Преобразовать JPGs в JPEGs

Формат JPEG 2000 Multi-layer (JPM) является расширением стандарта JPEG 2000, который представляет собой стандарт сжатия изображений и систему кодирования. Он был создан комитетом Joint Photographic Experts Group в 2000 году с целью замены оригинального стандарта JPEG. JPEG 2000 известен своей высокой эффективностью сжатия и способностью обрабатывать широкий спектр типов изображений, включая черно-белые, цветные и многокомпонентные изображения. Формат JPM специально расширяет возможности JPEG 2000, включая поддержку составных документов, которые могут содержать смесь текста, графики и изображений.

JPM определен в части 6 пакета JPEG 2000 (ISO/IEC 15444-6) и предназначен для инкапсуляции нескольких изображений и связанных данных в одном файле. Это делает его особенно полезным для таких приложений, как обработка изображений документов, медицинская визуализация и техническая визуализация, где необходимо хранить вместе различные типы контента. Формат JPM позволяет эффективно хранить страницы в документе, каждая из которых может содержать несколько областей изображений с различными характеристиками, а также неизобразительные данные, такие как аннотации или метаданные.

Одной из ключевых особенностей JPM является использование потока кода JPEG 2000 (JPX), который является расширенной версией базового потока кода JPEG 2000 (JP2). JPX поддерживает более широкий спектр цветовых пространств, более сложные метаданные и более высокую глубину битов. В файле JPM каждое изображение или «слой» хранится как отдельный поток кода JPX. Это позволяет сжимать каждый слой в соответствии с его собственными характеристиками, что может привести к более эффективному сжатию и более качественным результатам, особенно для составных документов с различными типами контента.

Структура файла JPM является иерархической и состоит из ряда блоков. Блок — это автономный блок, который включает заголовок и данные. Заголовок указывает тип и длину блока, а данные содержат фактическое содержимое. Блок верхнего уровня в файле JPM — это блок подписи, который идентифицирует файл как файл семейства JPEG 2000. За блоком подписи следуют блоки типа файла, блоки заголовка и блоки содержимого, среди прочего. Блоки заголовка содержат информацию о файле, такую как количество страниц и атрибуты каждой страницы, а блоки содержимого содержат данные изображения и любые связанные неизобразительные данные.

С точки зрения сжатия файлы JPM могут использовать как методы сжатия без потерь, так и с потерями. Сжатие без потерь гарантирует, что исходные данные изображения могут быть идеально восстановлены из сжатых данных, что имеет решающее значение для приложений, где целостность изображения имеет первостепенное значение, таких как медицинская визуализация. Сжатие с потерями, с другой стороны, позволяет уменьшить размер файла за счет отбрасывания части данных изображения, что может быть приемлемо в ситуациях, когда не требуется идеальная точность.

JPM также поддерживает концепцию «прогрессивного декодирования», что означает, что можно отобразить версию изображения с низким разрешением, пока изображение с полным разрешением все еще загружается или обрабатывается. Это особенно полезно для больших изображений или медленных сетевых подключений, поскольку позволяет пользователям быстро просматривать изображение, не дожидаясь, пока весь файл станет доступным.

Еще одним важным аспектом JPM является поддержка метаданных. Метаданные в файлах JPM могут включать информацию о документе, такую как автор, название и ключевые слова, а также информацию о каждом изображении, такую как дата съемки, настройки камеры и географическое положение. Эти метаданные можно хранить в формате XML, что делает их легкодоступными и изменяемыми. Кроме того, JPM поддерживает включение профилей ICC, которые определяют цветовое пространство изображений, обеспечивая точное воспроизведение цветов на разных устройствах.

Файлы JPM также способны хранить несколько версий изображения, каждая с разным разрешением или настройками качества. Эта функция, известная как «многослойность», обеспечивает более эффективное хранение и передачу, поскольку соответствующую версию изображения можно выбрать в зависимости от конкретных потребностей приложения или доступной пропускной способности.

