Chuyển đổi GIFs thành JXLs

Định dạng trao đổi đồ họa (GIF) là một định dạng hình ảnh bitmap được sử dụng rộng rãi trên internet. Phiên bản gốc, được gọi là GIF87, được CompuServe phát hành vào năm 1987 để cung cấp định dạng hình ảnh màu cho các khu vực tải xuống tệp của họ. Đây là phản ứng trước sự gia tăng của máy tính màu và nhu cầu về một định dạng hình ảnh chuẩn có thể được sử dụng trên các nền tảng phần mềm và phần cứng khác nhau. Định dạng GIF87, mặc dù đã được GIF89a thay thế vào năm 1989, đã đặt nền tảng cho những gì GIF sẽ trở thành. Tính đơn giản, hỗ trợ rộng rãi và khả năng di động của nó đã biến nó trở thành một lựa chọn bền vững cho đồ họa trên web.

GIF dựa trên thuật toán nén LZW (Lempel-Ziv-Welch), đây là một yếu tố chính dẫn đến sự phổ biến của nó trong giai đoạn đầu. Thuật toán LZW là một kỹ thuật nén dữ liệu không mất dữ liệu, nghĩa là nó làm giảm kích thước tệp mà không làm mất bất kỳ thông tin hoặc chất lượng nào từ hình ảnh gốc. Điều này đặc biệt quan trọng vào thời điểm tốc độ internet chậm hơn nhiều và việc tiết kiệm dữ liệu là tối quan trọng. Thuật toán LZW hoạt động bằng cách thay thế các chuỗi pixel lặp lại bằng một tham chiếu duy nhất, giúp giảm hiệu quả lượng dữ liệu cần thiết để biểu diễn một hình ảnh.

Một đặc điểm xác định của định dạng GIF87 là hỗ trợ màu được lập chỉ mục. Không giống như các định dạng lưu trữ thông tin màu cho từng pixel trực tiếp, GIF87 sử dụng bảng màu gồm tối đa 256 màu. Mỗi pixel trong hình ảnh GIF87 được biểu diễn bằng một byte duy nhất, tham chiếu đến một chỉ mục trong bảng màu. Phương pháp dựa trên bảng màu này là một sự thỏa hiệp giữa độ trung thực của màu sắc và kích thước tệp. Nó cho phép tạo ra các hình ảnh tương đối nhiều màu trong khi vẫn giữ được kích thước dữ liệu ở mức có thể quản lý, ngay cả với những hạn chế của cơ sở hạ tầng web ban đầu.

Ngoài mô hình màu của mình, định dạng GIF87 còn bao gồm một số tính năng quan trọng khác. Một trong số đó là khả năng xen kẽ, cho phép tải hình ảnh theo từng phần trên các kết nối chậm. Thay vì tải hình ảnh từ trên xuống dưới, xen kẽ tải hình ảnh theo nhiều lần, mỗi lần có nhiều chi tiết hơn lần trước. Điều này có nghĩa là người xem có thể xem trước hình ảnh một cách sơ bộ một cách nhanh chóng, cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng trong những ngày đầu của World Wide Web.

Cấu trúc của tệp GIF87 tương đối đơn giản, bao gồm một tiêu đề, một mô tả màn hình logic, một bảng màu toàn cục, dữ liệu hình ảnh và cuối cùng là một đoạn giới thiệu để chỉ ra phần cuối của tệp. Tiêu đề chứa chữ ký ('GIF87a') và thông tin phiên bản. Mô tả màn hình logic cung cấp thông tin chi tiết về kích thước của hình ảnh và liệu có sử dụng bảng màu toàn cục hay không. Bản thân bảng màu toàn cục theo sau, chứa các định nghĩa về màu sắc được sử dụng trong hình ảnh. Đoạn dữ liệu hình ảnh bao gồm thông tin về điểm bắt đầu và kích thước của hình ảnh, theo sau là dữ liệu pixel được nén LZW. Cuối cùng, tệp kết thúc bằng một đoạn giới thiệu một byte, biểu thị phần cuối của tệp.

Một hạn chế của định dạng GIF87 là không hỗ trợ hoạt ảnh và độ trong suốt. Các tính năng này đã được giới thiệu với phiên bản kế nhiệm của nó, GIF89a. Tuy nhiên, ngay cả khi không có những khả năng này, GIF87 vẫn được sử dụng rộng rãi trong web ban đầu cho logo, biểu tượng và đồ họa đơn giản. Khả năng nén hình ảnh hiệu quả của định dạng này trong khi vẫn duy trì chất lượng khiến nó trở nên lý tưởng cho các hạn chế về băng thông của thời điểm đó.

