แปลง JXLs เป็น JPEGs

รูปแบบภาพ JPEG XL (JXL) เป็นมาตรฐานการเข้ารหัสภาพรุ่นถัดไปที่มุ่งหมายจะเหนือกว่าความสามารถของรูปแบบที่มีอยู่ เช่น JPEG, PNG และ GIF โดยให้ประสิทธิภาพการบีบอัด คุณภาพ และคุณสมบัติที่เหนือกว่า เป็นผลมาจากความพยายามร่วมกันของคณะกรรมการ Joint Photographic Experts Group (JPEG) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาการบีบอัดภาพมาตรฐาน JPEG XL ออกแบบมาให้เป็นรูปแบบภาพสากลที่สามารถจัดการกับกรณีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การถ่ายภาพระดับมืออาชีพไปจนถึงกราฟิกบนเว็บ

หนึ่งในเป้าหมายหลักของ JPEG XL คือการให้การบีบอัดภาพคุณภาพสูงที่สามารถลดขนาดไฟล์ได้อย่างมากโดยไม่ลดทอนคุณภาพของภาพ ซึ่งทำได้โดยใช้เทคนิคการบีบอัดขั้นสูงและกรอบการเข้ารหัสที่ทันสมัย รูปแบบนี้ใช้แนวทางแบบแยกส่วน ซึ่งช่วยให้สามารถรวมการประมวลผลภาพต่างๆ เช่น การแปลงพื้นที่สี การแมปโทนสี และการปรับขนาดแบบตอบสนองได้โดยตรงลงในไปป์ไลน์การบีบอัด

JPEG XL สร้างขึ้นบนพื้นฐานของตัวแปลงสัญญาณภาพสองตัวก่อนหน้า ได้แก่ PIK ของ Google และ FUIF (Free Universal Image Format) ของ Cloudinary ตัวแปลงสัญญาณเหล่านี้ได้นำเสนอนวัตกรรมต่างๆ ในการบีบอัดภาพ ซึ่งได้รับการปรับปรุงและรวมเข้ากับ JPEG XL รูปแบบนี้ได้รับการออกแบบให้ปลอดค่าลิขสิทธิ์ ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับทั้งนักพัฒนาซอฟต์แวร์และผู้สร้างเนื้อหาที่ต้องการโซลูชันที่คุ้มค่าสำหรับการจัดเก็บและเผยแพร่ภาพ

หัวใจสำคัญของประสิทธิภาพการบีบอัดของ JPEG XL คือการใช้เทคนิคการเข้ารหัสเอนโทรปีสมัยใหม่ที่เรียกว่าระบบตัวเลขที่ไม่สมมาตร (ANS) ANS เป็นรูปแบบหนึ่งของการเข้ารหัสเลขคณิตที่ให้อัตราส่วนการบีบอัดที่ใกล้เคียงกับค่าที่เหมาะสมที่สุดโดยการเข้ารหัสการแจกแจงทางสถิติของข้อมูลภาพอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยให้ JPEG XL บีบอัดได้ดีกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม เช่น การเข้ารหัส Huffman ซึ่งใช้ในรูปแบบ JPEG เดิม

JPEG XL ยังนำเสนอพื้นที่สีใหม่ที่เรียกว่า XYB (eXtra Y, Blue-yellow) ซึ่งออกแบบมาให้สอดคล้องกับการรับรู้ภาพของมนุษย์ได้ดีกว่า พื้นที่สี XYB ช่วยให้บีบอัดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยให้ความสำคัญกับส่วนประกอบของภาพที่สำคัญต่อดวงตามากกว่า ซึ่งส่งผลให้ได้ภาพที่มีขนาดไฟล์เล็กลงและมีสิ่งประดิษฐ์จากการบีบอัดน้อยลง โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีการเปลี่ยนแปลงของสีที่ละเอียดอ่อน

อีกหนึ่งคุณสมบัติหลักของ JPEG XL คือการรองรับภาพช่วงไดนามิกสูง (HDR) และช่วงสีที่กว้าง (WCG) เมื่อเทคโนโลยีการแสดงผลพัฒนาขึ้น ก็มีความต้องการรูปแบบภาพที่สามารถจัดการกับช่วงความสว่างและสีที่ขยายออกไปซึ่งจอแสดงผลใหม่เหล่านี้สามารถสร้างได้ การรองรับ HDR และ WCG ของ JPEG XL ช่วยให้มั่นใจได้ว่าภาพจะดูสดใสและสมจริงบนหน้าจอล่าสุด โดยไม่จำเป็นต้องใช้ข้อมูลเมตาเพิ่มเติมหรือไฟล์ sidecar

