轉換 JPEGs 為 JXLs

JPEG，全稱聯合圖像專家小組，是一種廣泛用於數位影像有損壓縮的方法，特別是針對數位攝影產生的影像。壓縮程度可以調整，允許在儲存大小和影像品質之間進行選擇性的權衡。JPEG 通常可以達到 10:1 的壓縮比，而影像品質幾乎沒有明顯損失。

JPEG 壓縮演算法是 JPEG 標準的核心。這個過程從將數位影像從其典型的 RGB 色彩空間轉換為稱為 YCbCr 的不同色彩空間開始。YCbCr 色彩空間將影像分為亮度 (Y)，代表亮度等級，以及色度 (Cb 和 Cr)，代表色彩資訊。這種分離是有益的，因為人眼對亮度的變化比對色彩更敏感，這讓壓縮可以利用這一點，比亮度更壓縮色彩資訊。

一旦影像進入 YCbCr 色彩空間，JPEG 壓縮過程的下一步就是對色度通道進行降採樣。降採樣會降低色度資訊解析度，這通常不會顯著影響影像的感知品質，因為人眼對色彩細節的敏感度較低。這個步驟是可選的，可以根據影像品質和檔案大小之間所需的平衡進行調整。

降採樣後，影像會被分成區塊，通常大小為 8x8 像素。然後每個區塊會個別處理。處理每個區塊的第一步是套用離散餘弦轉換 (DCT)。DCT 是一種數學運算，將空間域資料（像素值）轉換為頻率域。結果是一個頻率係數矩陣，以其空間頻率組成表示影像區塊的資料。

DCT 產生的頻率係數接著會被量化。量化是將一大組輸入值對應到一個較小的集合的過程——在 JPEG 的情況下，這表示降低頻率係數的精度。這是壓縮中有損失的部分，因為一些影像資訊會被捨棄。量化步驟由量化表控制，它決定對每個頻率組成套用多少壓縮。量化表可以調整為偏好較高的影像品質（較少壓縮）或較小的檔案大小（更多壓縮）。

量化後，係數會以鋸齒形順序排列，從左上角開始，並遵循一個優先考慮較低頻率組成而非較高頻率組成的模式。這是因為較低頻率組成（代表影像中較均勻的部分）比較高頻率組成（代表較精細的細節和邊緣）對整體外觀更重要。

JPEG 壓縮過程的下一步是熵編碼，這是一種無損壓縮的方法。JPEG 中最常見的熵編碼形式是霍夫曼編碼，儘管算術編碼也是一種選擇。霍夫曼編碼的工作原理是為較頻繁出現的項目分配較短的碼，為較不頻繁出現的項目分配較長的碼。由於鋸齒形排序傾向於將類似的頻率係數分組在一起，因此它提高了霍夫曼編碼的效率。

熵編碼完成後，壓縮資料會儲存在符合 JPEG 標準的檔案格式中。此檔案格式包含一個標頭，其中包含有關影像的資訊，例如其尺寸和使用的量化表，接著是霍夫曼編碼的影像資料。檔案格式也支援包含元資料，例如 EXIF 資料，其中可能包含有關用於拍攝照片的相機設定、拍攝日期和時間以及其他相關詳細資訊。

當開啟 JPEG 影像時，解壓縮過程基本上會反轉壓縮步驟。霍夫曼編碼的資料會被解碼，量化的頻率係數會使用壓縮期間使用的相同量化表進行反量化，並將反離散餘弦轉換 (IDCT) 套用於每個區塊，將頻率域資料轉換回空間域像素值。

反量化和 IDCT 過程會因為壓縮的有損性質而引入一些錯誤，這就是為什麼 JPEG 不適合會進行多次編輯和重新儲存的影像。每次儲存 JPEG 影像時，它都會再次經歷壓縮過程，並且會遺失額外的影像資訊。這可能會隨著時間推移導致影像品質明顯下降，這種現象稱為「世代損失」。

儘管 JPEG 壓縮具有有損性質，但由於其靈活性與效率，它仍然是一種流行的影像格式。JPEG 影像的檔案大小可以非常小，這使其非常適合用於網路，在網路中頻寬和載入時間是很重要的考量因素。此外，JPEG 標準包含漸進模式，允許影像以這樣的方式編碼，使其可以分多個步驟解碼，每個步驟都會提高影像解析度。這對於網路影像特別有用，因為它允許快速顯示低品質版本的影像，隨著更多資料下載，品質會提升。

JPEG 也有一些限制，並不總是所有類型影像的最佳選擇。例如，它不適合具有銳利邊緣或高對比文字的影像，因為壓縮會在這些區域周圍產生明顯的偽影。此外，JPEG 不支援透明度，這是 PNG 和 GIF 等其他格式提供的功能。

為了解決原始 JPEG 標準的一些限制，已經開發了新的格式，例如 JPEG 2000 和 JPEG XR。這些格式提供了更高的壓縮效率、支援更高的位元深度，以及透明度和無損壓縮等額外功能。然而，它們尚未達到與原始 JPEG 格式相同的廣泛採用程度。

總之，JPEG 影像格式是數學、人類視覺心理學和電腦科學的複雜平衡。其廣泛使用證明了它在縮小檔案大小的同時，維持大多數應用程式可以接受的影像品質的有效性。了解 JPEG 的技術方面可以幫助使用者在何時使用此格式以及如何針對品質和檔案大小的平衡最佳化其影像，以最符合其需求做出明智的決定。

