Содержание

Как устроен формат JPEG / Хабр

Изображения формата JPEG встречаются повсюду в нашей цифровой жизни, но за этим покровом осведомлённости скрываются алгоритмы, устраняющие детали, не воспринимаемые человеческим глазом. В итоге получается высочайшее визуальное качество при наименьшем размере файла – но как конкретно всё это работает? Давайте посмотрим, чего именно не видят наши глаза!

Легко принять, как само собой разумеющееся, возможность отправить фотку другу, и не волноваться по поводу того, какое устройство, браузер или операционную систему он использует – однако так было не всегда. К началу 1980-х компьютеры умели хранить и показывать цифровые изображения, однако по поводу наилучшего способа для этого существовало множество конкурирующих идей. Нельзя было просто отправить изображение с одного компьютера на другой и надеяться, что всё заработает.

Для решения этой проблемы в 1986 году был собран комитет экспертов со всего мира под названием «Объединённая группа экспертов по фотографии» (Joint Photographic Experts Group, JPEG), основанный в рамках совместной работы Международной организации по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссии (IEC) – двух международных организаций по стандартизации, штаб-квартира которых расположена в Женеве (Швейцария).

Группа людей под названием JPEG создала стандарт сжатия цифровых изображений JPEG в 1992 году. Любой человек, использовавший интернет, вероятно, встречался с изображениями в кодировке JPEG. Это самый распространённый способ кодирования, отправки и хранения изображений. От веб-страниц до емейла и соцсетей, JPEG используется миллиарды раз в день – практически каждый раз, когда мы смотрим изображение онлайн или отправляем его. Без JPEG веб был бы менее ярким, более медленным, и, вероятно, в нём было бы меньше фоток котиков!

Эта статья – о том, как декодировать JPEG изображение. Иначе говоря, о том, что требуется для преобразования сжатых данных, хранящихся на компьютере, в изображение, появляющееся на экране. Об этом стоит знать не только потому, что это важно для понимания технологии, которую мы используем ежедневно, но и потому, что раскрывая уровни сжатия, мы лучше узнаём восприятие и зрение, а также то, к каким деталям наши глаза восприимчивей всего.

Кроме того, играться с изображениями таким способом очень интересно.

Заглядывая внутрь JPEG

На компьютере всё хранится в виде последовательности двоичных чисел. Обычно эти биты, нули и единицы, группируются по восемь, составляя байты. Когда вы открываете JPEG изображение на компьютере, что-то (браузер, операционка, ещё что-то) должно декодировать байты, восстановив изначальное изображение в виде списка цветов, которые можно показать.

Если вы скачаете эту умильную фотографию кота и откроете её в текстовом редакторе, вы увидите кучу бессвязных символов.


Здесь я использую Notepad++ для изучения содержимого файла, поскольку обычные текстовые редакторы, типа Notepad из Windows, испортят двоичный файл после сохранения, и он перестанет удовлетворять формату JPEG.

Открывая изображение в текстовом редакторе, вы сбиваете компьютер с толку, точно так же, как вы сбиваете с толку свой мозг, когда потрёте глаза и начинаете видеть цветные пятна!

Эти пятна, которые вы видите, известны, как фосфены, и не являются результатом воздействия светового стимула или галлюцинациями, порождёнными разумом.

Они возникают, потому что ваш мозг считает, что любые электрические сигналы в глазных нервах передают информацию о свете. Мозгу необходимо делать такие предположения, поскольку никак нельзя узнать, является ли сигнал звуком, видением или чем-то ещё. Все нервы в теле передают абсолютно одинаковые электрические импульсы. Давя на глаза, вы отправляете сигналы, не являющиеся зрительными, но активирующие рецепторы глаза, что ваш мозг интерпретирует – в данном случае, неверно – как нечто зрительное. Вы буквально способны видеть давление!

Забавно думать о том, насколько компьютеры похожи на мозг, однако это также является полезной аналогией, иллюстрирующей, насколько сильно значение данных – передаваемых по телу нервами, или хранящихся на компьютере – зависит от их интерпретации. Все двоичные данные состоят из нулей и единиц, базовых компонентов, способных передавать информацию любого вида. Ваш компьютер часто догадывается, как интерпретировать их при помощи подсказок, например, расширений файлов.

А сейчас мы заставляем его интерпретировать их как текст, поскольку именно этого ожидает текстовый редактор.

Чтобы понять, как декодировать JPEG, нам нужно увидеть сами изначальные сигналы – двоичные данные. Это можно сделать при помощи шестнадцатеричного редактора, или же прямо на веб-странице оригинала статьи! Там есть изображение, рядом с которым в текстовом поле приведены все его байты (кроме заголовка), представленные в десятичном виде. Вы можете менять их, и скрипт перекодирует и выдаст новое изображение на лету.

Можно узнать многое, просто играясь с этим редактором. К примеру, можете ли вы сказать, в каком порядке хранятся пиксели?

В этом примере странно то, что изменение некоторых чисел вообще не влияет на изображение, а, например, если заменить число 17 на 0 в первой строке, то фотка полностью испортится!

Другие изменения, например, замена 7 на строке 1988 на число 254 изменяет цвет, но только последующих пикселей.

Возможно, наиболее странным будет то, что некоторые числа меняют не только цвет, но и форму изображения.

Измените 70 в строке 12 на 2 и посмотрите на верхний ряд изображения, чтобы увидеть, что я имею в виду.