JPEG XL ยังออกแบบมาโดยคำนึงถึงการถอดรหัสแบบก้าวหน้า ซึ่งหมายความว่าสามารถแสดงภาพได้ที่คุณภาพต่ำกว่าในขณะที่ยังดาวน์โหลดอยู่ และคุณภาพสามารถปรับปรุงได้อย่างต่อเนื่องเมื่อมีข้อมูลมากขึ้น คุณสมบัตินี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการท่องเว็บ ซึ่งผู้ใช้จะมีความเร็วอินเทอร์เน็ตที่แตกต่างกันไป ช่วยให้ประสบการณ์การใช้งานดีขึ้นโดยการแสดงตัวอย่างภาพโดยไม่ต้องรอให้ดาวน์โหลดไฟล์ทั้งหมด

ในแง่ของความเข้ากันได้แบบย้อนหลัง JPEG XL มีคุณสมบัติพิเศษที่เรียกว่า 'การบีบอัด JPEG ใหม่' ซึ่งช่วยให้สามารถบีบอัดภาพ JPEG ที่มีอยู่ใหม่เป็นรูปแบบ JPEG XL ได้โดยไม่สูญเสียคุณภาพเพิ่มเติม ภาพที่บีบอัดใหม่ไม่เพียงแต่มีขนาดเล็กลงเท่านั้น แต่ยังคงข้อมูล JPEG ต้นฉบับทั้งหมดไว้ด้วย ซึ่งหมายความว่าสามารถแปลงกลับเป็นรูปแบบ JPEG ต้นฉบับได้หากจำเป็น สิ่งนี้ทำให้ JPEG XL เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการเก็บถาวรคอลเลกชันภาพ JPEG ขนาดใหญ่ เนื่องจากสามารถลดความต้องการพื้นที่จัดเก็บได้อย่างมากในขณะที่ยังคงความสามารถในการย้อนกลับไปยังไฟล์ต้นฉบับ

JPEG XL ยังตอบสนองความต้องการของภาพที่ตอบสนองได้บนเว็บ ด้วยความสามารถในการจัดเก็บความละเอียดต่างๆ ของภาพภายในไฟล์เดียว นักพัฒนาเว็บสามารถให้บริการขนาดภาพที่เหมาะสมที่สุดตามอุปกรณ์และความละเอียดหน้าจอของผู้ใช้ ซึ่งจะช่วยลดความจำเป็นในการใช้ไฟล์ภาพแยกต่างหากสำหรับความละเอียดที่แตกต่างกัน และทำให้กระบวนการสร้างเว็บไซต์ที่ตอบสนองได้ง่ายขึ้น

สำหรับช่างภาพมืออาชีพและนักออกแบบกราฟิก JPEG XL รองรับการบีบอัดแบบไม่สูญเสียข้อมูล ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลภาพต้นฉบับทุกบิตจะได้รับการเก็บรักษาไว้ สิ่งนี้มีความสำคัญสำหรับแอปพลิเคชันที่ความสมบูรณ์ของภาพมีความสำคัญสูงสุด เช่น การถ่ายภาพทางการแพทย์ การเก็บถาวรแบบดิจิทัล และการแก้ไขภาพระดับมืออาชีพ โหมดไม่สูญเสียข้อมูลของ JPEG XL ยังมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งมักจะส่งผลให้ขนาดไฟล์เล็กลงเมื่อเปรียบเทียบกับรูปแบบไม่สูญเสียข้อมูลอื่นๆ เช่น PNG หรือ TIFF

ชุดคุณสมบัติของ JPEG XL ขยายไปถึงการรองรับแอนิเมชัน ซึ่งคล้ายกับรูปแบบ GIF และ WebP แต่มีการบีบอัดและคุณภาพที่ดีกว่ามาก ซึ่งทำให้เป็นตัวแทนที่เหมาะสมสำหรับ GIF บนเว็บ โดยให้แอนิเมชันที่ราบรื่นกว่าด้วยจานสีที่กว้างกว่าและไม่มีข้อจำกัดของ GIF ที่จำกัดไว้ที่ 256 สี

รูปแบบนี้ยังรวมถึงการรองรับข้อมูลเมตาที่แข็งแกร่ง รวมถึงโปรไฟล์ EXIF, XMP และ ICC เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับภาพจะได้รับการเก็บรักษาไว้ในระหว่างการบีบอัด ข้อมูลเมตานี้สามารถรวมรายละเอียดต่างๆ เช่น การตั้งค่ากล้อง ข้อมูลลิขสิทธิ์ และข้อมูลการจัดการสี ซึ่งมีความจำเป็นทั้งสำหรับการใช้งานระดับมืออาชีพและการเก็บรักษาสมบัติทางดิจิทัล

