JPEG-kuvaformaatti: pakkaus, laatu ja tiedostopäätteet

JPEG-kuvaformaatti: opi pakkausasetuksista, kuvanlaadusta ja yleisimmistä tiedostopäätteistä (.jpg, .jpeg). Vinkit tallennukseen ja web-käyttöön.

Tietojenkäsittelyssä JPEG-tiedostomuoto on laajasti käytetty menetelmä digitaalisten kuvien pakkaamiseen. Pakkauksen määrää voidaan muuttaa halutun laadun mukaan: korkealaatuinen kuva vie enemmän tallennustilaa, kun taas heikkolaatuinen kuva on pienempi. JPEG on lyhenne sanoista Joint Photographic Experts Group, joka määritteli tämän tiedostomuodon. JPEG-kuvia käytetään yleisesti Internetissä, valokuvauksessa ja digitaalisessa jakelussa, koska formaatti tarjoaa hyvän kompromissin kuvanlaadun ja tiedostokoon välillä.

Miten JPEG-pakkaus toimii

JPEG käyttää menetelmiä, jotka vähentävät kuvan tietomäärää säilyttäen visuaalisesti tärkeimmät yksityiskohdat. Keskeisiä vaiheita ovat:

• Muunnos ja kvantisointi: Kuva muunnetaan taajuusavaruuteen (esim. DCT), ja vähemmän merkitykselliset taajuuskomponentit pyöristetään (kvantisoidaan), mikä aiheuttaa tiedonmenetystä (lossy).
• Värin alinäytteistys: Ihmissilmä on väri-informaatiolle vähemmän herkkä kuin kirkkaus-informaatiolle; usein käytetään 4:2:0- tai 4:2:2-alinäytteistystä värisuotimissa, mikä pienentää tiedostokokoa.
• Huffman- tai aritmeettinen koodaus: Jäljelle jäänyt data pakataan tehokkaasti häviöttömällä koodauksella.

Käyttäjänä huomioon otettavaa

• Laadun ja koon kompromissi: JPEG-työkalut antavat yleensä laadun (quality) liukusäätimen; korkeampi arvo antaa paremman kuvan mutta suuremman tiedoston.
• Uudelleenpakkaus: Jokainen JPEG:n uudelleenkoodaus voi heikentää laatua ja lisätä artefakteja. Siksi muokkaaminen kannattaa tehdä häviöttömässä muodossa (esim. TIFF, PNG tai raw) ja tallentaa JPEG vain lopullisena jakelukopiona.
• Ei paras valinta grafiikalle: JPEG ei sovellu hyvin terävälle tekstille, viivoille tai grafiikoille, joissa tarvitaan selkeitä reunoja — tällöin PNG tai SVG ovat parempia.
• EXIF- ja metatiedot: JPEG-tiedostoihin voidaan tallentaa metatietoja, kuten kameran asetuksia, sijaintia (GPS) ja ICC-väriavaruusprofiileja.

Tiedostopäätteet ja yhteensopivuus

Yleisimmät JPEG-tiedostopäätteet ovat:

• .jpg
• .jpeg
• .jpe
• Lisäksi on olemassa .jfif- ja .jif-variantteja sekä eri laajennuksia joissain järjestelmissä, mutta .jpg ja .jpeg ovat yleisimpiä.

Tiedoston MIME-tyyppi selaimissa ja verkkopalveluissa on yleensä image/jpeg. JPEG on erittäin yhteensopiva lähes kaikkien laitteiden, selainohjelmistojen ja kuvankäsittelytyökalujen kanssa.

JPEG:n rajoituksia ja vaihtoehdot

• Häviöllisyys: JPEG menettää osan alkuperäisestä informaatiosta kvantisoinnissa, mikä näkyy usein pilkullisina alueina ja reunojen artefakteina suurissa pakkaussuhteissa.
• Ei alfa-kanavaa: Perinteinen JPEG ei tue läpinäkyvyyttä (alpha), joten se ei sovi läpinäkyvien grafiikoiden tallentamiseen.
• Uudemmat muodot: Jos tavoitteena on parempi pakkaustehokkuus tai parempi laadun säilytys, kannattaa tutkia myös moderneja formaatteja kuten WebP, AVIF tai HEIC, jotka usein tarjoavat pienemmän tiedostokoon samalla laadulla.

Vinkkejä laadun säilyttämiseen

• Tallenna kuvan muokkausten välissä häviöttömässä muodossa ja vie JPEG vain lopullisena tiedostona.
• Käytä korkeampaa laatua, jos kuvaa aiotaan suurentaa tai tulostaa.
• Vältä toistuvaa JPEG-tallennusta; käytä ohjelmia, jotka voivat muokata kuvan ilman uudelleenkoodausta, jos mahdollista.
• Jos kuva on tarkoitettu verkkoon, kokeile progressiivista JPEG-tallennusta: selain näyttää ensin pienemmän, karkean version ja lataa myöhemmin täyspituisen kuvan.