И вне зависимости от того, какое JPEG изображение вы используете, вы всегда будете находить эти загадочные шахматные последовательности при редактировании байтов.

Играясь с редактором, тяжело понять, как воссоздаётся фотка из этих байтов, поскольку JPEG сжатие состоит из трёх различных технологий, применяющихся последовательно по уровням. Мы изучим каждую из них отдельно, чтобы раскрыть наблюдаемое нами загадочное поведение.

Три уровня JPEG сжатия:

  1. Цветовая субдискретизация.
  2. Дискретное косинусное преобразование и дискретизация.
  3. Кодирование длин серий, дельта и Хаффмана

Дабы вы могли представить себе масштабы сжатия, обратите внимание, что изображение, приведённое выше, представляет 79 819 чисел, то есть, около 79 Кб. Если бы мы хранили его без сжатия, для каждого пикселя потребовалось бы по три числа – для красной, зелёной и синей составляющей. Это составило бы 917 700 чисел, или ок. 917 Кб. В результате JPEG сжатия итоговый файл уменьшился больше чем в 10 раз!

На самом деле, это изображение можно сжать гораздо сильнее. Снизу приведены два изображения рядом – фотка справа была ужата до 16 Кб, то есть в 57 раз меньше, чем несжатая версия!

Если присмотреться, будет видно, что эти изображения не идентичны. Оба они – картинки с JPEG сжатием, однако правая гораздо меньше по объёму. Также она выглядит чуть похуже (посмотрите на квадраты цветов фона). Поэтому JPEG ещё называют сжатием с потерями; в процессе сжатия изображение меняется и теряет некоторые детали.

1. Цветовая субдискретизация

Вот изображение с применением только первого уровня сжатия.


(Интерактивная версия – в оригинале статьи). Удаление одного числа рушит все цвета. Однако если удалить ровно шесть чисел, это практически не влияет на изображение.

Теперь числа чуть проще расшифровать.

Это почти что простой список цветов, у которого каждый байт изменяет ровно один пиксель, но при этом он уже в два раза меньше несжатого изображения (которое занимало бы ок. 300 Кб в таком уменьшенном размере). Догадаетесь, почему?

Можно видеть, что эти числа не обозначают стандартные красную, зелёную и синюю компоненты, поскольку если заменить все числа нулями, мы получим зелёное изображение (а не белое).

Это потому, что эти байты обозначают Y (яркость),

Cb (относительная голубизна),

и Cr (относительная краснота) картинки.

Почему не использовать RGB? Ведь именно так работает большинство современных экранов. Ваш монитор может демонстрировать любой цвет, включая красный, зелёный и синий цвета с разной интенсивностью для каждого пикселя. Белый получается включением всех трёх на полную яркость, а чёрный – их отключением.

Это также очень похоже на работу человеческого глаза. Цветовые рецепторы наших глаз называются «колбочки», и делятся на три типа, каждый из которых более чувствителен либо к красному, либо к зелёному, либо к синему цветам [колбочки S-типа чувствительны в фиолетово-синей (S от англ. Short — коротковолновый спектр), M-типа — в зелено-желтой (M от англ. Medium — средневолновый), и L-типа — в желто-красной (L от англ. Long — длинноволновый) частях спектра. Наличие этих трёх видов колбочек (и палочек, чувствительных в изумрудно-зелёной части спектра) даёт человеку цветное зрение. / прим. перев.]. Палочки, другой тип фоторецепторов в наших глазах, способны улавливать только изменения в яркости, однако они гораздо более чувствительные. В наших глазах есть около 120 млн палочек и всего 6 млн колбочек.

Поэтому наши глаза гораздо лучше замечают изменения в яркости, чем изменения в цвете. Если отделить цвет от яркости, можно убрать немного цвета, и никто ничего не заметит. Цветовая субдискретизация – это процесс представления цветовых компонентов изображения в меньшем разрешении по сравнению с компонентами яркости. В примере выше у каждого пикселя ровно один компонент Y, а у каждой отдельной группы из четырёх пикселей есть ровно одна компонента Cb и одна Cr. Поэтому изображение содержит в четыре раза меньше цветовой информации, чем было у оригинала.

Цветовое пространство YCbCr используется не только в JPEG. Его изначально придумали в 1938 году для телепередач. Не у всех есть цветной телевизор, поэтому разделение цвета и яркости позволило всем получать один и тот же сигнал, а телевизоры без цвета просто использовали только компонент яркости.

Поэтому удаление одного числа из редактора полностью рушит все цвета. Компоненты хранятся в виде Y Y Y Y Cb Cr (на самом деле, не обязательно в таком порядке – порядок хранения задаётся в заголовке файла). Удаление первого числа приведёт к тому, что первое значение Cb будет воспринято, как Y, Cr как Cb, и в целом получится эффект домино, переключающий все цвета картинки.

Спецификация JPEG не обязывает вас использовать YCbCr. Но в большинстве файлов она используются, поскольку она даёт изображения лучшего качества после субдискретизации по сравнению с RGB. Но вам не обязательно верить мне на слово. Посмотрите сами в табличке ниже, как будет выглядеть субдискретизация каждого отдельного компонента как в RGB, так и в YCbCr.


(Интерактивная версия – в оригинале статьи).

Удаление синего не так заметно, как красного или зелёного. Всё потому, что из шести миллионов колбочек в ваших глазах около 64% чувствительны к красному, 32% к зелёному и 2% к синему.