Безопасность — еще одна область, в которой JPM предоставляет надежные функции. Формат поддерживает включение цифровых подписей и шифрования, которые можно использовать для проверки подлинности документа и защиты конфиденциальной информации. Это особенно важно в таких областях, как управление юридическими и медицинскими документами, где целостность и конфиденциальность документов имеют первостепенное значение.

Несмотря на множество преимуществ, формат JPM не получил широкого распространения, особенно на потребительском рынке. Это отчасти связано со сложностью формата и вычислительными ресурсами, необходимыми для обработки файлов JPM. Кроме того, семейство стандартов JPEG 2000, включая JPM, было подвержено проблемам лицензирования патентов, что препятствовало его принятию по сравнению с оригинальным стандартом JPEG, который обычно не обременен патентами.

Для разработчиков программного обеспечения и инженеров, работающих с файлами JPM, доступно несколько библиотек и инструментов, которые обеспечивают поддержку формата. К ним относятся библиотека OpenJPEG, которая является открытым кодеком JPEG 2000, и коммерческие предложения от различных компаний, занимающихся программным обеспечением для обработки изображений. При работе с файлами JPM разработчики должны быть знакомы с синтаксисом потока кода JPEG 2000, а также с конкретными требованиями к обработке составных документов и метаданных.

В заключение, формат изображения JPM является мощным расширением стандарта JPEG 2000, который предлагает ряд функций, подходящих для хранения и управления составными документами. Его поддержка нескольких слоев изображений, прогрессивного декодирования, метаданных, многослойности и функций безопасности делают его идеальным выбором для профессиональных и технических приложений, где качество изображения и целостность документа имеют решающее значение. Хотя он может быть не таким распространенным, как другие форматы изображений, его специализированные возможности гарантируют, что он остается важным инструментом в таких областях, как обработка изображений документов и медицинская визуализация.

JPEG, что расшифровывается как Joint Photographic Experts Group, является широко используемым методом с потерями для сжатия 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 незначительной заметной потерей качества изображения. Алгоритм сжатия JPEG лежит в основе формата файла JPEG, который формально известен как JPEG Interchange Format (JIF). Однако термин «JPEG» часто используется для обозначения формата файла, который на самом деле стандартизирован как JPEG File Interchange Format (JFIF).

Формат JPEG поддерживает различные цветовые пространства, но наиболее распространенным, используемым в цифровой фотографии и веб-графике, является 24-битный цвет, который включает 8 бит для каждого из компонентов красного, зеленого и синего (RGB). Это позволяет использовать более 16 миллионов различных цветов, обеспечивая насыщенное и яркое качество изображения, подходящее для широкого спектра приложений. Файлы JPEG также могут поддерживать изображения в оттенках серого и цветовые пространства, такие как YCbCr, которое часто используется при сжатии видео.

Алгоритм сжатия JPEG основан на дискретном косинусном преобразовании (DCT), которое является типом преобразования Фурье. DCT применяется к небольшим блокам изображения, обычно 8x8 пикселей, преобразуя данные пространственной области в данные частотной области. Этот процесс выгоден, поскольку он имеет тенденцию концентрировать энергию изображения в нескольких низкочастотных компонентах, которые более важны для общего вида изображения, в то время как высокочастотные компоненты, которые вносят вклад в мелкие детали и могут быть отброшены с меньшим влиянием на воспринимаемое качество, уменьшаются.

После применения DCT результирующие коэффициенты квантуются. Квантование - это процесс отображения большого набора входных значений в меньший набор, что эффективно снижает точность коэффициентов DCT. Именно здесь вступает в игру аспект JPEG с потерями. Степень квантования определяется таблицей квантования, которую можно отрегулировать для баланса качества изображения и коэффициента сжатия. Более высокий уровень квантования приводит к более высокому сжатию и более низкому качеству изображения, в то время как более низкий уровень квантования приводит к более низкому сжатию и более высокому качеству изображения.

После квантования коэффициенты сериализуются в зигзагообразном порядке, начиная с верхнего левого угла и следуя зигзагообразному шаблону через блок 8x8. Этот шаг предназначен для размещения низкочастотных коэффициентов в начале блока и высокочастотных коэффициентов ближе к концу. Поскольку многие из высокочастотных коэффициентов, вероятно, будут равны нулю или близки к нулю после квантования, этот порядок помогает дополнительно сжать данные, группируя похожие значения вместе.

