JPEG XL

JPEG XL是一种免版税的位图文件格式，支持有损和无损压缩。它旨在超越现有的位图格式，并成为它们的通用替代。[5]JPEG XL格式规范的主要作者有Jyrki Alakuijala、Jon Sneyers和Luca Versari。

JPEG XL
JPEG XL logo.svg
扩展名.jxl
互联网媒体类型image/jxl[a]
魔术数字FF 0A或00 00 00 0C 4A 58 4C 20 0D 0A 87 0A[2]
开发者
  • 联合图像专家小组
  • 谷歌
  • Cloudinary（英语：Cloudinary）
格式类型有损或无损栅格图像格式
扩展自
标准ISO/IEC 18181[4]
自由格式？是（免版税）
网站

名称

  • JPEG指设计了JPEG格式的联合影像专家小组（Joint Photographic Experts Group）。
  • X指2000年以来的多个JPEG标准的名称：JPEG XT、JPEG XR、JPEG XS（英语：JPEG XS）。
  • L代表“长期”，创建这种格式是为替换旧的JPEG文件格式，并使用足够长的时间。

历史

2017年，JTC1 / SC29 / WG1 (JPEG) 发起下一代图像编码标准（JPEG XL）提案征集。[6]所有提案在2018年9月前提交，随后2019年7月形成委员会草案。[7]草案是由谷歌提交的PIK[8]和Cloudinary（英语：Cloudinary）提交的基于FLIF的FUIF[9]结合而来。

2020年12月25日，伴随着参考软件实现libjxl的0.2版本发布，JPEG XL的比特流格式被最终敲定，这意味着未来的版本将保证对此版本的解码兼容性。[10]此后文件格式与核心编码系统分别于2021年10月13日和2022年3月30日正式标准化。[4][11]

描述

JPEG XL的提案征集[6]提及了下一代图像压缩标准对大幅提升压缩效率（60%）的需求。新标准应该有优于HEIC、AVIF、WebP和JPEG 2000这些静态图像编码的表现，同时提供对传统JPEG格式的无损再压缩选项。

JPEG XL最高能够提供对甚高分辨率图像（每边1太像素）、4099个32位深通道（包含alpha通道）的静态或动态图像及其嵌入预览的有损压缩和无损压缩。它支持针对网络传输的渐进式解码[12]和最小化信头开销特性，以及针对图像编辑和数码印刷的图层、CMYK和专色（英语：Spot color）支持。它还针对无缝处理Rec. 2100（英语：Rec. 2100）等广色域的感知量化器（英语：Perceptual quantizer）、混合对数伽马校正（英语：Hybrid log–gamma）和转换曲线进行了特别设计。

特点

主要特点有：[13][14][15]

  • 更多功能：与传统图像格式（例如JPEG、GIF和PNG）相比，有着更佳的效率与更丰富的功能；
  • 更大尺度：长宽可超过十亿（ ）个像素；[16]
  • 更多通道：最多4099个通道，包括主通道（单通道的灰度、三通道的RGB或四通道的CMYK）、可选的多达4096个可用于透明度、深度（英语：Depth map）、热成像等的额外通道； [16]
  • 多帧支持：支持用于动画的非零时长帧和类似图像软件中图层的零时长帧，且帧的大小不受图像画布大小影响，并支持多种混合模式；
  • 独立图块：允许图像分多图块保存，以支持分块解码大幅图像；
  • 渐进式解码：专为支持不同显示分辨率的响应式加载；
  • 可逆JPEG转码：可实现约20%的数据流压缩；
  • 无损编码：包括无损alpha编码；
  • 类型感知：可根据图像内容使用分别为摄影图像和合成图像优化的两种模式；
  • 低码率优化：在低比特率下相较旧格式质量更可接受；
  • 感知优化：参考编码器默认使用感知色彩空间、自适应量化和保守的默认设置；
  • 色域支持：内置广色域、转移曲线和HDR支持；
  • 动画支持：但编码真实视频时仍建议使用常规的视频编码；
  • 高效编解码：无需专用硬件，JPEG XL的编解码速度即可与使用libjpeg-turbo的JPEG相当，比使用x265的HEIC速度快一个数量级，[16]并可以并行。
  • 开源免费：具有使用三条款版BSD许可证的开源参考实现的免版税格式。[17]

