JPEG格式

JPEG（ Joint Photographic Experts Group）即聯合圖像專家組，是用於連續色調靜態圖像壓縮的一種標準，文件後綴名為.jpg或.jpeg，是最常用的圖像文件格式。其主要是採用預測編碼（DPCM）、離散餘弦變換（DCT）以及熵編碼的聯合編碼方式，以去除冗餘的圖像和彩色數據，屬於有損壓縮格式，它能夠將圖像壓縮在很小的儲存空間，一定程度上會造成圖像數據的損傷。尤其是使用過高的壓縮比例，將使最終解壓縮後恢復的圖像質量降低，如果追求高品質圖像，則不宜採用過高的壓縮比例。 ^[2] 

JPEG可以用有損壓縮方式去除冗餘的圖像數據，用較少的磁盤空間得到較好的圖像品質。而且JPEG是一種很靈活的格式，具有調節圖像質量的功能，它允許用不同的壓縮比例對文件進行壓縮，支持多種壓縮級別，壓縮比率通常在10:1到40:1，壓縮比越大，圖像品質就越低；相反地，壓縮比越小，圖像品質就越高。同一幅圖像，用JPEG格式存儲的文件是其他類型文件的1/10~1/20，通常只有幾十KB，質量損失較小，基本無法看出。JPEG格式壓縮的主要是高頻信息，對色彩的信息保留較好，適合應用於互聯網；它可減少圖像的傳輸時間，支持24位真彩色；也普遍應用於需要連續色調的圖像中。

JPEG格式可分為標準JPEG、漸進式JPEG及JPEG2000三種格式。 ^[2] 

1. 標準JPEG格式；此類型在網頁下載時只能由上而下依序顯示圖像，直到圖像資料全部下載完畢，才能看到圖像全貌。

2. 漸進式JPEG；此類型在網頁下載時，先呈現出圖像的粗略外觀後，再慢慢地呈現出完整的內容，而且存成漸進式JPG格式的文檔比存成標準JPG格式的文檔要來得小，所以如果要在網頁上使用圖像，可以多用這種格式。

3. JPEG2000；它是新一代的影像壓縮法，壓縮品質更高，並可改善在無線傳輸時，常因信號不穩造成馬賽克現象及位置錯亂的情況，改善傳輸的品質。

JPEG的性能，用質量與比特率之比來衡量，是相當優越的。它的優點是： ^[3] 

JPEG的缺點是：

JPEG的複雜度之低和使用時間之長，給人以深刻的印象。以下是對於8位/像素的中等複雜畫面的圖像，JPEG所給出的幾個等級作為衡量壓縮編碼效果的準則：

其中位/像素（ bit/pixel）定義為壓縮圖像（包括色度分量）的總位數除以亮度分量的樣本數。 ^[3] 

JPEG成立於1986年，該標準於1992年正式通過，它的正式名稱為“信息技術連續色調靜止圖像的數字壓縮編碼”。在JPEG算法中，共包含4種運行模式，其中一種是基於DPCM的無損壓縮算法，另外3種是基於DCT的有損壓縮算法。其要點如下： ^[4] 

·無損壓縮編碼模式。採用預測法和哈夫曼編碼（或算術編碼）以保證重建圖像與原圖像完全相同（設均方誤差為零），無失真。

·基於DCT的順序編碼模式。根據DCT變換原理，按從上到下、從左到右的順序對圖像數據進行壓縮編碼。當信息傳送到接收端時，首先按照上述規律進行解碼，從而還原圖像。在此過程中存在信息丟失，因此這是一種有損圖像壓縮編碼。

基於DCT的累進編碼模式。它也是以DCT變換為基礎的，但是其掃描過程不同。它通過多次掃描的方法來對一幅圖像進行數據壓縮。其描述過程採取由粗到細逐步累加的方式進行。圖像還原時，在屏幕上首先看到的是圖像的大致情況，而後逐步地細化，直到全部還原出來為止。