การออกแบบ JPEG XL ยังคำนึงถึงความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัว รูปแบบนี้ไม่อนุญาตให้มีการรวมโค้ดที่สามารถเรียกใช้งานได้ ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงของช่องโหว่ด้านความปลอดภัยที่สามารถใช้ประโยชน์ได้ผ่านภาพ นอกจากนี้ JPEG XL ยังรองรับการลบข้อมูลเมตาที่ละเอียดอ่อน ซึ่งสามารถช่วยปกป้องความเป็นส่วนตัวของผู้ใช้เมื่อแชร์ภาพออนไลน์

JPEG XL ออกแบบมาให้รองรับอนาคตได้ โดยมีรูปแบบคอนเทนเนอร์ที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถขยายได้เพื่อรองรับคุณสมบัติและเทคโนโลยีใหม่ๆ เมื่อมีการพัฒนาขึ้น ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่ารูปแบบนี้สามารถปรับให้เข้ากับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปและยังคงทำหน้าที่เป็นรูปแบบภาพสากลได้ในอีกหลายปีข้างหน้า

ในแง่ของการนำไปใช้ JPEG XL ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น โดยมีการดำเนินการอย่างต่อเนื่องเพื่อรวมการรองรับลงในเว็บเบราว์เซอร์ ระบบปฏิบัติการ และซอฟต์แวร์แก้ไขภาพ เมื่อมีแพลตฟอร์มต่างๆ นำรูปแบบนี้ไปใช้มากขึ้น คาดว่าจะได้รับความนิยมมากขึ้นในฐานะตัวแทนของรูปแบบภาพเก่าๆ โดยนำเสนอการผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพ คุณภาพ และคุณสมบัติที่ดียิ่งขึ้น

สรุปแล้ว JPEG XL เป็นความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีการบีบอัดภาพ การผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพการบีบอัดสูง การรองรับคุณสมบัติการถ่ายภาพสมัยใหม่ และความเข้ากันได้แบบย้อนหลัง ทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งที่จะกลายเป็นมาตรฐานใหม่สำหรับการจัดเก็บและส่งภาพ เมื่อรูปแบบนี้ได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น ก็มีศักยภาพที่จะเปลี่ยนแปลงวิธีที่เราสร้าง แ

JPEG ซึ่งย่อมาจาก Joint Photographic Experts Group เป็นวิธีการบีบอัดแบบสูญเสียข้อมูลที่ใช้กันทั่วไปสำหรับภาพดิจิทัล โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับภาพที่ถ่ายด้วยกล้องดิจิทัล ระดับการบีบอัดสามารถปรับได้ ซึ่งช่วยให้สามารถเลือกการแลกเปลี่ยนระหว่างขนาดที่จัดเก็บและคุณภาพของภาพได้ JPEG มักจะบรรลุการบีบอัด 10:1 โดยสูญเสียคุณภาพของภาพเพียงเล็กน้อย

อัลกอริทึมการบีบอัด JPEG เป็นหัวใจหลักของมาตรฐาน JPEG กระบวนการเริ่มต้นด้วยการแปลงภาพดิจิทัลจากพื้นที่สี RGB ทั่วไปไปเป็นพื้นที่สีอื่นที่เรียกว่า YCbCr พื้นที่สี YCbCr แยกภาพออกเป็นความสว่าง (Y) ซึ่งแสดงระดับความสว่าง และความอิ่มตัวของสี (Cb และ Cr) ซึ่งแสดงข้อมูลสี การแยกนี้เป็นประโยชน์เพราะดวงตาของมนุษย์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความสว่างมากกว่าสี ซึ่งช่วยให้การบีบอัดสามารถใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ได้โดยการบีบอัดข้อมูลสีมากกว่าความสว่าง

เมื่อภาพอยู่ในพื้นที่สี YCbCr ขั้นตอนถัดไปในกระบวนการบีบอัด JPEG คือการลดขนาดช่องความอิ่มตัวของสี การลดขนาดจะลดความละเอียดของข้อมูลความอิ่มตัวของสี ซึ่งโดยทั่วไปจะไม่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพของภาพที่รับรู้ได้อย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากดวงตาของมนุษย์มีความไวต่อรายละเอียดของสีน้อยกว่า ขั้นตอนนี้เป็นตัวเลือกและสามารถปรับได้ตามความสมดุลที่ต้องการระหว่างคุณภาพของภาพและขนาดไฟล์