JPEG XL (JXL) 影像格式是一種新一代的影像編碼標準，旨在超越 JPEG、PNG 和 GIF 等現有格式的功能，提供優異的壓縮效率、品質和功能。它是聯合影像專家小組 (JPEG) 委員會合作的成果，該委員會在影像壓縮標準的發展中發揮了重要作用。JPEG XL 被設計為一種通用影像格式，可以處理從專業攝影到網路圖形的廣泛使用案例。

JPEG XL 的主要目標之一是提供高品質的影像壓縮，可以在不影響視覺品質的情況下大幅縮小檔案大小。這是透過先進的壓縮技術和現代編碼架構的結合來實現的。該格式採用模組化方法，允許將各種影像處理作業（例如色彩空間轉換、色調對應和回應式調整大小）直接整合到壓縮流程中。

JPEG XL 建立在兩個先前的影像編解碼器的基礎上：Google 的 PIK 和 Cloudinary 的 FUIF（免費通用影像格式）。這些編解碼器在影像壓縮方面引入了多項創新，這些創新已進一步改良並整合到 JPEG XL 中。該格式被設計為免版稅，這使其成為軟體開發人員和需要具成本效益的影像儲存和分發解決方案的內容創作者的誘人選擇。

JPEG XL 壓縮效率的核心是使用一種稱為非對稱數字系統 (ANS) 的現代熵編碼技術。ANS 是一種算術編碼形式，透過有效編碼影像資料的統計分佈，提供近乎最佳的壓縮比。這使 JPEG XL 能夠比傳統方法（例如原始 JPEG 格式中使用的霍夫曼編碼）實現更好的壓縮。

JPEG XL 還引入了一個稱為 XYB（額外 Y、藍黃）的新色彩空間，旨在更好地與人類視覺感知相符。XYB 色彩空間透過優先處理對人眼更重要的影像組成部分，實現更有效的壓縮。這會產生檔案大小較小且壓縮偽像較少的影像，特別是在色彩變化細微的區域。

JPEG XL 的另一個關鍵功能是支援高動態範圍 (HDR) 和廣色域 (WCG) 影像。隨著顯示技術的發展，對於能夠處理這些新顯示器可以產生的擴展亮度和色彩範圍的影像格式的需求日益增加。JPEG XL 對 HDR 和 WCG 的原生支援確保影像在最新的螢幕上看起來生動逼真，而不需要額外的元資料或附加檔案。

JPEG XL 的設計也考慮了漸進式解碼。這表示影像可以在下載時以較低的品質顯示，並且隨著更多資料的可用，品質可以逐漸提升。此功能對於網路瀏覽特別有用，因為使用者可能具有不同的網際網路速度。它透過在不必等待整個檔案下載的情況下提供影像預覽，提供更好的使用者體驗。

在向後相容性方面，JPEG XL 提供了一個稱為「JPEG 重新壓縮」的獨特功能。這允許現有的 JPEG 影像重新壓縮成 JPEG XL 格式，而不會有任何額外的品質損失。重新壓縮的影像不僅大小較小，而且還保留所有原始 JPEG 資料，這表示它們可以在需要時轉換回原始 JPEG 格式。這使得 JPEG XL 成為封存大量 JPEG 影像的誘人選擇，因為它可以在保留還原為原始檔案的能力的同時，大幅減少儲存需求。

JPEG XL 也滿足了網路中回應式影像的需求。透過將影像的多個解析度儲存在單一檔案中的能力，網路開發人員可以根據使用者的裝置和螢幕解析度提供最合適的影像大小。這消除了需要針對不同解析度提供個別影像檔案，並簡化了建立回應式網頁設計的流程。

對於專業攝影師和平面設計師，JPEG XL 支援無損壓縮，這確保原始影像資料的每一個位元都得以保留。這對於影像完整性至關重要的應用程式（例如醫學影像、數位檔案和專業照片編輯）至關重要。JPEG XL 的無損模式也非常有效率，與 PNG 或 TIFF 等其他無損格式相比，通常會產生較小的檔案大小。

JPEG XL 的功能集延伸至包括對動畫的支援，類似於 GIF 和 WebP 格式，但具有更好的壓縮和品質。這使其成為網路中 GIF 的合適替代品，提供更流暢的動畫、更廣泛的色彩範圍，且沒有 GIF 256 色限制的限制。

該格式還包含對元資料的強大支援，包括 EXIF、XMP 和 ICC 設定檔，確保在壓縮過程中保留有關影像的重要資訊。這些元資料可以包括相機設定、版權資訊和色彩管理資料等詳細資訊，這些資訊對於專業用途和數位遺產的保存都是必要的。

安全性與隱私也在 JPEG XL 的設計中受到考量。該格式不允許包含可執行程式碼，這降低了可透過影像加以利用的安全漏洞風險。此外，JPEG XL 支援移除敏感元資料，這有助於在線上分享影像時保護使用者隱私。

JPEG XL 被設計為具有前瞻性，採用靈活的容器格式，可以延伸以支援隨著新功能和技術出現而出現的新功能和技術。這確保該格式可以適應不斷變化的需求，並在未來幾年繼續作為通用影像格式。

在採用方面，JPEG XL 仍處於早期階段，正在持續努力將支援整合到網路瀏覽器、作業系統和影像編輯軟體中。隨著更多平台採用該格式，預計它將作為舊影像格式的替代品而獲得關注，提供效率、品質和功能的綜合提升。

總之，JPEG XL 代表了影像壓縮技術的重大進步。它結合了高壓縮效率、對現代影像功能的支援和向後相容性，使其成為成為影像儲存和傳輸新標準的有力候選者。隨著該格式獲得更廣泛的採用，它有可能改變我們建立、分享和使用數位影像的方式，讓它們對所有人來說更易於取得和享受。