Một khía cạnh khác trong thiết kế của định dạng GIF87 là tính đơn giản và dễ triển khai. Định dạng này được thiết kế để dễ đọc và ghi, giúp các nhà phát triển phần mềm có thể truy cập được. Tính dễ sử dụng này đã giúp GIF trở thành một định dạng chuẩn cho hình ảnh trên web, được hỗ trợ bởi hầu hết mọi phần mềm chỉnh sửa hình ảnh và trình duyệt web. Việc áp dụng rộng rãi GIF có thể nói đã mở đường cho những trải nghiệm đa phương tiện phong phú phổ biến trên web ngày nay.

Mặc dù có những ưu điểm, định dạng GIF87 không phải là không có những tranh cãi, đặc biệt là liên quan đến thuật toán nén LZW. Unisys, chủ sở hữu bằng sáng chế cho nén LZW, đã bắt đầu thực thi quyền sáng chế của mình vào giữa những năm 1990. Việc thực thi này đã dẫn đến sự chỉ trích rộng rãi và khuyến khích phát triển các định dạng hình ảnh thay thế không bị ràng buộc bởi các vấn đề về bằng sáng chế. Cuộc tranh cãi làm nổi bật sự phức tạp của các bằng sáng chế phần mềm và tác động của chúng đối với sự phát triển của các công nghệ web. Cuối cùng, bằng sáng chế đã hết hạn, làm giảm bớt các vấn đề pháp lý xung quanh định dạng GIF.

Tác động của GIF87 đối với sự phát triển của đồ họa web không thể được đánh giá quá cao. Sự ra đời của nó đã cung cấp một phương tiện để chia sẻ các hình ảnh đầy màu sắc, nhỏ gọn một cách dễ dàng trên internet mới ra đời. Mặc dù công nghệ đã phát triển và các định dạng mới hơn đã xuất hiện, các nguyên tắc do GIF87 đặt ra vẫn ảnh hưởng đến cách sử dụng hình ảnh trực tuyến. Ví dụ, việc nhấn mạnh vào việc nén mà không làm mất chất lượng đáng kể là nền tảng của các tiêu chuẩn web hiện đại. Tương tự như vậy, khái niệm về bảng màu có thể được nhìn thấy ở nhiều dạng khác nhau trong các định dạng mới hơn, nhằm tối ưu hóa kích thước tệp so với khả năng hiển thị.

Trong nhiều thập kỷ kể từ khi phát hành, GIF87 đã được thay thế bằng các định dạng tiên tiến hơn, cung cấp độ sâu màu lớn hơn, kích thước tệp nhỏ hơn và các tính năng như hoạt ảnh và độ trong suốt. PNG (Đồ họa mạng di động) và WebP là hai ví dụ như vậy, cung cấp các giải pháp thay thế với khả năng nén không mất dữ liệu cũng như hỗ trợ nhiều màu hơn và độ trong suốt mà không bị giới hạn bởi bảng màu. Mặc dù vậy, GIF (bao gồm cả GIF87 và GIF89a) vẫn phổ biến nhờ tính đơn giản, hỗ trợ rộng rãi và khả năng độc đáo trong việc nắm bắt tinh thần thời đại văn hóa thông qua các meme và đồ họa hoạt hình.

Nhìn lại quá trình phát triển và tác động của GIF87, rõ ràng là di sản của nó không chỉ nằm ở các thông số kỹ thuật hoặc những tranh cãi mà nó gây ra mà còn ở cách nó giúp định hình ngôn ngữ trực quan của internet. Những hạn chế của định dạng này thường trở thành những thách thức sáng tạo, dẫn đến các phong cách nghệ thuật kỹ thuật số và giao tiếp mới. Khi chúng ta tiếp tục mở rộng ranh giới của những gì có thể với hình ảnh kỹ thuật số, việc hiểu lịch sử và nền tảng kỹ thuật của các định dạng như GIF87 cung cấp những bài học giá trị về sự cân bằng giữa đổi mới, chuẩn hóa và trải nghiệm người dùng.

JPEG XL (JXL) là định dạng hình ảnh thế hệ tiếp theo, là tiêu chuẩn mã hóa hình ảnh nhằm vượt qua khả năng của các định dạng hiện có như JPEG, PNG và GIF bằng cách cung cấp hiệu quả nén, chất lượng và các tính năng vượt trội. Đây là kết quả của nỗ lực hợp tác của ủy ban Nhóm chuyên gia nhiếp ảnh chung (JPEG), đơn vị đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các tiêu chuẩn nén hình ảnh. JPEG XL được thiết kế để trở thành định dạng hình ảnh phổ quát có thể xử lý nhiều trường hợp sử dụng, từ nhiếp ảnh chuyên nghiệp đến đồ họa web.