Субдискретизация компонента Y (слева внизу) видна лучше всего. Заметно даже небольшое изменение.

Преобразование изображения из RGB в YCbCr не уменьшает размер файла, но облегчает поиск менее заметных деталей, которые можно удалить. Сжатие с потерями происходит на втором этапе. В её основе лежит идея представления данных в более сжимаемом виде.

2. Дискретное косинусное преобразование и дискретизация

Этот уровень сжатия по большей части и определяет суть JPEG. После преобразования цветов в YCbCr компоненты сжимаются по отдельности, поэтому далее мы можем сконцентрироваться только на компоненте Y. И вот как выглядят байты компонента Y после применения этого уровня.


(Интерактивная версия – в оригинале статьи). В интерактивной версии клик на пикселе прокручивает редактор на строчку, которая его обозначает. Попробуйте поудалять числа с конца или добавить несколько нулей к определённому числу.

На первый взгляд, выглядит, как очень плохое сжатие. В изображении 100 000 пикселей, и для обозначения их яркости (Y-компоненты) требуется 102 400 чисел — это хуже, чем если вообще ничего не сжимать!

Однако обратите внимание на то, что большинство этих чисел равны нулю. Более того, все эти нули в конце строк можно удалять, не меняя изображение. Остаётся порядка 26 000 чисел, а это уже почти в 4 раза меньше!

На этом уровне находится секрет шахматных узоров. В отличие от других эффектов, которые мы видели, появление этих узоров не является глюком. Они – строительные блоки всего изображения. В каждой строчке редактора содержится ровно 64 числа, коэффициенты дискретного косинусного преобразования (DCT), соответствующие интенсивностям 64-х уникальных узоров.

Эти узоры формируются на основе графика косинуса. Вот, как выглядят некоторые из них:


8 из 64 коэффициентов

Ниже – изображение, демонстрирующее все 64 узора.


(Интерактивная версия – в оригинале статьи).

Эти узоры имеют особое значение, поскольку они формируют базис изображений размера 8х8. Если вы незнакомы с линейной алгеброй, то это означает, что любое изображение размера 8х8 можно получить из этих 64-х узоров. DCT – это процесс разбиения изображений на блоки 8х8 и преобразования каждого блока в комбинацию из этих 64 коэффициентов.

То, что любое изображение можно составить из 64 определённых узоров, кажется волшебством. Однако это то же самое, что сказать, что любое место на Земле можно описать двумя числами – широтой и долготой [с указанием полушарий / прим. перев.]. Мы часто считаем поверхность Земли двумерной, поэтому нам требуются всего два числа. Изображение 8х8 имеет 64 измерения, поэтому нам требуются 64 числа.

Пока непонятно, как это помогает нам в смысле сжатия. Если нам нужно 64 числа для представления изображения 8х8, почему этот способ будет лучше, чем просто хранить 64 компоненты яркости? Мы делаем это по той же причине, по которой мы превратили три числа RGB в три числа YCbCr: это позволяет нам удалить незаметные детали.

Сложно увидеть, какие именно детали удаляются на этом этапе, поскольку JPEG применяет DCT к блокам 8х8. Однако никто не запрещает нам применить его к целой картинке. Вот, как выглядит DCT по компоненте Y в применении к целой картинке:

С конца можно удалить более 60 000 чисел практически без заметных изменений на фотке.

Однако отметьте, что если мы обнулим первые пять чисел, разница будет очевидной.

Числа в начале обозначают изменения низкой частоты в изображении, и наши глаза улавливают их лучше всего. Числа ближе к концу обозначают изменения высоких частот, которые сложнее заметить. Чтобы «увидеть то, что не видно глазом», мы можем изолировать эти детали высокой частоты, обнулив первые 5000 чисел.

Мы видим все области изображения, в которых происходит наибольшее изменение от пикселя к пикселю. Выделяются глаза кота, его усы, махровое одеяло и тени в нижнем левом углу. Можно пойти и дальше, обнулив первые 10 000 чисел:

20 000:

40 000:

60 000:

Эти высокочастотные детали JPEG и удаляет на этапе сжатия. Преобразование цветов в коэффициенты DCT не несёт потерь. Потери образуются на шаге дискретизации, где удаляются величины высокой частоты или близкие к нулю. Когда вы понижаете качество сохранения JPEG, программа увеличивает порог количества удаляемых значений, что даёт уменьшение размера файла, но делает картинку более пикселизированной. Поэтому изображение в первом разделе, которое было в 57 раз меньше, так выглядело. Каждый блок 8х8 представлялся гораздо меньшим количеством коэффициентов DCT по сравнению с более качественной версией.

Можно сделать такой крутой эффект, как постепенная потоковая передача изображений. Можно вывести размытую картинку, которая становится всё более детализированной по мере скачивания всё большего количества коэффициентов.

Вот, просто для интереса, что получится при использовании всего 24 000 чисел:

Или всего 5000:

Очень размыто, но как будто узнаваемо!

3. Кодирование длин серий, дельта и Хаффмана

Пока что все этапы сжатия шли с потерями. Последний этап, наоборот, идёт без потерь. Он не удаляет информацию, однако значительно уменьшает размер файла.

Как можно сжать что-либо, не отбрасывая информацию? Представьте, как бы мы описали простой чёрный прямоугольник 700 х 437.

JPEG использует для этого 5000 чисел, но можно достичь гораздо лучшего результата. Можете представить себе схему кодирования, которая бы описывала подобное изображение как можно меньшим количеством байт?