หลังจากลดขนาดแล้ว ภาพจะถูกแบ่งออกเป็นบล็อก โดยปกติจะมีขนาด 8x8 พิกเซล จากนั้นแต่ละบล็อกจะถูกประมวลแยกกัน ขั้นตอนแรกในการประมวลผลแต่ละบล็อกคือการใช้ Discrete Cosine Transform (DCT) DCT เป็นการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่แปลงข้อมูลโดเมนเชิงพื้นที่ (ค่าพิกเซล) ไปเป็นโดเมนความถี่ ผลลัพธ์คือเมทริกซ์ของค่าสัมประสิทธิ์ความถี่ที่แสดงข้อมูลของบล็อกภาพในแง่ของส่วนประกอบความถี่เชิงพื้นที่

จากนั้นค่าสัมประสิทธิ์ความถี่ที่ได้จาก DCT จะถูกหาปริมาณ การหาปริมาณเป็นกระบวนการแมปชุดค่าอินพุตขนาดใหญ่ไปยังชุดที่เล็กลง ในกรณีของ JPEG หมายถึงการลดความแม่นยำของค่าสัมประสิทธิ์ความถี่ นี่คือจุดที่เกิดการสูญเสียข้อมูลในส่วนของการบีบอัด เนื่องจากข้อมูลภาพบางส่วนจะถูกละทิ้ง ขั้นตอนการหาปริมาณจะถูกควบคุมโดยตารางการหาปริมาณ ซึ่งกำหนดว่าจะใช้การบีบอัดกับส่วนประกอบความถี่แต่ละส่วนเท่าใด ตารางการหาปริมาณสามารถปรับได้เพื่อให้ได้คุณภาพของภาพที่สูงขึ้น (การบีบอัดน้อยลง) หรือขนาดไฟล์ที่เล็กลง (การบีบอัดมากขึ้น)

หลังจากการหาปริมาณ ค่าสัมประสิทธิ์จะถูกจัดเรียงตามลำดับซิกแซก โดยเริ่มจากมุมซ้ายบนและทำตามรูปแบบที่ให้ความสำคัญกับส่วนประกอบความถี่ต่ำมากกว่าส่วนประกอบความถี่สูง นี่เป็นเพราะส่วนประกอบความถี่ต่ำ (ซึ่งแสดงส่วนที่สม่ำเสมอมากขึ้นของภาพ) มีความสำคัญต่อรูปลักษณ์โดยรวมมากกว่าส่วนประกอบความถี่สูง (ซึ่งแสดงรายละเอียดและขอบที่ละเอียดกว่า)

ขั้นตอนถัดไปในกระบวนการบีบอัด JPEG คือการเข้ารหัสเอนโทรปี ซึ่งเป็นวิธีการบีบอัดแบบไม่สูญเสียข้อมูล รูปแบบการเข้ารหัสเอนโทรปีที่ใช้กันทั่วไปที่สุดใน JPEG คือการเข้ารหัส Huffman แม้ว่าการเข้ารหัสเลขคณิตก็เป็นตัวเลือกเช่นกัน การเข้ารหัส Huffman ทำงานโดยกำหนดรหัสที่สั้นกว่าให้กับการเกิดขึ้นบ่อยกว่า และรหัสที่ยาวกว่าให้กับการเกิดขึ้นน้อยกว่า เนื่องจากการจัดลำดับแบบซิกแซกมีแนวโน้มที่จะจัดกลุ่มค่าสัมประสิทธิ์ความถี่ที่คล้ายกันเข้าด้วยกัน จึงเพิ่มประสิทธิภาพของการเข้ารหัส Huffman

เมื่อการเข้ารหัสเอนโทรปีเสร็จสมบูรณ์ ข้อมูลที่บีบอัดจะถูกจัดเก็บในรูปแบบไฟล์ที่เป็นไปตามมาตรฐาน JPEG รูปแบบไฟล์นี้มีส่วนหัวที่มีข้อมูลเกี่ยวกับภาพ เช่น ขนาดและตารางการหาปริมาณที่ใช้ ตามด้วยข้อมูลภาพที่เข้ารหัส Huffman รูปแบบไฟล์ยังรองรับการรวมเมตาดาต้า เช่น ข้อมูล EXIF ซึ่งอาจมีข้อมูลเกี่ยวกับการตั้งค่ากล้องที่ใช้ในการถ่ายภาพ วันและเวลาที่ถ่าย และรายละเอียดอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

