Основы алгоритма JPEG – преобразование информации о цвете, хранимой отдельно для всех цветовых составляющих одного пиксела, в область частот с последующей фильтрацией. Проще говоря, для хранения данных о цвете используются не цветовые составляющие каждого пиксела, а сведения о том, как изменяется вклад той или иной составляющей в результирующий цвет. Такие методы обработки основываются на принципах частотного анализа, широко применяемого в радиоэлектронике. В данном случае изменение яркости или цветовых составляющих от пиксела к пикселу описывается в виде набора колебаний (по аналогии с радиоэлектроникой эти колебания молено назвать составляющими сигналами) различных частоты и амплитуды. Такую операцию также называют определением спектра сигнала.

ПРИМЕЧАНИЕ. Преобразование сигналов в набор частотных составляющих осуществляется при помощи так называемого прямого преобразования Фурье. Обратное преобразованиеФурье позволяет синтезировать сигнал по его спектру.

Сохраняя или обрабатывая сигнал (в случае работы с фотографиями – данные, описывающие изображение), вы можете оставить только наиболее значимые составляющие, а остальными пренебречь. Разумеется, часть информации при этом будет потеряна, но данные будут воспроизведены с приемлемой точностью. Обратите внимание на то, что, уменьшая число рассматриваемых составляющих сигнала, мы тем самым уменьшаем объем информации, описывающей этот сигнал, то есть сжимаем данные.

В этом утверждении заложена сущность всех алгоритмов сжатия изображения с потерями. Частью информации можно пренебречь ради того, чтобы воспроизвести изображение с приемлемой точностью и при этом достичь уменьшения объема описывающих его данных. Конечно, при этом теряются некоторые детали изображения, качество снижается, но, разумно выбирая алгоритм и степень сжатия, можно добиться того, что файл с рисунком значительно уменьшится в объеме, а сам рисунок останется пригодным к использованию.

ПРИМЕЧАНИЕ. Даже если не отбрасывать часть информации, потери все равно возникнут. Дело в том, что компьютер производит все операции с определенной точностью. Из-за округления изображение исказится даже при отсутствии сжатия.

Для лучшего понимания основ работы алгоритма JPEG следует рассмотреть особенности восприятия человеком окружающей его реальности. Человеческий глаз более чувствителен к яркости, чем к цветовым составляющим изображения. Если вы переведете изображение в монохромный режим (яркий пример – черно-белый телевизор), то изображенные предметы останутся узнаваемыми – вы сможете сказать, что изображено, и даже определить некоторые свойства объекта, например материал, из которого он состоит. Изображение, содержащее цвета, но лишенное яркостной составляющей, практически невозможно распознать. Вы можете легко убедиться в этом при помощи Photoshop. Просто закрасьте какой-либо рисунок любым цветом (но не черным и не белым) при помощи инструмента Paintbrush (Кисть) в режиме Luminosity (Яркость). При этом все пикселы приобретут яркость цвета кисти.

Итак, у нас в руках два основных компонента алгоритма сжатия изображений JPEG. С одной стороны, разложив некоторый сигнал (в данном случае —это информация об изображении)на частотные составляющие и отбросив самые незначительные из них, мы можем достичь сжатия данных. С другой стороны, человеческий глаз устроен так, что он воспринимает в первую очередь яркость изображения и уже потом —его цветовые характеристики. Это определяет два способа уменьшения объема файла изображения, которые и используются в алгоритме JPEG:

• объем хранимых и передаваемых данных может быть уменьшен путем разложения информации о цвете на частотные составляющие с последующим отбрасыванием самых незначительных из них – лишних;