Минимальная схема, которую смог придумать я, использует четыре: три для обозначения цвета, и четвёртый – сколько пикселей имеет такой цвет. Идея представления повторяющихся значений таким сжатым способом называется кодирование длин серий. Она не имеет потерь, поскольку мы можем восстановить закодированные данные в первозданном виде.

Размер файла JPEG с чёрным прямоугольником гораздо больше 4 байт – вспомните, что на уровне DCT сжатие применяется к блокам 8х8 пикселей. Поэтому как минимум нам нужен один коэффициент DCT на каждые 64 пикселя. Один нам нужен потому, что вместо того, чтобы хранить один DCT-коэффициент, за которым идёт 63 нуля, кодирование длин серий позволяет нам хранить одно число и обозначить, что «все остальные – нули».

Дельта-кодирование – это техника, при которой каждый байт содержит отличие от какого-то значения, а не абсолютную величину. Поэтому редактирование определённых байтов изменяет цвет всех остальных пикселей. К примеру, вместо того, чтобы хранить

12 13 14 14 14 13 13 14

Мы могли бы начать с 12, а потом просто обозначать, сколько надо прибавить или отнять, чтобы получить следующее число. И эта последовательность в дельта-кодировании приобретает вид:

12 1 1 0 0 -1 0 1

Преобразованные данные не получаются меньше исходных, но сжимать их уже легче. Применение дельта-кодирования перед кодированием длин серий может сильно помочь, оставаясь при этом сжатием без потерь.

Дельта-кодирование – одна из немногих техник, применяемых вне блоков 8х8. Из 64 коэффициентов DCT один – просто постоянная волновая функция (сплошной цвет). Он представляет среднюю яркость каждого блока для компонент яркости, или среднюю голубизну для компонентов Cb, и так далее. Первое значение каждого DCT-блока называется DC-значением, и каждое DC-значение проходит дельта-кодирование по отношению к предыдущим. Поэтому изменение яркости первого блока повлияет на все блоки.

Остаётся последняя загадка: как изменение единственного числа полностью портит всю картинку? Пока таких свойств у уровней сжатия не было. Ответ лежит в заголовке JPEG. Первые 500 байт содержат метаданные об изображении – ширину, высоту, и проч., и пока мы с ними не работали.

Без заголовка практически невозможно (ну, или очень сложно) декодировать JPEG. Это будет выглядеть так, будто я пытаюсь описать вам картину, и начинаю изобретать слова для того, чтобы передать своё впечатление. Описание будет, вероятно, весьма сжатым, поскольку я могу изобретать слова именно с тем значением, которое я хочу передать, однако для всех остальных они не будут иметь смысла.

Звучит глупо, но именно так это и происходит. Каждое изображение JPEG сжимается с кодами, специфичными именно для него. Словарь кодов хранится в заголовке. Эта техника называется «код Хаффмана», а словарь – таблицей Хаффмана. В заголовке таблица отмечена двумя байтами – 255 и потом 196. У каждого цветового компонента может быть своя таблица.

Изменения таблиц радикально повлияют на любое изображение. Хороший пример – поменять на 15-й строке 1 на 12.

Это происходит потому, что в таблицах указывается, как нужно читать отдельные биты. Пока что мы работали только с двоичными числами в десятичном виде. Но это скрывает от нас тот факт, что если вы хотите хранить число 1 в байте, то оно будет выглядеть, как 00000001, поскольку в каждом байте должно быть ровно восемь бит, даже если нужен из них всего один.

Потенциально это большая трата места, если у вас есть много мелких чисел. Код Хаффмана – это техника, позволяющая нам ослабить это требование, по которому каждое число должно занимать восемь бит. Это значит, что если вы видите два байта:

234 115

То, в зависимости от таблицы Хаффмана, это могут быть три числа. Чтобы их извлечь, вам надо сначала разбить их на отдельные биты:

11101010 01110011

Затем обращаемся к таблице, чтобы понять, как их группировать. К примеру, это могут быть первые шесть битов, (111010), или 58 в десятичной системе, за которыми идут пять битов (10011), или 19, и наконец последние четыре бита (0011), или 3.

Поэтому очень сложно разобраться в байтах на этом этапе сжатия. Байты не представляют то, что кажется. Не буду углубляться в детали работы с таблицей в данной статье, но материалов по этому вопросу в сети достаточно.

Один из интересных трюков, которые можно проделать, зная это – отделить заголовок от JPEG и хранить его отдельно. По сути, получится, что файл сможете прочесть только вы. Facebook проделывает это, чтобы ещё сильнее уменьшать файлы.

Что ещё можно сделать – совсем немного изменить таблицу Хаффмана. Для других это будет выглядеть, как испорченная картинка. И только вы будете знать волшебный вариант её исправления.

Подведём итоги: так что же нужно для декодирования JPEG? Необходимо:

  1. Извлечь таблицу (таблицы) Хаффмана из заголовка и декодировать биты.
  2. Извлечь коэффициенты дискретного косинусного преобразования для каждого компонента цвета и яркости для каждого блока 8х8, проведя обратные преобразования кодирования длин серий и дельты.
  3. Скомбинировать косинусы на основе коэффициентов, чтобы получить значения пикселей для каждого блока 8х8.
  4. Масштабировать компоненты цветов, если проводилась субдискретизация (эта информация есть в заголовке).
  5. Преобразовать полученные значения YCbCr для каждого пикселя в RGB.
  6. Вывести изображение на экран!