基於DCT的分層編碼模式。這種模式是以圖像分辨率為基準進行圖像編碼的。它首先是從低分辨率開始，逐步提高分辨率，直至與原圖像的分辨率相同為止。圖像重建時也是如此。可見其效果與基於DCT累進編碼模式相似，但其處理起來更復雜，所獲得的壓縮比也更高一些。

JPEG標準1992年通過以來，由於其優良的品質，使得它在短短的幾年內就獲得極大的成功。然而，隨着多媒體應用領域的不斷擴展，傳統JPEG壓縮技術已無法滿足人們對多媒體影像資料的要求。JPEG採用離散餘弦變換將圖像壓縮為8×8的小塊，然後依次放入文件中，這種算法靠丟棄頻率信息實現壓縮，因而圖像的壓縮率越高，頻率信息被丟棄的越多。在極端情況下，JFEG圖像只保留了反映圖貌的基本信息，精細的圖像細節都損失了，為此，JPEG制定了新一代靜止圖像壓縮標準JPEG2000。

JPEG2000與傳統JPEG最大的不同在於，它放棄了JPEG所採用的以離散餘弦變換（DCT）為主的區塊編碼方式，而採用以小波變換為主的多解析編碼方式，其主要目的是要將影像的頻率成分抽取出來。小波轉換將一幅圖像作為一個整行變換和編碼，很好地保存了圖像信息中的相關性，達到了更好的壓縮編碼效果。

JPEG2000有以下特點： ^[4] 

1.高壓縮率

由於在離散小波變換算法中，圖像可以轉換成一系列可更加有效存儲像素模塊的“小波”，因此，JPEG2000格式的圖片壓縮比可在傳統的JPEG基礎上再提高10%~30%，而且壓縮後的圖像顯得更加細膩平滑，這一特徵在互聯網和遙感等圖像傳輸領域有着廣泛的應用。

2.無損壓縮和有損壓縮

JPEG2000提供無損和有損兩種壓縮方式，無損壓縮在許多領域是必需的，例如醫學圖像和檔案圖像等對圖像質量要求比較高的情況。同時JPEG2000提供的是嵌入式碼流，允許從有損到無損的漸進解壓。

3.漸進傳輸

現在網絡上的JPEG圖像下載時是按“塊”傳輸的，因此只能一行一行地顯示，而採用JPEG2000格式的圖像支持漸進傳輸，先傳輸圖像輪廓數據，然後再逐步傳輸其他數據來不斷提高圖像質量。互聯網、打印機和圖像文檔是這一特性的主要應用場合。

4.感興趣區域壓縮

這一特徵可以指定圖片上感興趣區域，然後在壓縮時對這些區域指定壓縮質量，或在恢復時指定某些區域的解壓縮要求。這是因為小波變換在空間和頻率域上具有局域性，要完全恢復圖像中的某個局部，並不需要所有編碼都被精確保留，只要對應它的一部分編碼沒有誤差就可以了。這樣就可以很方便地突出重點。

5.碼流的隨機訪問和處理

這一特徵允許用户在圖像中隨機地定義感興趣區域，使得這一區域的圖像質量高於其他圖像區域，碼流的隨機處理允許用户進行旋轉、移動、濾波和特徵提取等操作。

6.容錯性

JPEG2000在碼流中提供了容錯措施，在無線等傳輸誤碼很高的通信信道中傳輸圖像必須採取容錯措施才能達到一定的重建圖像質量。

8.基於內容的描述

圖像文檔、圖像索引和搜索在圖像處理中是一個重要的領域，MPEG7就是支持用户對其感興趣的各種“資料”進行快速、有效地檢索的一個國際標準。JPEG2000支持基於內容的元數據描述，這可以與MPEG7等標準協同工作以實現高效的圖像檢索。