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 значениям и более длинных кодов менее частым значениям. Поскольку квантованные коэффициенты DCT упорядочены таким образом, что группируются нули и низкочастотные значения, кодирование Хаффмана может эффективно уменьшить размер данных.

Формат файла JPEG также позволяет хранить метаданные в файле, такие как данные Exif, которые включают информацию о настройках камеры, дате и времени съемки и другие соответствующие сведения. Эти метаданные хранятся в специфичных для приложения сегментах файла JPEG, которые могут быть прочитаны различным программным обеспечением для отображения или обработки информации об изображении.

Одной из ключевых особенностей формата JPEG является поддержка прогрессивного кодирования. В прогрессивном JPEG изображение кодируется в несколько проходов с возрастающей детализацией. Это означает, что даже если изображение не было полностью загружено, можно отобразить черновую версию всего изображения, которая постепенно улучшается по мере получения большего количества данных. Это особенно полезно для веб-изображений, позволяя пользователям получить представление о содержимом изображения, не дожидаясь загрузки всего файла.

Несмотря на широкое распространение и множество преимуществ, формат JPEG имеет некоторые ограничения. Одним из наиболее существенных является проблема артефактов, которые представляют собой искажения или визуальные аномалии, которые могут возникать в результате сжатия с потерями. Эти артефакты могут включать размытие, блочность и «звон» вокруг краев. Видимость артефактов зависит от уровня сжатия и содержимого изображения. Изображения с плавными градиентами или тонкими цветовыми переходами более склонны к появлению артефактов сжатия.

Еще одним ограничением JPEG является то, что он не поддерживает прозрачность или альфа-каналы. Это означает, что изображения JPEG не могут иметь прозрачный фон, что может быть недостатком для определенных приложений, таких как веб-дизайн, где наложение изображений на разные фоны является обычным делом. Для этих целей часто используются такие форматы, как PNG или GIF, которые поддерживают прозрачность.

JPEG также не поддерживает слои или анимацию. В отличие от таких форматов, как TIFF для слоев или GIF для анимации, JPEG является строго одноизображенным форматом. Это делает его непригодным для изображений, требующих редактирования в слоях, или для создания анимированных изображений. Пользователи, которым необходимо работать со слоями или анимацией, должны использовать другие форматы во время процесса редактирования, а затем при необходимости конвертировать в JPEG для распространения.

Несмотря на эти ограничения, JPEG остается одним из самых популярных форматов изображений благодаря эффективному сжатию и совместимости практически со всем программным обеспечением для просмотра и редактирования изображений. Он особенно хорошо подходит для фотографий и сложных изображений с непрерывными тонами и цветами. Для использования в Интернете изображения JPEG можно оптимизировать для баланса качества и размера файла, что делает их идеальными для быстрой загрузки, при этом обеспечивая визуально приятные результаты.

Формат JPEG также развивался с течением времени с появлением таких вариаций, как JPEG 2000 и JPEG XR. JPEG 2000 обеспечивает улучшенную эффективность сжатия, лучшую обработку артефактов изображения и возможность обработки прозрачности. JPEG XR, с другой стороны, обеспечивает лучшее сжатие при более высоких уровнях качества и поддерживает более широкий диапазон цветовых глубин и цветовых пространств. Однако эти новые форматы еще не достигли того же уровня повсеместного распространения, что и оригинальный формат JPEG.

В заключение, формат изображения JPEG является универсальным и широко поддерживаемым форматом, который обеспечивает баланс между качеством изображения и размером файла. Его использование DCT и квантования позволяет значительно уменьшить размер файла с настраиваемым влиянием на качество изображения. Хотя у него есть некоторые ограничения, такие как отсутствие поддержки прозрачности, слоев и анимации, его преимущества с точки зрения совместимости и эффективности делают его основным элементом цифровой обработки изображений. По мере развития технологий новые форматы могут предложить улучшения, но наследие JPEG и его широкое распространение гарантируют, что он останется фундаментальной частью цифровой обработки изображений в обозримом будущем.