Серьёзная работа для простого просмотра фотки с котиком! Однако, что мне в этом нравится – видно, насколько технология JPEG человекоцентрична. Она основана на особенностях нашего восприятия, позволяющих достичь гораздо лучшего сжатия, чем обычные технологии. И теперь, понимая, как работает JPEG, можно представить, как эти технологии можно перенести в другие области. К примеру, дельта-кодирование в видео может дать серьёзное уменьшение размера файла, поскольку там часто есть целые области, не меняющиеся от кадра к кадру (к примеру, фон).

Код, использованный в статье, открыт, и содержит инструкции по замене картинок на свои собственные.

Форматы изображений: JPEG и TIFF

Понимание того, какой формат изображения использовать, даст вам возможность выжать максимум из своих цифровых фотографий. Некоторые форматы наилучшим образом подходят для получения оптимального баланса качества и размера файла при хранении ваших фотографии, тогда как другие типы позволят вам проще восстановить испорченный снимок. Существует бесчисленное множество форматов изображений, и время от времени к тому же появляются новые; в этой главе мы сосредоточимся на возможностях двух из трёх наиболее подходящих для цифровой фотографии форматов: JPEG и TIFF. Формат RAW рассмотрен в отдельной главе.

Введение: компрессия изображений

Важной концепцией, которая отличает многие форматы изображений, является наличие или отсутствие в них компрессии. Сжатые файлы значительно меньше своих несжатых собратьев и подразделяются на две основные категории: «с потерями» и «без потерь». Сжатие без потерь обеспечивает сохранность всей информации об изображении, даже если итоговый размер изображения получается несколько больше. Сжатие с потерями, на контрасте, может создать файлы значительно меньшего размера, но достигает этого, выборочно выбрасывая сведения об изображении. Итоговый сжатый файл в результате более не идентичен оригиналу. Видимые различия между сжатыми файлами и их исходниками называются «дефектами сжатия».

Формат JPEG

JPEG расшифровывается как «Объединённая группа фото-экспертов» (Joint Photographic Expert Group), и он, как предполагает название, был специально разработан для хранения фотографических изображений. Он стал также стандартным форматом для хранения изображений в цифровых камерах и показа фотографий на интернет-сайтах. Файлы JPEG существенно меньше сохраняемых в TIFF, однако ценой такой экономии является использование сжатия с потерями. Великая сила файлов JPEG состоит в их гибкости. Формат JPEG по сути является набором параметров, которые могут быть настроены под нужды отдельно взятого изображения.

Формат JPEG достигает малого размера файла, сжимая изображение с помощью метода, который сохраняет наиболее значимые детали и теряет детали, оценённые как менее влияющие визуально. JPEG осуществляет это, пользуясь тем фактом, что человеческий глаз замечает вариации яркости больше, чем вариации цвета. Степень достигаемой компрессии тем самым весьма зависит от содержания изображения; высокошумные или мелкодетальные изображения непросто сжать, тогда как картинки с мягким небом и небольшой текстурой будут сжаты очень хорошо.

Мелкодетальное изображение
(сжатие JPEG малоэффективно)
Изображение без мелких деталей
(сжатие JPEG эффективно)

Полезно также получить визуальное представление о том, как различные степени сжатия влияют на качество вашего изображения. На 100% вы вряд ли заметите какие бы то ни было отличия между сжатым и несжатым изображением ниже, если они вообще есть. Обратите внимание, как алгоритм JPEG приоритизирует яркие высококонтрастные границы за счёт более тонких текстур. По мере снижения качества, алгоритм JPEG вынужден приносить в жертву всё более и более заметные текстуры, чтобы продолжать снижать размер файла.

Выберите качество сжатия:  100% 80% 60% 30% 10%
  Оригинал Сжатие

Формат TIFF

TIFF расшифровывается как «формат файла размеченного изображения» (Tagged Image File Format) и является стандартом для типографской и печатной индустрии. Файлы TIFF значительно больше, чем их JPEG-аналоги, и могут быть записаны либо без сжатия, либо со сжатием без потерь. В отличие от JPEG, файлы TIFF могут иметь разрядность либо 16, либо 8 бит на канал. Кроме того, в одном файле TIFF может храниться несколько слоёв (страниц) изображения.

Файлы TIFF являются прекрасным выбором для хранения промежуточных файлов,которые может понадобиться редактировать впоследствии, поскольку они не вносят дефектов сжатия. Многие камеры могут записывать изображения сразу в TIFF, но они могут занять существенно больше места, чем аналогичный JPEG. Если ваша камера поддерживает формат RAW, это превосходная альтернатива,поскольку он существенно меньше и может при этом сохранить даже больше информации об исходном изображении.

Полезные советы

  • Записывайте изображение, используя сжатие с потерями, только после окончания редактирования, поскольку многие манипуляции с изображением могут умножить дефекты сжатия.
  • Избегайте сжимать файл несколько раз, поскольку дефекты сжатия могут накапливаться и приводить к нарастающему снижению качества изображения. В таких случаях алгоритм JPEG может в результате создавать файлы всё большего и большего размера при неизменной степени сжатия.
  • Убедитесь, что шум в изображении минимален, поскольку это существенно уменьшит размер файлов JPEG.

