JPEG

出自WordPress Chinese 中文文档

JPEG（发音为/jay-peg/）是一种针对相片影像而广泛使用的一种失真压缩标准方法。使用这种压缩的档案格式一般也被称为JPEG；虽然在所有平台上.jpg是最普遍的，但是针对这种格式一般的扩展名是 .jpeg、.jfif、.jpg、.JPG、或是.JPE。

这个名称代表Joint Photographic Experts Group（联合图像专家小组）。JPEG本身只有描述如何将一个影像转换为字节的数据串流（streaming），但并没有说明这些字节如何在任何特定的储存媒体上被封存起来。一个由独立JPEG小组（Independent JPEG Group）所建立的额外标准，称为JFIF（JPEG File Interchange Format，JPEG档案交换格式）详细说明如何从一个JPEG串流，产出一个适合于电脑储存和传输（像是在因特网上）的档案。在普遍的用法，当有人称呼一个"JPEG档案"，一般而言他是意指一个JFIF档案，或有时候是一个Exif JPEG档案。然而，也有其他以JPEG为基础的档案格式，像是JNG。

JPEG/JFIF是最普遍在万维网（World Wide Web）上被用来储存和传输照片的格式。它并不适合于线条绘图（drawing）和其他文字或图示（iconic）的图形，因为它的压缩方法用在这些图形的型态上，会得到不适当的结果（PNG和GIF格式通常是用来针对这种目的之图形；GIF每一像素只有8位元，并不很适合于用在彩色照片，PNG可以被用来无失真地储存照片，但是档案太大让它不适合在网页上放照片）。

对于JFIF的MIME媒体型态是image/jpeg（定义在RFC 1341）。

编码

在JPEG标准中这个选项大多都是很少使用。当应用到一个拥有每个像素24位元（24 bits per pixel，红、蓝、绿各有八位元）的输入时，这边只有针对更多普遍编码方法之一的简洁描述。这个特定的选择是一种失真资料压缩方法。

色彩空间转换

首先，影像由RGB（红绿蓝）转换为一种称为YUV的不同色彩空间。这与NTSC和PAL彩色电视传输所使用的色彩空间相似，但是更类似于MAC电视传输系统运作的方式。

Y 成份表示一个像素的亮度
U 和 V 成份一起表示色调与饱和度。

这种编码系统非常有用，因为人类的眼睛在 Y 成份可以比 U 和 V 看得更仔细。使用这种知识，编码器（encoder）可以被设计得更有效率地压缩影像。

缩减取样（Downsampling）

上面所作的转换使下一步骤变为可能，也就是减少 U 和 V 的成份（称为"缩减取样"或"色度抽样"（chroma subsampling）。在JPEG上这种缩减取样的比例可以是4:4:4（无缩减取样），4:2:2（在水平方向 2 的倍数中取一个），以及最普遍的4:2:0（在水平和垂直方向 2 的倍数中取一个）。对于压缩过程的剩余部份，Y、U、和 V 都是以非常类似的方式来个别地处理。

量化（Quantization）

人类眼睛在一个相对大范围区域，辨别亮度上细微差异是相当的好，但是在一个高频率亮度变动之确切强度的分辨上，却不是如此地好。这个事实让我们能在高频率成份上极佳地降低资讯的数量。简单地把频率领域上每个成份，除以一个对于该成份的常数就可完成，且接著舍位取最接近的整数。这是整个过程中的主要失真运算。以这个结果而言，经常会把很多更高频率的成份舍位成为接近 0，且剩下很多会变成小的正或负数。

离散余弦变换（Discrete cosine transform）

熵编码技术（entropy coding）

熵编码是无失真资料压缩的一个特别形式。它牵涉到将影像成份以 Z 字型（zigzag）排列，把相似频率群组在一起（矩阵中往左上方向是越高频率之系数，往右下较方向是较低频率之系数），插入长度编码的零，且接著对剩下的使用霍夫曼编码。 JPEG标准也允许（但是并不要求）在数学上优于霍夫曼编码的算术编码之使用。然而，这个特色几乎很少被使用，因为它被专利所涵盖，且它相较于霍夫曼编码在编码和解码上会更慢。使用算术编码一般会让档案更小约 5%。

