Chuyển đổi JPEGs thành JXLs

JPEG, viết tắt của Joint Photographic Experts Group, là một phương pháp nén mất dữ liệu thường được sử dụng cho hình ảnh kỹ thuật số, đặc biệt là đối với những hình ảnh được tạo ra bằng nhiếp ảnh kỹ thuật số. Mức độ nén có thể được điều chỉnh, cho phép lựa chọn sự cân bằng giữa kích thước lưu trữ và chất lượng hình ảnh. JPEG thường đạt tỷ lệ nén 10:1 với ít mất mát đáng kể về chất lượng hình ảnh.

Thuật toán nén JPEG là cốt lõi của tiêu chuẩn JPEG. Quá trình bắt đầu bằng việc chuyển đổi một hình ảnh kỹ thuật số từ không gian màu RGB thông thường của nó sang một không gian màu khác được gọi là YCbCr. Không gian màu YCbCr tách hình ảnh thành độ sáng (Y), biểu thị mức độ sáng và sắc độ (Cb và Cr), biểu thị thông tin màu sắc. Sự tách biệt này có lợi vì mắt người nhạy cảm hơn với các biến thể về độ sáng so với màu sắc, cho phép nén tận dụng lợi thế này bằng cách nén thông tin màu nhiều hơn độ sáng.

Khi hình ảnh ở trong không gian màu YCbCr, bước tiếp theo trong quá trình nén JPEG là hạ mẫu các kênh sắc độ. Hạ mẫu làm giảm độ phân giải của thông tin sắc độ, thường không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng nhận thức của hình ảnh, do mắt người ít nhạy cảm hơn với chi tiết màu sắc. Bước này là tùy chọn và có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào sự cân bằng mong muốn giữa chất lượng hình ảnh và kích thước tệp.

Sau khi hạ mẫu, hình ảnh được chia thành các khối, thường có kích thước 8x8 pixel. Sau đó, mỗi khối được xử lý riêng. Bước đầu tiên trong quá trình xử lý từng khối là áp dụng Biến đổi Cosine rời rạc (DCT). DCT là một phép toán chuyển đổi dữ liệu miền không gian (giá trị pixel) thành miền tần số. Kết quả là một ma trận các hệ số tần số biểu diễn dữ liệu của khối hình ảnh theo các thành phần tần số không gian của nó.

Các hệ số tần số thu được từ DCT sau đó được lượng tử hóa. Lượng tử hóa là quá trình ánh xạ một tập hợp lớn các giá trị đầu vào thành một tập hợp nhỏ hơn - trong trường hợp của JPEG, điều này có nghĩa là giảm độ chính xác của các hệ số tần số. Đây là nơi xảy ra phần mất dữ liệu của quá trình nén, vì một số thông tin hình ảnh bị loại bỏ. Bước lượng tử hóa được điều khiển bởi một bảng lượng tử hóa, bảng này xác định mức độ nén được áp dụng cho từng thành phần tần số. Các bảng lượng tử hóa có thể được điều chỉnh để ưu tiên chất lượng hình ảnh cao hơn (ít nén hơn) hoặc kích thước tệp nhỏ hơn (nén nhiều hơn).

Sau khi lượng tử hóa, các hệ số được sắp xếp theo thứ tự ziczac, bắt đầu từ góc trên cùng bên trái và theo một mẫu ưu tiên các thành phần tần số thấp hơn so với các thành phần tần số cao hơn. Điều này là do các thành phần tần số thấp hơn (biểu thị các phần đồng nhất hơn của hình ảnh) quan trọng hơn đối với diện mạo tổng thể so với các thành phần tần số cao hơn (biểu thị các chi tiết và cạnh nhỏ hơn).

Bước tiếp theo trong quá trình nén JPEG là mã hóa entropy, đây là một phương pháp nén không mất dữ liệu. Hình thức mã hóa entropy phổ biến nhất được sử dụng trong JPEG là mã hóa Huffman, mặc dù mã hóa số học cũng là một tùy chọn. Mã hóa Huffman hoạt động bằng cách gán các mã ngắn hơn cho các lần xuất hiện thường xuyên hơn và các mã dài hơn cho các lần xuất hiện ít thường xuyên hơn. Vì thứ tự ziczac có xu hướng nhóm các hệ số tần số tương tự lại với nhau, nên nó làm tăng hiệu quả của mã hóa Huffman.