Что такое формат JPEG – подробное описание для фотографов

Любой, кто когда-либо пользовался Интернетом, вероятно, видел изображения в формате JPEG. На сегодняшний день это самый распространенный способ кодирования, отправки по сети и хранения изображений. Формат JPEG используется миллиарды раз в день. Без JPEG Всемирная паутина была бы немного менее красочной, намного медленнее и, вероятно, не обладала бы таким богатством изображений кошек!

Сегодня вы можете отправить изображение в формате JPEG другу по электронной почте, не беспокоясь о том, какое устройство, браузер или операционную систему он использует. Но так было не всегда. В начале 1980-х компьютеры уже могли хранить и отображать цифровые изображения, но существовало много конкурирующих идей и подходов для этой реализации. Вы не могли просто отправить картинку с одного компьютера на другой и ожидать, что это будет нормально работать.

Для решения этой проблемы в 1986 году совместными усилиями ISO (Международная организация по стандартизации) и IEC (Международная электротехническая комиссия) была создана Объединенная группа экспертов по фотографии (Joint Photographic Experts Group – аббревиатура JPEG) со штаб-квартирой в Женеве (Швейцария).

JPEG, группа экспертов, создала JPEG, стандарт сжатия цифровых изображений, в 1992 году.

 

 

Технические детали формата JPEG

Вся информация на компьютере хранится в виде серии двоичных чисел. Как правило, эти биты, нули и единицы, объединяются в группы по восемь, известные как байты. Когда вы открываете изображение JPEG на своем компьютере, что-то (браузер, ваша операционная система или что-то еще) должно декодировать байты, чтобы восстановить исходное изображение в виде списка цветов, которые затем можно отобразить.

 

 

Если вы откроете любое изображение с помощью текстового редактора (например, Notepad++), вы увидите кучу искаженных символов. Открыв изображение в текстовом редакторе, вы запутали компьютер, точно так же, как запутали свой мозг, когда слишком сильно терли глаза и начинаете видеть тусклые пятна и цвета!

 

 

Эти тусклые пятна, которые вы видите – известны как фосфены – не происходят от каких-либо световых стимулов, и при этом они не являются галлюцинациями, созданными в вашем уме. Они возникают потому, что ваш мозг предполагает, что любой электрический сигнал, поступающий через нервы в ваш глаз, передает световую информацию. Мозг должен сделать это предположение, потому что нет никакого способа узнать, является ли данный сигнал звуком, образом или чем-то еще. Все нервы в вашем теле несут электрический импульс одинакового типа. Когда вы оказываете давление, потирая глаза, вы посылаете невизуальные сигналы, что запускают рецепторы в вашем глазу, которые ваш мозг интерпретирует – в данном случае неправильно – как образ. И вы буквально видите давление на глаза!

 

Компьютеры во многом похожи на наш мозг, — здесь важна правильная интерпретация сигналов. Все двоичные данные состоят из единиц и нулей, базовых компонентов, которые могут передавать любую информацию. Ваш компьютер часто догадывается, как ее интерпретировать, используя подсказки (например, расширение файла). Здесь мы заставили его интерпретировать картинку как текст, потому что именно этого ожидает текстовый редактор.

 

Если же вы откроете картинку в HEX-редакторе, то вы увидите просто большой набор цифр. В таких редакторах байты представлены в виде десятичных чисел. Вы можете вносить изменения в байты, и редактор будет изменять изображение.

 

 

А для просмотра изображений, закодированных в формате JPEG, сначала их надо декодировать. Этот процесс выполняется специальной программой поэтапно, но в обратном кодированию порядке.

 

 

Общая информация о формате JPEG

Файлы изображений в формате JPEG имеют следующие расширения: JPG, JFIF, JPE и JPEG. На сегодняшний день самым распространенным вариантом является расширение JPG.

Хранение графической информации в файловом формате JPEG использует алгоритм метода сжатия с потерями. Это позволяет сжимать данные с достаточно высокой эффективностью. В формате JPEG можно сохранять картинки с глубиной цвета до 24 бит/пиксель и размером их сторон не более 65535 пикселей (2311,93 см).

В JPEG не сохраняется альфа-канал (прозрачность).

 

 

Преимущества формата JPEG

Формат JPEG приобрел популярность из-за своего алгоритма сжатия, который позволяет значительно сжимать информацию и при этом сохранять основные цвета и яркость. Файлы в этом формате могут иметь небольшой размер, но при этом сохранять приемлемое качество изображений.

Этот формат используется во всех цифровых фотокамерах.

Изображения в формате JPEG можно без проблем просмотреть на любом электронном устройстве: компьютер, телевизор, смартфон, игровая приставка и так далее. Этот формат поддерживается во всех основных операционных системах: Mac OS, Linux, Windows, Android, iOS.

 

 

Недостатки формата JPEG

Главным недостатком формата JPEG можно считать то, что картинки в этом формате можно эффективно обрабатывать только один раз. После каждого сохранения изображения теряют качество и чем выше уровень сжатия, тем хуже будет их качество.

Другим недостатком формата JPEG является то, что он не сохраняет слои и альфа каналы (прозрачность).

Ограничения формата, которые напрямую зависят от уровня сжатия информации:

  • Искажение цвета
  • Мозаичность
  • Ореолы вокруг контуров
  • Появление шумов
  • Потеря детализации
  • Ступенчатость линий
  • Ухудшение резкости

 

 

 

Детальнее о процессе сжатия файлов в формате JPEG

Чтобы дать вам представление о масштабе сжатия, которое используется в этом формате, представьте себе изображение весом примерно в 100 килобайт. Если бы информация об изображении хранилась без сжатия, для каждого пикселя потребовалось бы три числа – по одному для каждого из красного, зеленого и синего компонентов. Это будет означать в общей сложности 1 140 000 чисел, или около 1,2 мегабайт. Благодаря сжатию JPEG выходной файл становится в более чем десять раз меньше!

