JPEG

JPEG (Joint Photographic Experts Group) to nazwa komitetu, który stworzył standard, ale potocznie odnosi się do bardzo popularnego, stratnego algorytmu kompresji obrazów rastrowych (bitmapowych) oraz powiązanego z nim formatu plików (najczęściej z rozszerzeniami .jpg, .jpeg, .jpe, .jif, .jfif). JPEG jest obecnie najpowszechniej stosowanym formatem do przechowywania i udostępniania obrazów fotograficznych oraz innych obrazów o bogatej gamie kolorów i płynnych przejściach tonalnych, zwłaszcza w internecie i w urządzeniach cyfrowych (aparaty fotograficzne, smartfony).

Kluczowe cechy i zasada działania kompresji JPEG:

  1. Kompresja stratna (Lossy Compression):
    • Jest to najważniejsza cecha JPEG. Algorytm kompresji JPEG został zaprojektowany tak, aby uzyskać jak największe zmniejszenie rozmiaru pliku przy możliwie najmniejszej, zauważalnej dla ludzkiego oka utracie jakości obrazu.
    • Proces kompresji polega na usuwaniu pewnych informacji z obrazu, które są uważane za mniej istotne dla percepcji wizualnej przez człowieka. Wykorzystuje on m.in. właściwości ludzkiego wzroku, który jest bardziej wrażliwy na zmiany jasności (luminancji) niż na zmiany koloru (chrominancji).
    • Główne etapy kompresji JPEG to:
      • Transformacja przestrzeni kolorów (np. z RGB na YCbCr, gdzie Y to luminancja, a Cb i Cr to chrominancja).
      • Downsampling (zmniejszenie rozdzielczości) kanałów chrominancji (często stosowane, np. 4:2:2 lub 4:2:0), ponieważ ludzkie oko jest na nie mniej wrażliwe.
      • Podział obrazu na bloki 8×8 pikseli.
      • Dyskretna transformata kosinusowa (DCT – Discrete Cosine Transform) dla każdego bloku, która przekształca dane przestrzenne na dane częstotliwościowe.
      • Kwantyzacja współczynników DCT – to na tym etapie następuje największa utrata informacji. Współczynniki odpowiadające wysokim częstotliwościom (drobne detale) są kwantyzowane bardziej “agresywnie” (reprezentowane z mniejszą precyzją lub całkowicie usuwane) niż te odpowiadające niskim częstotliwościom (ogólny kształt i kolory). Stopień kwantyzacji jest kontrolowany przez parametr jakości.
      • Kodowanie entropijne (np. kodowanie Huffmana lub arytmetyczne) skwantyzowanych współczynników w celu dalszej redukcji rozmiaru.
  2. Regulowany poziom kompresji/jakości:
    • Użytkownik (lub aplikacja) może zazwyczaj wybrać poziom kompresji (lub jakości) podczas zapisywania pliku JPEG. Skala jest często od 0 do 100 (lub od 1 do 12 w niektórych programach Adobe).
    • Wyższa wartość jakości (np. 90-100) oznacza mniejszą kompresję, większy rozmiar pliku, ale lepszą jakość (mniejsza utrata informacji).
    • Niższa wartość jakości (np. poniżej 50-60) oznacza większą kompresję, znacznie mniejszy rozmiar pliku, ale bardziej widoczną utratę jakości i pojawienie się artefaktów kompresji (np. blokowanie, rozmycie, “dzwonienie” wokół krawędzi).
  3. Obsługa kolorów:
    • JPEG standardowo obsługuje obrazy w skali szarości (8-bit) oraz w kolorze RGB (24-bit, czyli 8 bitów na kanał).
    • Istnieją również rozszerzenia formatu pozwalające na zapis obrazów CMYK (używane w DTP), ale ich wsparcie może być różne w zależności od aplikacji. W profesjonalnym druku, jeśli wymagany jest CMYK, częściej stosuje się format TIFF lub PDF.
  4. Brak obsługi przezroczystości i warstw:
    • Standardowy format JPEG nie obsługuje kanałów alfa (przezroczystości) ani warstw. Wszelka przezroczystość jest zastępowana jednolitym kolorem tła. Do grafiki z przezroczystością lepiej nadają się formaty takie jak PNG, GIF lub TIFF.
  5. Progresywny JPEG (Progressive JPEG):
    • Wariant formatu JPEG, w którym obraz jest ładowany stopniowo, od wersji o niskiej jakości do pełnej jakości. Podczas ładowania na stronie internetowej, użytkownik najpierw widzi rozmytą, ale całą wersję obrazu, która stopniowo się wyostrza. Jest to alternatywa dla standardowego (baseline) JPEG, gdzie obraz jest ładowany linia po linii od góry do dołu.
  6. Metadane:
    • Pliki JPEG mogą przechowywać różne metadane, takie jak informacje EXIF (z aparatów cyfrowych – model aparatu, czas ekspozycji, przysłona, ISO itp.), IPTC (informacje o prawach autorskich, opisy), a także profile ICC kolorów (choć nie wszystkie aplikacje je poprawnie obsługują lub osadzają).

Zastosowania formatu JPEG:

  • Fotografie cyfrowe: Dominujący format zapisu zdjęć w aparatach cyfrowych i smartfonach.
  • Publikacja obrazów w internecie: Ze względu na małe rozmiary plików, jest idealny do umieszczania zdjęć i grafiki na stronach internetowych, w mediach społecznościowych, w wiadomościach e-mail.
  • Podglądy i miniatury: Często używany do generowania szybkich podglądów obrazów.
  • Skanowanie fotografii i dokumentów kolorowych, gdzie priorytetem jest mały rozmiar pliku, a niewielka utrata jakości jest akceptowalna (np. do użytku osobistego, szybkiego udostępniania).

Wady i ograniczenia formatu JPEG:

  • Stratna kompresja i degradacja jakości: Każde kolejne zapisanie edytowanego pliku JPEG powoduje dalszą, kumulatywną utratę jakości. Dlatego do archiwizacji oryginalnych zdjęć lub obrazów, które będą wielokrotnie edytowane, zaleca się stosowanie formatów bezstratnych (RAW, TIFF, PNG). JPEG powinien być używany jako format końcowy, do publikacji lub udostępniania.
  • Nieodpowiedni dla grafiki z ostrymi krawędziami, tekstem, rysunkami kreskowymi: Kompresja JPEG jest zoptymalizowana dla obrazów o płynnych przejściach tonalnych (fotografie). W przypadku grafiki z dużymi, jednolitymi obszarami kolorów, ostrymi krawędziami (np. logotypy, zrzuty ekranu z tekstem, schematy) może powodować widoczne artefakty, takie jak:
    • Efekt blokowy (Blocking): Widoczne kwadratowe bloki 8×8 pikseli, zwłaszcza przy wysokiej kompresji.
    • Rozmycie (Blurring) drobnych detali i ostrych krawędzi.
    • Efekt “dzwonienia” (Ringing) lub “komarów” (Mosquito noise): Zakłócenia wokół kontrastowych krawędzi.
      Dla tego typu grafiki znacznie lepsze są formaty bezstratne, takie jak PNG lub GIF.
  • Brak obsługi przezroczystości i warstw.

Mimo swoich wad, JPEG pozostaje niezwykle użytecznym i wszechobecnym formatem dzięki swojej zdolności do znacznej redukcji rozmiaru plików przy zachowaniu akceptowalnej jakości wizualnej dla większości zastosowań fotograficznych i internetowych. Kluczem jest świadome zarządzanie poziomem kompresji i unikanie wielokrotnego zapisywania tego samego pliku JPEG w trakcie edycji.