JPEG: формат за компресиране на цифрови изображения и разширения

Научете всичко за JPEG: как работи компресията, влияние върху качеството, често срещани разширения (.jpg, .jpeg, .jpe) и съвети за оптимизация на изображения.

В областта на компютрите файловият формат JPEG е файлов формат, който се използва за компресиране на цифрови изображения. Степента на компресия може да се променя в зависимост от желаното качество. Ако едно изображение е с високо качество, то ще заема голямо количество място за съхранение. Ако е с ниско качество, то ще заема малко място за съхранение. Файловият формат JPEG е често срещан в World Wide Web. Думата JPEG е съкращение от Joint Photographic Experts Group, която е създала този формат. Разширенията на JPEG файловете включват .jpg, .jpeg, .jpe и други.

Как работи компресията JPEG

JPEG използва предимно компресия с загуба (lossy), базирана на дискретната косинусна трансформация (DCT). Основните стъпки са:

• Разделяне на изображението на блокове (обикновено 8×8 пиксела).
• Прилагане на DCT върху всеки блок, за да се преобразуват пространствените данни в честотни коефициенти.
• Квантоване на тези коефициенти — основният източник на загуба на качество; по-високо квантоване води до по-малки файлове, но и до видими артефакти.
• Енкодиране (например Huffman кодиране) за допълнително намаляване на размера.

JPEG често използва и хрома субсамплинг (например 4:2:0), т.е. човешкото око е по-малко чувствително към цветовите детайли отколкото до яркостта, което позволява допълнително намаляване на данните.

Типове JPEG и свойства

• Baseline (основен) — най-разпространен, съвместим с всички зрители и браузъри.
• Progressive — изображението се зарежда по стъпки с увеличаване на детайла; полезно за по-бързо визуално представяне при бавни връзки.
• Lossless JPEG — съществува като рядка опция, но не е широко използван; повечето JPEG файлове са със загуба.

Разширения и MIME типове

Най-често срещаните разширения са .jpg и .jpeg, но се срещат и .jpe и други. Стандартният MIME тип за уеб е image/jpeg.

Предимства и недостатъци

• Предимства: добър баланс между качество и размер, широка съвместимост, бързо визуално зареждане в уеб.
• Недостатъци: загуба на детайли при компресия, видими блокови артефакти при силно компресиране, не поддържа прозрачност (алфа канал).

Кога да използвате JPEG и кога не

• Използвайте JPEG за: фотографии и изображения с много цветови градиенти, когато е важен малък файл за уеб или съхранение.
• Не използвайте JPEG за: изображения с текст, диаграми, скрийншотове или графики с резки контури — там по-подходящи са PNG (за загуба на качество без загуба/прозрачност) или SVG (векторни изображения).
• За по-добра компресия и функции (напр. прозрачност) обмислете съвременни формати като WebP или AVIF — те често предлагат по-малки файлове при същото качество.

EXIF и метаданни

JPEG файловете често съдържат EXIF метаданни (информация за камерата, дата, GPS координати и др.). Тези данни са полезни, но могат да представляват риск за поверителността, затова при споделяне в публични места може да искате да ги премахнете или оптимизирате.

Практически съвети

• За уеб: качество около 75–85 (от 100) често е добър компромис между качество и размер.
• Избягвайте многократно повторно записване в JPEG — всяко повторно записване добавя загуба. Работете във формат без загуба (например TIFF или PNG) докато редактирате, и експортирайте в JPEG в края.
• За бързо първоначално зареждане в уеб използвайте прогресивен JPEG.
• Ако е нужно запазване на прозрачност или напълно без загуба — използвайте друг формат (PNG, WebP lossless и т.н.).

Съвместимост и поддръжка

JPEG е почти универсално поддържан от операционни системи, браузъри, фотоапарати и мобилни устройства. За печатни работи е важно да проверите цветовото пространство (RGB за екрани, CMYK понякога за професионален печат) и да използвате подходящи настройки при експортиране.

Обобщено: JPEG остава един от най-широко използваните формати за компресиране на растерни изображения благодарение на доброто съотношение между качество и размер, но изборът на формат трябва да зависи от целта — уеб, печат, архивиране или споделяне с внимание към метаданните и нуждата от прозрачност.

Как работи

YP P_br

Първото забележително нещо при компресията JPEG е начинът, по който се съхранява цветът на всеки пиксел. На всеки пиксел от изображението се присвояват 3 байта, за да се определи неговият цвят. И трите байта могат да имат всякаква стойност от 0 до 255 и всяка възможна комбинация от трите байта означава друг цвят. В повечето файлови формати за определяне на цвета се използва форматът RGB. RGB означава Red Green Blue (червено, зелено, синьо). Наречен е така, защото първият от трите байта ви казва колко червено има в цвета на пиксела. Вторият байт ви казва колко е зеленият цвят, а третият байт - колко е синият. Колкото по-висока е стойността на първия байт, толкова по-червен изглежда пикселът.

JPEG също използва по три байта за всеки пиксел, но използва формата YP P_br (известен също като YC C_br ). Тук първият байт ни казва колко ярък е пикселът. Вторият байт ни казва колко син е пикселът. Третият байт ни казва колко червен е пикселът. При използването на този цветови формат яркостта се съхранява отделно от цвета. Това е полезно, защото ще компресираме изображението. Тъй като човешкото око вижда по-добре яркостта, отколкото цвета, можем да приложим по-голяма компресия към цветовите байтове (байта P_b и байта P_r ). Тъй като виждаме по-добре яркостта, използваме по-малка компресия за Y-байта, за да изглежда изображението по-добре след компресирането.

Тъй като изображенията най-често се съхраняват в RGB формат, първата стъпка от компресирането на JPEG обикновено е правилно да се промени RGB форматът в YP P_br формат.

Дискретно косинусово преобразуване

JPEG използва косинусоидални функции за представяне на изображението. Затова ще поговорим малко за косинусоидалните функции. Ето как може да изглежда една косинусова функция:

За да представим косинусовата функция като цвят на пиксел, казваме, че колкото по-висока е стойността на косинусовата функция, толкова по-светъл е пикселът. Ако разполагаме с набор от пиксели, които са светли-тъмни-ярки, можем да използваме горната функция, за да ги определим.

Функцията може да има и по-висока честота. Например така:

Но тук става интересно. Можем също така да създадем различни функции, като вземем средната стойност на различни косинусови функции. Ето как би изглеждало, ако вземем средната стойност на горните две функции:

В JPEG DCT се прилага към блокове от 8 × 8 пиксела.

Количествена оценка

Досега в процеса на компресиране на изображението не е загубена никаква информация. На тази стъпка филтрираме информацията. По тази причина това е стъпката, която понижава качеството на изображението. За всеки блок от 8 × 8 пиксела косинусоидалните функции с високи честоти се настройват на 0. Това означава, че те вече не могат да оказват влияние върху начина, по който изглежда изображението, когато го декомпресирате.

Много от стойностите сега ще бъдат 0, което означава, че това може да се компресира много лесно. Това се прави с помощта на кодиране на Хъфман. Кодирането на Хъфман е последната стъпка от компресирането на JPEG. Това е и единствената стъпка, при която данните действително се компресират.

 
(cos(x) + cos(2x)) / 2  


cos(x)  


cos(2x)  

Въпроси и отговори

В: Какво представлява файловият формат JPEG?

В: Как може да се промени степента на компресия?

В: Какво се случва, ако изображението е с високо качество?

В: Къде се среща често файловият формат JPEG?

В: Какво означава думата "JPEG"?

В: Какви са някои често срещани разширения за JPEG файлове?

Търсене по буква