Процесс сжатия картинки в формате JPEG производится не сразу, а поэтапно.

 

 

Три уровня сжатия, которые используются в JPEG

  • Подвыборка насыщенности цвета, Цветовая субдискретизация (Chrominance Subsampling)
  • Дискретное косинусное преобразование и квантование (Discrete Cosine Transform and Quantization)
  • Длина цикла, дельта и кодирование Хаффмана (Run-Length, Delta & Huffman Encoding)

 

 

Этап сжатия №1: Подвыборка насыщенности цвета, Цветовая субдискретизация

В первую очередь цифровое изображение переводится из цветового пространства RGB в YCbCr. В нем компонента Y отвечает за яркость изображения, Cb – это относительная синева (relative blueness), Cr – это относительное покраснение (relative redness). Последние 2 компонента кодируются полностью, и в них уменьшается информация о цвете.

Этот этап в некоторой мере похож на то, как работают человеческие глаза. Цветовые рецепторы в наших глазах, известные как «колбочки», делятся на три типа, каждый из которых наиболее чувствителен к красному, зеленому или синему. Палочки, другой тип рецептора, которым наши глаза видят, могут обнаруживать только изменения яркости, но они гораздо более чувствительны. В наших глазах около ста двадцати миллионов палочек по сравнению с жалкими шестью миллионами колбочек.

Это означает, что наши глаза гораздо лучше обнаруживают изменения яркости, чем они обнаруживают изменения цвета. Если мы можем отделить цвет от яркости, мы можем удалить немного цвета, чтобы никто не заметил. Подвыборка насыщенности цвета – это процесс представления цветовых компонентов изображения с более низким разрешением, чем у его компонентов яркости.

Каждый пиксель имеет ровно один компонент Y, тогда как каждая дискретная группа из четырех пикселей имеет ровно один компонент Cb и один компонент Cr. Таким образом, изображение содержит только четверть информации о первоначальном цвете.

Использование цветового пространства YCbCr не является уникальным для JPEG. На самом деле, он был разработан в 1938 году для телевизионных передач. Не у всех были цветные телевизоры, поэтому отделение цвета от яркости позволило всем получать одинаковую передачу, а телевизоры, которые не поддерживали цвет, просто использовали компонент яркости.

 

 

Этап сжатия №2: Дискретное косинусное преобразование и квантование

На этом этапе все изображение разбивается на отдельные квадраты размером 8×8 пикселей и над каждым из них производится преобразование. При этом каждый квадрат раскладывается на составные цвета для подсчета частоты появления их по всему изображению.

Этот уровень сжатия в значительной степени является определяющей особенностью JPEG. После преобразования цветов в YCbCr компоненты сжимаются по отдельности. Дискретное косинусное преобразование (Discrete Cosine Transform – DCT) – это процесс разбиения изображения на блоки 8×8 и преобразования каждого блока в комбинацию из 64 паттернов.

Звучит невероятным то, что любое изображение может быть представлено с использованием 64 особых шаблонов (паттернов). Но это то же самое, что сказать, что любое место на Земле можно представить с использованием только двух чисел: долготы и широты. Поверхность Земли можно представить как двумерную, поэтому здесь нужны только два числа. Изображение 8х8 имеет шестьдесят четыре измерения, поэтому нам нужно шестьдесят четыре числа.

С точки зрения сжатия, не очевидно, как это помогает нам. Если нам нужно шестьдесят четыре числа для представления изображения 8×8, почему это лучше, чем хранить шестьдесят четыре компонента яркости? Мы делаем это по той же причине, по которой мы преобразовали три числа RGB в три числа YCbCr: это позволяет нам удалять детали, которые менее заметны.

Трудно понять, как именно выглядят детали, которые удаляются на этом этапе сжатия, потому что JPEG применяет дискретное косинусное преобразование только к блокам по 8×8 пикселей за один раз. Однако нет причин, по которым мы не можем применить его ко всему изображению.

На этом этапе сжатия JPEG удаляет высокочастотные детали. Преобразование цветов в коэффициенты (паттерны) DCT не является операцией с потерями. Это шаг квантования осуществляется с потерями, при котором значения высокой частоты, значения близкие к нулю или оба, удаляются. Когда вы выбираете более низкую настройку качества для изображения JPEG, это увеличивает порог для того, сколько из этих значений будет удалено, что приводит к меньшему размеру файла, но к более «зернистому» изображению.

Объем удаляемой из файла JPEG информации во время такой обработки сильно зависит от указанного уровня сжатия, и чем он больше, тем хуже будет качество изображения. Такое изображение уже никогда нельзя будет вернуть к первоначальному виду. Именно поэтому JPEG называется форматом сжатия с потерями качества. Размер файла после сжатия по сравнению с исходным файлом напрямую зависит от детализации изображения и чем больше мелких деталей, тем больше размер файла. Лучше сжимаются те изображения, в которых меньше шума и больше плавных цветовых и яркостных переходов. Чем выше контраст, тем хуже сжимается картинка.