Yhteenvetona: JPEG on tehokas ja laajasti tuettu kuvaformaatti, joka sopii erinomaisesti valokuville ja monimutkaisille värigradienteille, mutta se ei sovellu kaikkiin käyttötarkoituksiin johtuen häviöllisyydestään ja rajallisesta tuesta läpinäkyvyydelle.

Miten se toimii

YP P_br

Ensimmäinen merkittävä asia JPEG-pakkauksessa on tapa, jolla kunkin pikselin väri tallennetaan. Kuvan jokaiselle pikselille annetaan 3 tavua, jotka määrittelevät sen värin. Kaikilla kolmella tavulla voi olla mikä tahansa arvo välillä 0-255, ja jokainen mahdollinen kolmen tavun yhdistelmä tarkoittaa toista väriä. Useimmissa tiedostomuodoissa värin määrittelyyn käytetään RGB-muotoa. RGB on lyhenne sanoista Red Green Blue (punainen, vihreä, sininen). Se on nimetty näin, koska ensimmäinen kolmesta tavusta kertoo, kuinka paljon punaista pikselin värissä on. Toinen tavu kertoo, kuinka paljon värissä on vihreää, ja kolmas tavu kertoo, kuinka paljon sinistä. Mitä suurempi arvo ensimmäisellä tavulla on, sitä punaisemmalta pikseli näyttää.

JPEG käyttää myös kolmea tavua jokaista pikseliä kohti, mutta se käyttää YP P_br (tunnetaan myös nimellä YC C_br ) -formaattia. Tässä ensimmäinen tavu kertoo, kuinka kirkas pikseli on. Toinen tavu kertoo, kuinka sininen pikseli on. Kolmas tavu kertoo, kuinka punainen pikseli on. Tässä väriformaatissa kirkkaus tallennetaan värin lisäksi. Tämä on hyödyllistä, koska aiomme pakata kuvaa. Koska ihmissilmä näkee kirkkauden paremmin kuin värin, värit tavuihin (P_b -tavu ja P_r -tavu) voidaan soveltaa suurempaa pakkausta. Koska näemme kirkkauden paremmin, käytämme vähemmän pakkausta Y-byteihin, jotta kuva näyttäisi paremmalta pakkauksen jälkeen.

Koska kuvat tallennetaan useimmiten RGB-muodossa, JPEG-pakkauksen ensimmäinen vaihe on yleensä RGB-muodon muuttaminen oikein YP P_br -muodoksi.

Diskreetti kosinimuunnos

JPEG käyttää kuvan esittämiseen kosinifunktioita. Siksi puhumme hieman kosinifunktioista. Kosinifunktio voi näyttää seuraavalta:

Jotta kosinifunktio kuvaisi pikselin väriä, sanotaan, että mitä suurempi kosinifunktion arvo on, sitä kirkkaampi pikseli on. Jos meillä olisi joukko pikseleitä, jotka vaihtelisivat kirkkaasta tummaan ja kirkkaaseen, voisimme käyttää edellä esitettyä funktiota niiden määrittelyyn.

Toiminnolla voisi olla myös korkeampi taajuus. Esimerkiksi näin:

Mutta tässä kohtaa asia muuttuu mielenkiintoiseksi. Voimme myös luoda erilaisia funktioita ottamalla keskiarvon eri kosinifunktioista. Seuraavassa on, miltä näyttäisi, jos ottaisimme keskiarvon kahdesta edellä mainitusta funktiosta:

JPEG:ssä DCT:tä sovelletaan 8 × 8 pikselin lohkoihin.

Kvantifiointi

Toistaiseksi kuvan pakkaamisessa ei ole menetetty mitään tietoa. Tässä vaiheessa suodatamme tietoa pois. Tästä syystä tämä vaihe heikentää kuvan laatua. Jokaisessa 8 × 8 pikselin lohkossa korkeataajuuksiset kosinifunktiot asetetaan arvoon 0. Tämä tarkoittaa, että niillä ei voi enää olla vaikutusta siihen, miltä kuva näyttää, kun se puretaan.

Monet arvot ovat nyt 0, mikä tarkoittaa, että tämä voidaan pakata hyvin helposti. Tämä tehdään Huffman-koodauksen avulla. Huffman-koodaus on JPEG-pakkauksen viimeinen vaihe. Se on myös ainoa vaihe, jossa tiedot todella pakataan.

 
(cos(x) + cos(2x)) / 2  


cos(x)  


cos(2x)  

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mikä on JPEG-tiedostomuoto?

K: Miten pakkauksen määrää voidaan muuttaa?

K: Mitä tapahtuu, jos kuvan laatu on korkea?

K: Missä JPEG-tiedostomuoto esiintyy yleisesti?

K: Mitä tarkoittaa sana "JPEG"?

K: Mitkä ovat JPEG-tiedostojen yleiset laajennukset?

Hae kirjaimella