Khi mã hóa entropy hoàn tất, dữ liệu đã nén được lưu trữ trong một định dạng tệp tuân theo tiêu chuẩn JPEG. Định dạng tệp này bao gồm một tiêu đề chứa thông tin về hình ảnh, chẳng hạn như kích thước và các bảng lượng tử hóa được sử dụng, theo sau là dữ liệu hình ảnh được mã hóa Huffman. Định dạng tệp cũng hỗ trợ việc đưa vào siêu dữ liệu, chẳng hạn như dữ liệu EXIF, có thể chứa thông tin về cài đặt máy ảnh được sử dụng để chụp ảnh, ngày và giờ chụp và các chi tiết liên quan khác.

Khi mở một hình ảnh JPEG, quá trình giải nén về cơ bản đảo ngược các bước nén. Dữ liệu được mã hóa Huffman được giải mã, các hệ số tần số được lượng tử hóa được khử lượng tử hóa bằng cách sử dụng cùng các bảng lượng tử hóa đã được sử dụng trong quá trình nén và Biến đổi Cosine rời rạc nghịch đảo (IDCT) được áp dụng cho từng khối để chuyển đổi dữ liệu miền tần số trở lại thành các giá trị pixel miền không gian.

Các quá trình khử lượng tử hóa và IDCT gây ra một số lỗi do bản chất mất dữ liệu của quá trình nén, đó là lý do tại sao JPEG không lý tưởng cho những hình ảnh sẽ trải qua nhiều lần chỉnh sửa và lưu lại. Mỗi lần lưu một hình ảnh JPEG, nó lại trải qua quá trình nén một lần nữa và thông tin hình ảnh bổ sung sẽ bị mất. Điều này có thể dẫn đến sự suy giảm đáng kể về chất lượng hình ảnh theo thời gian, một hiện tượng được gọi là 'mất thế hệ'.

Mặc dù có bản chất mất dữ liệu của nén JPEG, nhưng nó vẫn là một định dạng hình ảnh phổ biến do tính linh hoạt và hiệu quả của nó. Hình ảnh JPEG có thể có kích thước tệp rất nhỏ, khiến chúng lý tưởng để sử dụng trên web, nơi băng thông và thời gian tải là những cân nhắc quan trọng. Ngoài ra, tiêu chuẩn JPEG bao gồm một chế độ tiến bộ, cho phép mã hóa một hình ảnh theo cách mà nó có thể được giải mã theo nhiều lần, mỗi lần cải thiện độ phân giải của hình ảnh. Điều này đặc biệt hữu ích cho hình ảnh web, vì nó cho phép hiển thị nhanh chóng phiên bản chất lượng thấp của hình ảnh, với chất lượng được cải thiện khi tải xuống nhiều dữ liệu hơn.

JPEG cũng có một số hạn chế và không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất cho mọi loại hình ảnh. Ví dụ, nó không phù hợp với những hình ảnh có các cạnh sắc nét hoặc văn bản có độ tương phản cao, vì quá trình nén có thể tạo ra các hiện vật đáng chú ý xung quanh các khu vực này. Ngoài ra, JPEG không hỗ trợ tính trong suốt, đây là một tính năng được cung cấp bởi các định dạng khác như PNG và GIF.

Để giải quyết một số hạn chế của tiêu chuẩn JPEG ban đầu, các định dạng mới đã được phát triển, chẳng hạn như JPEG 2000 và JPEG XR. Các định dạng này cung cấp hiệu quả nén được cải thiện, hỗ trợ độ sâu bit cao hơn và các tính năng bổ sung như tính trong suốt và nén không mất dữ liệu. Tuy nhiên, chúng vẫn chưa đạt được mức độ phổ biến rộng rãi như định dạng JPEG ban đầu.

Tóm lại, định dạng hình ảnh JPEG là sự cân bằng phức tạp giữa toán học, tâm lý thị giác của con người và khoa học máy tính. Việc sử dụng rộng rãi của nó là minh chứng cho hiệu quả của nó trong việc giảm kích thước tệp trong khi vẫn duy trì mức chất lượng hình ảnh có thể chấp nhận được cho hầu hết các ứng dụng. Hiểu được các khía cạnh kỹ thuật của JPEG có thể giúp người dùng đưa ra quyết định sáng suốt về thời điểm sử dụng định dạng này và cách tối ưu hóa hình ảnh của họ để cân bằng giữa chất lượng và kích thước tệp phù hợp nhất với nhu cầu của họ.

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.