压缩比率与不自然痕迹（artifact）

在量化阶段时，依照除数的不同，会使结果的压缩比率可能有很多变化。10:1通常可得到无法使用肉眼分辨与原图差异的影像。100:1压缩通常是可行的，但与原图相较，会看起来是明显不自然痕迹。压缩的适当等级是依据要压缩那一种影像而定。

使用万维网的人，可能熟悉这种出现在JPEG数位影像，已知压缩人为现象的不规则现象。这是由于JPEG算法的量化步骤所造成的结果。这种现象在脸部照片中的眼睛四周特别明显。他们可以借由选择压缩的较低水平（不要压缩率太高）来减少这种现象；他们可能借由使用无失真档案格式来储存一个影像来消除这种现象，然而针对照片影像，这样通常会导致更大的档案大小。

解码

解码来显示影像，包含反向作以上所有的过程。

用法

JPEG在色调及颜色平滑变化的相片或是写实绘画（painting）上可以达到它最佳的效果。在这种情况下，它通常比完全无失真方法作得更好，仍然可以产生非常好看的影像（事实上它会比其他一般的方法像是GIF产生更高品质的影像，因为GIF对于线条绘画(drawing)和图示的图形是无失真，但针对全彩影像则需要极困难的量化）。

照片

JPEG压缩的不自然现象可以很好地调和到细微非均匀材质的相片中，因此允许得到更高的压缩率。

医学影像: 少见的JPEG 12位元支援模式

有很多医学的影像系统可以建立和处理12位元JPEG影像。12位元JPEG格式已经是JPEG规格的一部份，但是非常少消费者的程序（或网页浏览器）支援这种不常使用的JPEG格式。

其他失真压缩的编码格式

更新的失真方法，尤其是小波压缩（wavelet compression)，在这些情况下甚至能作得更好。然而，JPEG是一种建立得相当好的标准，拥有很多可使用的软件，包含自由软件，因此到2005年它持续被大量使用。很多小波算法受到专利保护，要在很多软件专案中自由地使用他们，因此是困难或是不可能的。

JPEG委员会现在也已经建立它自己拥有的小波基础标准，JPEG 2000，意图最终能取代原来的JPEG标准。

潜在的专利争议

在2002年 Forgent Networks主张他拥有且将会履行在JPEG技术上的专利权，起因于一个在1986年已经被归档的专利。(美国专利 4,698,672)。这个公告已经引起一阵大骚动，令人想起Unisys试图主张对于GIF影像压缩标准的权利。

JPEG委员会审慎调查这个在2002年所主张的专利，且发现他们因为前案而无效作废。其他的也已推断Forgent并无拥有涵盖JPEG的专利。尽管如此，在2002年和2004年之间，Forgent借由把他们的专利授权给某些30家公司，而获得大约9千万美金。在2004年4月，Forgent控告31家其他公司来强求更多的授权支付。同年的七月，21家较大的电脑公司组成的协会提出反控告，包含使该专利无效的目标。然而，到2005年7月的时候，这场官司仍然持续中（德国新闻连结）。

JPEG委员会在他的明确目标中有一项，是他们的标准在不支付授权金之下是可以被实作的，且他们已从超过20个大型组织中，得到适当的授权权利给他们即将到来的JPEG 2000标准。

无损耗旋转 (lossless JPEG rotation)

虽然任何对JPEG图像的处理都有可能导致因为解压后再压缩而引起的损耗，然而，对于简单的旋转动作，数学上是可以有办法使图像得以旋转而无损图像本身的资料。也就是说，有一种方法可以在无需把图像解压后才可以旋转。这是因为JPEG的档案格式本身是以一个个模块为单位来压缩，所以，只需要把模块重排，再对每个模块旋转，就可以达至无损耗的旋转。

目前只有少数绘图软件支援无损耗旋转，但需要使用者在操作上加以注意。例如：在Adobe Photoshop里，用户若要作无损耗旋转前，必须在加载图像之后立刻用“Save As...”功能储存一个备份。然后当图像旋转过后，由于Photoshop已掌握了图像的基本资料，所以在储存时得以使用原来的设定。若没有作事先储存，Photoshop就会把旋转后的图像重新计算各项参数，并重新对图像进行压缩处理。这样就会造成资料的损耗。