JPEG XT發佈於2015年6月，擴展了基本JPEG格式，支持更高的整數位深度（高達16位），高動態範圍成像和浮點編碼，無損編碼和Alpha通道編碼。擴展向後兼容基本JPEG/JFIF文件格式和8位有損壓縮圖像。

JPEG XT使用基於JFIF的可擴展文件格式。擴展層用於修改JPEG 8位基本層並恢復高分辨率圖像。現有的軟件是向前兼容的，可以讀取JPEG XT二進制流。 ^[5] 

1.高動態範圍圖像的編碼

JPEG XT是JPEG向後兼容的擴展，用於高動態範圍攝影，使用傳統的基於文本的元數據編碼技術。

2.框式文件格式

JPEG XT指定了一種可擴展的基於框的文件格式，所有後續和未來的JPEG擴展都將基於此格式。指定的格式本身與JFIF，ISO/IEC 10918-5兼容，因此可以被所有現有的實現讀取。

3. IDR編碼

JPEG XT定義了JPEG的擴展，用於9到16位精度之間的整數樣本的向後兼容編碼。它使用可擴展的基於框的文件格式。

4. HDR浮點編碼

JPEG XT擴展JPEG以用於HDR圖像的編碼，即由浮點樣本組成的圖像。並且提供了額外的編碼工具，以滿足低複雜性或硬件實現的需求。

5.無損和近無損編碼

JPEG XT定義了整數和浮點樣本的無損編碼機制。它允許可伸縮的有損到無損壓縮。

JPEG XL發佈於2021-2022。它用一種基於DCT的免版税格式取代了JPEG格式，並允許高效的轉碼作為傳統JPEG圖像的存儲選項。 新的標準旨在超越HEVC HM，Daala和WebP所顯示的靜態圖像壓縮性能。它支持10億×10億像素的圖像、每分量高達32位的高動態範圍以及適當的傳遞函數（PQ和HLG）、合成圖像的補丁編碼（如位圖字體和漸變）、動畫圖像、Alpha通道編碼以及RGB/YCbCr/ICtCp顏色編碼選項。 ^[6] 

1.多通道

多達4099個通道。主通道：一個灰度通道、三個RGB通道或四個CMYK通道。其餘通道是可選的，可用於存儲alpha（“直”或“預乘”）、深度或熱成像數據。

2.漸進式解碼

專為響應加載大圖像而設計的模式，具體取決於查看設備的分辨率。

3.高效的編碼和解碼，無需專門的硬件

JPEG XL的編碼和解碼速度與舊JPEG一樣快，與使用x265的HEIC相比，編碼和解碼速度快了一個數量級，它也是可並行的。

4.支持寬色域和HDR

JPEG XL內置了對各種顏色空間、傳輸曲線和高屏幕亮度的支持。

5.獨立平鋪

通過允許圖像存儲在平鋪中來解碼大圖像的部分。 ^[7] 

JPEG格式的壓縮率是目前各種圖像文件格式中最高的。JPEG格式的壓縮率並不是所有圖像文件格式中最高的，而是取決於圖像內容、壓縮設置和圖像格式本身的特點。在實際應用中，選擇合適的圖像格式需要根據具體的需求和場景來決定。JPEG壓縮算法在具有平滑色調和顏色變化的真實場景的照片和繪畫上表現最佳。它用有損壓縮的方式去除圖像的冗餘數據，但存在着一定的失真。由於JPEG的典型使用是有損壓縮方法，這降低了圖像保真度，因此不適合精確再現成像數據（例如一些科學和醫學成像應用以及某些技術圖像處理工作）。由於其高效的壓縮效率和標準化要求，目前已廣泛用於彩色傳真、靜止圖像、電話會議、印刷及新聞圖片的傳送。由於各種瀏覽器都支持JPEG這種圖像格式，對於Web使用而言，減少圖像使用的數據量對於響應式演示非常重要，因此它也被廣泛用於圖像預覽和製作HTML網頁。 ^[8]