 

 

Этап сжатия №3: Длина цикла, дельта и кодирование Хаффмана

На этом этапе сжатия кодируются цвета и яркость изображения. При этом сохраняются только отличия 64-х пиксельных квадратов, а вся одинаковая информация удаляется. Затем результаты такого кодирования представляются числами, которые тоже сжимаются по специальному алгоритму.

Все этапы сжатия до сих пор были с потерями. Этот последний слой сжатия, напротив, без потерь. Он не удаляет какую-либо информацию, но значительно уменьшает размер файла.

Как происходит сжатие, если не отсекается какая-то информация?

Подумайте о простом сплошном черном изображении. JPEG использует около 5000 чисел, чтобы представить его, но мы можем сделать намного лучше. Как можно сделать это с наименьшим количеством байтов? Наименьшее, что можно придумать, это четыре байта: три для указания цвета и один для определения количества пикселей, имеющих этот цвет. Идея выразить все повторяющиеся значения кратко таким способом называется кодированием по длине прогона. Это будет без потерь, потому что мы можем восстановить закодированные данные точно в том виде, как это было раньше.

Размер файла сплошного черного изображения JPEG намного больше, чем четыре байта, потому что помните, что в слое DCT сжатие применяется к  блокам 8×8 одновременно. Поэтому, как минимум, нам понадобится один коэффициент DCT для каждого блока в 64 пикселя. Нам нужен только один, потому что вместо сохранения одного коэффициента DCT, за которым следуют 63 нуля для этого изображения, кодирование по длине прогона позволяет нам просто сохранить одно число и сказать «остальные равны нулю».

Дельта-кодирование – это метод хранения каждого байта в качестве относительного значения по сравнению с чем-то перед ним, вместо сохранения его абсолютного значения.

 

Для этого этапа характерно то, что здесь происходит запись заголовков в JPEG. Заголовки – это первые около 500 байтов, которые содержат метаданные об изображении, такие как его ширина и высота. Без заголовка практически невозможно (или, по крайней мере, очень трудно) декодировать изображение JPEG. Каждое изображение JPEG сжимается с кодом, который специфичен для этого конкретного изображения. Эти коды определены в словаре, хранящемся в заголовке. Этот метод называется кодированием Хаффмана, а словарь (алфавит) называется таблицей Хаффмана. Каждый компонент цвета может иметь свою собственную таблицу Хаффмана.

Таблицы Хаффмана оказывают такое сильное влияние на изображение, потому что они говорят нам, как читать отдельные биты. До сих пор мы имели дело с двоичными числами в десятичном виде. Это скрывает тот факт, что если вы хотите сохранить число 1 в байте, оно будет выглядеть как 00000001, потому что каждый байт должен иметь ровно восемь битов, даже если ему нужен только один бит.

Это потенциально огромная трата хранилища, если у вас много небольших номеров. Кодирование Хаффмана – это метод, который позволяет нам ослабить это требование о том, что каждое число должно занимать восемь битов.

 

 

Как декодировать JPEG изображения?

Зная этапы процесса сжатия (кодирования) картинки, описанные выше, мы сможем представить себе процесс чтения (декодирования) изображения в формате JPEG. Для этого нам нужно:

  1. Извлечь таблицу(ы) Хаффмана из заголовка и декодировать биты.
  2. Извлечь коэффициенты дискретного косинусного преобразования для каждого компонента цвета/яркости, для каждого блока 8×8, без кодировки длин серий и дельты.
  3. Объединить волны косинуса, основанные на коэффициентах, чтобы получить значения пикселей для каждого блока 8×8 (это называется обратным дискретным косинусным преобразованием).
  4. Увеличить компоненты цветности, если они были подвергнуты выборке (эта информация содержится в заголовке).
  5. Преобразовать полученные значения YCbCr каждого пикселя в RGB.
  6. Отобразить картинку в JPEG на экран!

 

 

Это довольно большая работа, которая делается программой только для того, чтобы вы могли увидеть простую картинку с изображением котика!

 

 

Как правильно сохранять фотографии в формате JPEG

Учитывая все достоинства и недостатки файлового формата JPEG, которые мы рассмотрели выше, вы сможете эффективно сохранять изображения в этом формате. Это позволит вам сэкономить дисковое пространство на компьютере и при этом сберечь высокое качество изображений.

Многие фотографы делают основную ошибку: фотографии других, более «тяжелых» графических форматов, для экономии места переводят в формат JPEG, обрабатывают несколько раз и при этом еще сильно сжимают. Все это можно делать только с копиями фотографий. Не забывайте, что формат JPEG предназначен в основном для эффективного просмотра изображений, а не для последующих обработок и доработок.

Если вы делаете фотографии в формате JPEG, а затем хотите их качественно обработать, тогда сначала их следует перевести в формат PSD или TIFF. Эти форматы будут иметь большой размер, но зато у них не будет тех недостатков, которые присущи файлам JPEG. Только после окончательного завершения обработки фотографии вы можете сохранить ее в формате JPEG.

Для улучшения качества фотографий в формате JPEG, при сохранении всегда устанавливайте цветовой профиль sRGB. Этот профиль поддерживается всеми графическими программами, всеми техническими устройствами и на всех платформах. В результате ваши фотографии будут выглядеть везде одинаково.

 

 

На сегодня все. Надеемся, что данная статья была вам полезна и интересна. Если у вас есть какие-то вопросы или замечания по данной теме, не стесняйтесь их озвучивать в разделе комментирования ниже.

Спасибо, что читаете нас!

 

 

Теги: Web, фото

  • 2445