Формат JPEG для фотографий

Формат цифровых фотографий JPEG это один из самых популярных алгоритмов хранения фотоизображений. Он был разработан в 1987 году группой объединенных экспертов по фотографии. На английском языке это пишется как Joint Photographic Expert Group. По первым буквам этих слов и был назван формат, который произносится как «джейпег».

Файловый формат JPEG изначально создавался для передачи цифровых изображений, в том числе фотографий и текстов по каналам цифровой и факсимильной связи. Для этого был разработан стандарт сжатия данных графической информации, файлы которого могут иметь расширения jpg, jpe, jpeg или jfif.

Алгоритм хранения графической информации, заложенный в файловом формате JPEG, является методом сжатия с потерями, позволяет сжимать данные с достаточно высокой скоростью и эффективностью. В формате JPEG фотографии можно сохранять с глубиной цвета до 24 бит/пиксел и размером их сторон не более 65535 пикселей (2311,93 см).

Сжатие файлов фотографий формата JPEG

Процесс сжатия цифровой фотографии в формате JPEG производится не сразу, а поэтапно. Первым делом цифровое изображение переводится из цветового пространства RGB в YCbCr. В нем компонента Y отвечает за яркость изображения и кодируется полностью. Компоненты Cb и Cr это цветоразностные каналы. Они уменьшают информацию о цвете (рис.1).

Рис.1 Соотношения цветов в формате JPEG для перевода фотографии из цветового пространства RGB в YCbCr.

Затем вся фотография разбивается на отдельные квадраты размером 8x8 пикселей и над каждым из них производится преобразование. При этом каждый квадрат в формате JPEG раскладывается на составные цвета для подсчета частоты появления их по всему полю фотографии.

Такой анализ позволяет выделить необходимую информацию о верхнем диапазоне цветового спектра изображения и частично от нее избавиться. При этом также отбрасывается и часть яркостной информации канала Y, связанная с каналами Cb и Cr. Это почти не заметно на фотографиях, но зато позволяет уменьшить размеры файлов формата JPEG.

Объем удаляемой из файла JPEG информации во время такой обработки сильно зависит от указанного уровня сжатия, и чем он больше, тем хуже качество фотографии. Полученное таким способом изображение уже ни когда нельзя вернуть к первоначальному виду. Именно по этой причине JPEG называется форматом сжатия с потерями (рис.2).

Рис.2 Пример увеличенного фрагмента фотографии формата JPEG с разным уровнем сжатия.

На завершающем этапе сжатия фотографии в формате JPEG 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.

Размер файла после сжатия фотографии в формате JPEG по сравнению с исходным файлом напрямую зависит от детализации изображения и чем больше мелких деталей, тем больше размер файла. Лучше сжимаются те фотографии, где меньше шума и больше плавных цветовых и яркостных переходов. Чем выше контраст, тем хуже сжимается фотография (рис.3).

Рис.3 Файлы этих изображений в формате TIFF имеют размеры 168 Кб. В формате JPEG левая фотография имеет размер 12 Кб, а правая 29 Кб. Разница между изображениями только в цветовом шуме.

Для просмотра фотографий закодированных в формате JPEG сначала их надо декодировать. Этот процесс выполняется специальной программой также поэтапно, но в обратном кодированию порядке. При этом переход из пространства YCbCr обратно в RGB проходит уже по другим заранее определенным соотношениям (рис.4).

Рис.4 Соотношения компонентов YCbCr в формате JPEG для перевода фотографии обратно в пространство RGB.

Преимущества фотографий формата JPEG

Формат JPEG приобрел популярность в цифровой фотографии в связи с тем, что алгоритм его сжатия позволяет сильно сжимать информацию и при этом сохранять плавные переходы яркости и цвета. Файлы формата JPEG могут иметь небольшой размер и при этом сохранять приемлемое качество изображений.

Этот формат используется во всех цифровых фотокамерах для хранения полученных фотокадров. Все фотографии, сохраненные в формате JPEG можно сразу использовать по назначению. У них оптимально подобрана яркость, контрастность и насыщенность. Для их доработки не требуется какой-либо особенной программы. Все делается в фотоаппарате (рис.5).

Рис.5 Примеры стилевых настроек фотоаппарата для фотографий формата JPEG.

Кроме того, при съемке фотографий в формате JPEG процесс обработки изображения и его кодирование занимает намного меньше времени чем, например, в формате RAW. Это позволяет увеличить скорость серийной фотосъемки и количество отснятых кадров, что бывает очень важно для таких жанров фотосъемки как «Спорт» или «Репортаж».

Фотографии в формате JPEG можно без проблем просмотреть на любом электронном устройстве, где есть такая функция: телевизор, компьютер, планшет, сотовый телефон, игровые устройства и другие. Этот стандарт кодирования изображений является универсальным. Он поддерживается на всех основных платформах – Windows, Mac OS, Linux, Android, iOS.

Размер файлов формата JPEG позволяет быстро пересылать фотографии по каналам связи, что делает его незаменимым для сети Интернет. Этот формат является основным для размещения фотографий на фото сайтах, форумах и в социальных сетях.

Недостатки формата JPEG для фотографий

Главным недостатком фотографий формата JPEG можно считать то, что их нельзя сохранять повторно. После каждого сохранения таких файлов они теряют качество изображений и чем больше уровень сжатия, тем их качество хуже. Именно по этой причине не нужно сохранять результаты промежуточной обработки фотографий в формат JPEG (рис.6).

