изображения с течением времени, явлению, известному как «потеря поколения».

Несмотря на потерю сжатия JPEG, он остается популярным форматом изображения благодаря своей гибкости и эффективности. Изображения JPEG могут быть очень маленькими по размеру файла, что делает их идеальными для использования в Интернете, где пропускная способность и время загрузки являются важными факторами. Кроме того, стандарт JPEG включает прогрессивный режим, который позволяет кодировать изображение таким образом, чтобы его можно было декодировать в несколько проходов, каждый из которых улучшает разрешение изображения. Это особенно полезно для веб-изображений, поскольку позволяет быстро отображать изображение низкого качества, а качество улучшается по мере загрузки большего количества данных.

JPEG также имеет некоторые ограничения и не всегда является лучшим выбором для всех типов изображений. Например, он не очень подходит для изображений с резкими краями или текстом с высокой контрастностью, поскольку сжатие может создавать заметные артефакты вокруг этих областей. Кроме того, JPEG не поддерживает прозрачность, которая является функцией, предоставляемой другими форматами, такими как PNG и GIF.

Чтобы устранить некоторые ограничения исходного стандарта JPEG, были разработаны новые форматы, такие как JPEG 2000 и JPEG XR. Эти форматы обеспечивают улучшенную эффективность сжатия, поддержку более высокой глубины цвета и дополнительные функции, такие как прозрачность и сжатие без потерь. Однако они еще не достигли того же уровня широкого распространения, что и исходный формат JPEG.

В заключение, формат изображения JPEG представляет собой сложный баланс математики, психологии человеческого зрения и информатики. Его широкое использование свидетельствует о его эффективности в уменьшении размеров файлов при сохранении уровня качества изображения, приемлемого для большинства приложений. Понимание технических аспектов JPEG может помочь пользователям принимать обоснованные решения о том, когда использовать этот формат и как оптимизировать свои изображения для баланса качества и размера файла, который наилучшим образом соответствует их потребностям.