Một trong những mục tiêu chính của JPEG XL là cung cấp khả năng nén hình ảnh chất lượng cao, có thể giảm đáng kể kích thước tệp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Điều này đạt được thông qua sự kết hợp của các kỹ thuật nén tiên tiến và một khuôn khổ mã hóa hiện đại. Định dạng này sử dụng phương pháp tiếp cận theo mô-đun, cho phép kết hợp nhiều hoạt động xử lý hình ảnh như chuyển đổi không gian màu, ánh xạ tông màu và thay đổi kích thước phản hồi trực tiếp vào đường ống nén.

JPEG XL được xây dựng trên nền tảng của hai bộ giải mã hình ảnh trước đó: PIK của Google và FUIF (Định dạng hình ảnh phổ quát miễn phí) của Cloudinary. Các bộ giải mã này đã giới thiệu một số cải tiến trong việc nén hình ảnh, sau đó được tinh chỉnh và tích hợp vào JPEG XL. Định dạng này được thiết kế miễn phí bản quyền, khiến nó trở thành lựa chọn hấp dẫn cho cả nhà phát triển phần mềm và người tạo nội dung, những người cần giải pháp tiết kiệm chi phí để lưu trữ và phân phối hình ảnh.

Điểm cốt lõi trong hiệu quả nén của JPEG XL là việc sử dụng kỹ thuật mã hóa entropy hiện đại được gọi là hệ thống số không đối xứng (ANS). ANS là một dạng mã hóa số học cung cấp tỷ lệ nén gần tối ưu bằng cách mã hóa hiệu quả phân phối thống kê của dữ liệu hình ảnh. Điều này cho phép JPEG XL đạt được khả năng nén tốt hơn so với các phương pháp truyền thống như mã hóa Huffman, được sử dụng trong định dạng JPEG gốc.

JPEG XL cũng giới thiệu một không gian màu mới gọi là XYB (eXtra Y, Blue-yellow), được thiết kế để phù hợp hơn với nhận thức thị giác của con người. Không gian màu XYB cho phép nén hiệu quả hơn bằng cách ưu tiên các thành phần của hình ảnh quan trọng hơn đối với mắt người. Điều này tạo ra các hình ảnh không chỉ có kích thước tệp nhỏ hơn mà còn ít hiện tượng nhiễu nén hơn, đặc biệt là ở những vùng có sự thay đổi màu sắc tinh tế.

Một tính năng chính khác của JPEG XL là hỗ trợ hình ảnh dải động cao (HDR) và gam màu rộng (WCG). Khi công nghệ hiển thị phát triển, nhu cầu về các định dạng hình ảnh có thể xử lý dải độ sáng và màu sắc mở rộng mà các màn hình mới này có thể tạo ra ngày càng tăng. Hỗ trợ HDR và WCG gốc của JPEG XL đảm bảo rằng hình ảnh trông sống động và chân thực trên các màn hình mới nhất, mà không cần siêu dữ liệu bổ sung hoặc tệp sidecar.

JPEG XL cũng được thiết kế với mục đích giải mã tiến bộ. Điều này có nghĩa là hình ảnh có thể được hiển thị ở chất lượng thấp hơn trong khi vẫn đang được tải xuống và chất lượng có thể cải thiện dần dần khi có thêm dữ liệu. Tính năng này đặc biệt hữu ích cho việc duyệt web, nơi người dùng có thể có tốc độ internet khác nhau. Nó cho phép trải nghiệm người dùng tốt hơn bằng cách cung cấp bản xem trước của hình ảnh mà không cần phải đợi toàn bộ tệp tải xuống.

Về khả năng tương thích ngược, JPEG XL cung cấp một tính năng độc đáo gọi là 'nén lại JPEG'. Tính năng này cho phép nén lại các hình ảnh JPEG hiện có thành định dạng JPEG XL mà không làm giảm thêm chất lượng. Các hình ảnh được nén lại không chỉ có kích thước nhỏ hơn mà còn giữ lại tất cả dữ liệu JPEG gốc, có nghĩa là chúng có thể được chuyển đổi trở lại định dạng JPEG gốc nếu cần. Điều này khiến JPEG XL trở thành lựa chọn hấp dẫn để lưu trữ các bộ sưu tập hình ảnh JPEG lớn, vì nó có thể giảm đáng kể yêu cầu lưu trữ trong khi vẫn giữ khả năng khôi phục về các tệp gốc.