Рис.6 Пример фрагмента одной фотографии до и после трехразового сохранения в формате JPEG со средним качеством.

Еще одним недостатком формата JPEG при редактировании фотографий является то, что он не сохраняет слои и альфа каналы. Например, нельзя отложить обработку фотографий с помощи масок или корректирующих слоев и вернуться к этой работе позже (рис.7).

Рис.7 Пример сложной обработки фотографий в программе Photoshop, результаты которой нельзя сохранить в формате JPEG.

Кроме того, при редактировании цифровых фотографий часто требуется большая глубина цвета, а в формате JPEG он ограничен 256 значениями на канал. Этого недостаточно для высококачественной цветопередачи и также является недостатком фотографий формата JPEG.

Перечисленные выше недостатки формата JPEG создают ограничения в работе фотографа по улучшению фотографий после фотосъемки, но еще есть и другие. Они ухудшают качество изображения фотографии сразу в момент их сохранения в фотокамере или при сканировании фотопленки. К таким недостаткам относятся следующие семь.

1.Искажение цвета.
2.Потеря детализации.
3.Ухудшение резкости.
4.Ореолы вокруг контуров.
5.Ступенчатость линий.
6.Появление шумов.
7.Мозаичность.

Эти недостатки фотографий формата JPEG напрямую зависят от уровня сжатия информации. Для того чтобы свести потери к минимуму следует всегда сохранять первоисточники цифровых фотографий с минимально возможным сжатием или по-другому – с максимальным качеством. При этом существуют разные шкалы для выбора качества фотографий.

Шкала качества фотографий в формате JPEG

При сохранении цифровых фотографий в формате JPEG всегда задается степень сжатия информации в относительных единицах. Чаще всего для этого используется шкала от 1 до 10 или до 12 (рис.8).

Рис.8 Окно программы Photoshop для сохранения фотографий в формате JPEG по шкале качества 1 – 12.

Для более точной установки уровня сжатия встречаются и более мелкие шкалы, например от 1 до 100. Такая шкала используется для сохранения фотографий в формате JPEG при сканировании (рис.9).

Рис.9 Окно TWAIN-драйвера для сохранения фотографий в формате JPEG при сканировании на сканере Epson.

Иногда для сохранения фотографий в формате JPEG применяются более компактные шкалы, состоящие всего из пяти или трех позиций. В таких шкалах выбирается не сжатие фотографии, а качество ее изображения и не цифрами, а словами русского или английского языка (рис.10).

Рис.10 Одно из окон программы Photoshop для сохранения фотографий в формате JPEG по упрощенной шкале.

Самая простая шкала выбора ступени качества для фотографий формата JPEG используется в цифровых фотокамерах. Она состоит всего из трех позиций, которые определяют условный размер файла фотографии. Они обозначаются буквами английского языка «L», «M», «S» от слов Large – большой, Medium - средний, Small – маленький (рис.11).

Рис.11 Две шкалы качества формата JPEG для сохранения фотографий в цифровом фотоаппарате.

При сохранении цифровых фотографий в формате JPEG важно помнить, что на разных шкалах большое число может соответствовать и качеству изображения (рис.8), и коэффициенту его сжатия (рис.9). По своей сути они являются прямой противоположностью.

В первом случаи большему числу соответствует максимальное качество изображения, а во втором минимальное. При сохранении файла формата JPEG легко ошибиться и ухудшить качество фотографии, которое потом нельзя будет восстановить. А кроме этого у формата JPEG есть и другие особенности сохранения фотографий, которые нужно обязательно знать.

Как сохранять фотографии в формате JPEG

Учитывая все достоинства и недостатки файлового формата JPEG надо уметь правильно использовать его для фотографий разного назначения. Это помогает экономить дисковое пространство для их хранения и при этом сохранять высокое качество фотоизображений.

Основной ошибкой многих фотографов является недопонимание самого принципа сжатия информации в файловом формате JPEG. Это приводит к тому, что 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, предназначенными для определенных целей. Важно всегда помнить о том, что формат JPEG предназначен в основном для эффективного просмотра фотографий или для их печати. Но это только в тех случаях, когда фотографии не нужно дорабатывать после фотосъемки или после сканирования.

Для повышения качества фотографий формата JPEG сначала их следует перевести в формат TIFF или PSD. Копии файлов этих форматов имеют большой размер, но зато у них отсутствуют недостатки присущие JPEG-файлам. Опять вернуть фотографии в формат JPEG можно только после окончательного завершения их обработки (рис.12).

Рис.12 Улучшение качества фотографий формата JPEG.

При любых вариантах сохранения цифровых фотографий формата JPEG надо всегда устанавливать цветовой профиль sRGB. Он поддерживается всеми графическими программами, всеми техническими устройствами и на всех платформах. Это позволяет видеть фотографии везде одинаково.

Хотя формат JPEG поддерживает и другие цветовые пространства, из-за их большого цветового охвата некоторые цвета будут обрезаны, и такие фотографии везде будут смотреться по-разному. Для сохранения других цветовых профилей с большим количеством цветов нужно использовать другие файловые форматы. О них читайте в следующих статьях.

Начало