เมื่อเปิดภาพ JPEG กระบวนการคลายการบีบอัดจะย้อนกลับขั้นตอนการบีบอัดโดยพื้นฐาน ข้อมูลที่เข้ารหัส Huffman จะถูกถอดรหัส ค่าสัมประสิทธิ์ความถี่ที่หาปริมาณแล้วจะถูกยกเลิกการหาปริมาณโดยใช้ตารางการหาปริมาณเดียวกันกับที่ใช้ในการบีบอัด และ Inverse Discrete Cosine Transform (IDCT) จะถูกนำไปใช้กับแต่ละบล็อกเพื่อแปลงข้อมูลโดเมนความถี่กลับเป็นค่าพิกเซลโดเมนเชิงพื้นที่

กระบวนการยกเลิกการหาปริมาณและ IDCT ก่อให้เกิดข้อผิดพลาดบางประการเนื่องจากลักษณะการสูญเสียข้อมูลของการบีบอัด ซึ่งเป็นสาเหตุที่ JPEG ไม่เหมาะสำหรับภาพที่จะมีการแก้ไขและบันทึกซ้ำหลายครั้ง ทุกครั้งที่มีการบันทึกภาพ JPEG ภาพนั้นจะผ่านกระบวนการบีบอัดอีกครั้ง และข้อมูลภาพเพิ่มเติมจะสูญหายไป สิ่งนี้อาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพของภาพที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า 'การสูญเสียรุ่น'

แม้ว่าการบีบอัด JPEG จะเป็นแบบสูญเสียข้อมูล แต่ก็ยังคงเป็นรูปแบบภาพที่นิยมเนื่องจากความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพ ภาพ JPEG อาจมีขนาดไฟล์เล็กมาก ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานบนเว็บ ซึ่งแบนด์วิดท์และเวลาในการโหลดเป็นสิ่งสำคัญ นอกจากนี้ มาตรฐาน JPEG ยังมีโหมดแบบก้าวหน้า ซึ่งช่วยให้สามารถเข้ารหัสภาพในลักษณะที่สามารถถอดรหัสได้หลายครั้ง โดยแต่ละครั้งจะปรับปรุงความละเอียดของภาพ สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับภาพบนเว็บ เนื่องจากช่วยให้สามารถแสดงภาพคุณภาพต่ำได้อย่างรวดเร็ว โดยคุณภาพจะดีขึ้นเมื่อดาวน์โหลดข้อมูลเพิ่มเติม

JPEG ยังมีข้อจำกัดบางประการและไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับภาพทุกประเภท ตัวอย่างเช่น ไม่เหมาะสำหรับภาพที่มีขอบคมหรือข้อความที่มีคอนทราสต์สูง เนื่องจากการบีบอัดอาจสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่สังเกตเห็นได้รอบๆ บริเวณเหล่านี้ นอกจากนี้ JPEG ไม่รองรับความโปร่งใส ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่มีให้โดยรูปแบบอื่นๆ เช่น PNG และ GIF

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดบางประการของมาตรฐาน JPEG เดิม จึงมีการพัฒนาฟอร์แมตใหม่ เช่น JPEG 2000 และ JPEG XR ฟอร์แมตเหล่านี้ให้ประสิทธิภาพการบีบอัดที่ดีขึ้น รองรับความลึกของบิตที่สูงขึ้น และคุณสมบัติเพิ่มเติม เช่น ความโปร่งใสและการบีบอัดแบบไม่สูญเสียข้อมูล อย่างไรก็ตาม พวกเขายังไม่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในระดับเดียวกับรูปแบบ JPEG เดิม

สรุปแล้ว รูปแบบภาพ JPEG เป็นการผสมผสานที่ซับซ้อนของคณิตศาสตร์ จิตวิทยาด้านการมองเห็นของมนุษย์ และวิทยาการคอมพิวเตอร์ การใช้งานอย่างแพร่หลายเป็นเครื่องพิสูจน์ถึงประสิทธิภาพในการลดขนาดไฟล์ในขณะที่ยังคงรักษาคุณภาพของภาพในระดับที่ยอมรับได้สำหรับแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ ความเข้าใจในแง่เทคนิคของ JPEG สามารถช่วยให้ผู้ใช้ตัดสินใจได้อย่างชาญฉลาดว่าจะใช้รูปแบบนี้เมื่อใด และจะปรับแต่งภาพของตนอย่างไรเพื่อให้ได้ความสมดุลระหว่างคุณภาพและขนาดไฟล์ที่เหมาะกับความต้องการของตนมากที่สุด