JPEG XL cũng giải quyết nhu cầu về hình ảnh phản hồi trên web. Với khả năng lưu trữ nhiều độ phân giải của hình ảnh trong một tệp duy nhất, các nhà phát triển web có thể cung cấp kích thước hình ảnh phù hợp nhất dựa trên thiết bị và độ phân giải màn hình của người dùng. Điều này loại bỏ nhu cầu về các tệp hình ảnh riêng biệt cho các độ phân giải khác nhau và đơn giản hóa quá trình tạo thiết kế web phản hồi.

Đối với các nhiếp ảnh gia chuyên nghiệp và nhà thiết kế đồ họa, JPEG XL hỗ trợ nén không mất dữ liệu, đảm bảo rằng mọi bit dữ liệu hình ảnh gốc đều được bảo toàn. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng mà tính toàn vẹn của hình ảnh là tối quan trọng, chẳng hạn như trong hình ảnh y tế, lưu trữ kỹ thuật số và chỉnh sửa ảnh chuyên nghiệp. Chế độ không mất dữ liệu của JPEG XL cũng rất hiệu quả, thường tạo ra các tệp có kích thước nhỏ hơn so với các định dạng không mất dữ liệu khác như PNG hoặc TIFF.

Bộ tính năng của JPEG XL được mở rộng để bao gồm hỗ trợ hoạt ảnh, tương tự như các định dạng GIF và WebP, nhưng có khả năng nén và chất lượng tốt hơn nhiều. Điều này khiến nó trở thành sự thay thế phù hợp cho GIF trên web, cung cấp hoạt ảnh mượt mà hơn với bảng màu rộng hơn và không có giới hạn về 256 màu của GIF.

Định dạng này cũng bao gồm hỗ trợ mạnh mẽ cho siêu dữ liệu, bao gồm các cấu hình EXIF, XMP và ICC, đảm bảo rằng thông tin quan trọng về hình ảnh được bảo toàn trong quá trình nén. Siêu dữ liệu này có thể bao gồm các chi tiết như cài đặt máy ảnh, thông tin bản quyền và dữ liệu quản lý màu, rất cần thiết cho cả mục đích sử dụng chuyên nghiệp và bảo tồn di sản kỹ thuật số.

Tính bảo mật và quyền riêng tư cũng được cân nhắc trong thiết kế của JPEG XL. Định dạng này không cho phép đưa vào mã thực thi, giúp giảm nguy cơ lỗ hổng bảo mật có thể bị khai thác thông qua hình ảnh. Ngoài ra, JPEG XL hỗ trợ xóa siêu dữ liệu nhạy cảm, có thể giúp bảo vệ quyền riêng tư của người dùng khi chia sẻ hình ảnh trực tuyến.

JPEG XL được thiết kế để có khả năng chống lỗi trong tương lai, với định dạng vùng chứa linh hoạt có thể được mở rộng để hỗ trợ các tính năng và công nghệ mới khi chúng xuất hiện. Điều này đảm bảo rằng định dạng này có thể thích ứng với các yêu cầu thay đổi và tiếp tục phục vụ như một định dạng hình ảnh phổ quát trong nhiều năm tới.

Về khả năng áp dụng, JPEG XL vẫn đang trong giai đoạn đầu, với những nỗ lực đang diễn ra để tích hợp hỗ trợ vào trình duyệt web, hệ điều hành và phần mềm chỉnh sửa hình ảnh. Khi nhiều nền tảng áp dụng định dạng này hơn, định dạng này dự kiến sẽ được sử dụng rộng rãi để thay thế các định dạng hình ảnh cũ hơn, cung cấp sự kết hợp giữa hiệu quả, chất lượng và tính năng được cải thiện.

Tóm lại, JPEG XL đại diện cho một bước tiến đáng kể trong công nghệ nén hình ảnh. Sự kết hợp giữa hiệu quả nén cao, hỗ trợ các tính năng hình ảnh hiện đại và khả năng tương thích ngược định vị nó như một ứng cử viên mạnh mẽ để trở thành tiêu chuẩn mới cho việc lưu trữ và truyền hình ảnh. Khi định dạng này được áp dụng rộng rãi hơn, nó có tiềm năng biến đổi cách chúng ta tạo, chia sẻ và sử dụng hình ảnh kỹ thuật số, giúp chúng dễ tiếp cận và thú vị hơn đối với mọi người.