技术细节

 
JPEG XL 编解码器架构图

JPEG XL基于Google的PIK格式和Cloudinary的FUIF格式（基于FLIF）。[18]

JPEG XL主要有两种编码模式：

  • VarDCT（variable-blocksize DCT，可变分块大小离散余弦变换）模式基于与JPEG相同的离散余弦变换算法，但分块不再限定为8×8，而是允许不同大小（2×2到256×256）、非正方形块（如16×8、8×32、32×64）乃至其他变换函数（4种“边角”变种AFV，以及非离散余弦变换的Hornuss变换）。此模式限于三通道色彩，通常使用LMS色彩空间（英语：LMS color space）派生的XYB色彩空间（但为支持重压缩传统JPEG仍支持YCbCr），基于PIK格式的有损模式。[19]
  • Modular（模块化）模式是响应式的，用于高效的无损内容压缩以及近无损压缩。它可被VarDCT在内部用于存储二维数据，即除了交流（高频）离散余弦变换系数之外的所有数据，包括直流图像（1:8抽样图像）、自适应量化权值、滤镜强度。所有附加通道（如透明度（英语：Transparency (graphic)）、深度（英语：Depth map）、热成像和专色（英语：spot color）等）总是使用此模式存储。此模式基于FUIF，并结合了无损PIK、无损WebP和标准化过程中的其他合作成果。[20]借助哈尔变换的“挤压”（squeeze），此模式也支持有损压缩，并实现渐进式特性：图像的质量会随着数据加载过程逐渐改善。

VarDCT模式的图像可借由模块化“挤压”的独立“直流帧”存储的直流系数实现渐进式加载，支持1:16、1:32等抽样比例。“挤压”变换也可以用于将alpha通道和VarDCT模式的色彩通道一同渐进式编码，使两种模式协同工作。

JPEG XL默认使用视觉无损下仍有较好压缩效果的设置。[16]

这些模式可由单独的图像特征模型协助：

  • 向心卡特姆–罗姆样条（英语：Centripetal Catmull–Rom spline）用于编码头发等（参考编码器暂未实现）；
  • 重复的“补丁”，如文字、点和“精灵”；
  • 噪声合成：由于噪声难以压缩，将其剥离然后由解码器重新生成可能更佳。这类似于AV1等现代视频编码的胶片颗粒（英语：Film grain）合成，尽管JPEG XL噪声合成的目的不是模仿模拟摄影胶片的颗粒，而是在像素层级建模数字相机在高感光度设置下的光子噪声（英语：Photon noise）。

JPEG XL编码可以无损地转码JPEG最常用的子类型的文件，实现方式是将JPEG的DCT系属直接拷贝到8×8的VarDCT块，并借助JPEG XL更好的熵压缩算法实现更小的文件大小。此过程是可逆的，可以从转换结果中逐位重建原始JPEG图像，尽管有一些限制条件[21]。

预测是基于逐像素、无辅助信息的去相关器运作的，包括参数化的自校正加权预测器集合。上下文模型（英语：Context model）包括特化的静态模型和强大的元自适应模型，它们考虑局部错误，具有信号树结构和分上下文的预测器选择。熵编码基于LZ77，可使用非对称数字系统（英语：Asymmetric numeral systems）或前缀码（适用于低复杂度的编码器，或减少短数据流的开销）。[来源请求]

动画（多帧）图像不执行高级帧间预测，尽管有一些基本的帧间编码工具可用：

  • 帧可以小于画布大小，只更新画布的一部分；
  • 除了替换前序帧外，帧数种混合模式，如相加或相乘；[22]
  • 在后面的帧中使用“补丁”编码工具最多可以“记住”并引用四帧。

软件

JPEG XL受到了许多科技公司与组织的公开支持，如Facebook[23][24]、Adobe[25][26]、Intel与VESA[27][28]、卫报[29][30]、Flickr和SmugMug[31]、Shopify[32]、Krita基金会[33]和Serif Europe（英语：Serif Europe）[34]。

编解码器实现

JPEG XL参考软件（libjxl）
 
 
首次发布2019年12月27日，​3年前​（2019-12-27）[35]
源代码库https://github.com/libjxl/libjxl[36] 
编程语言C++
操作系统
  • Unix-like
  • Windows
  • Haiku
许可协议三条款版BSD许可证（曾为Apache许可证2.0）
网站jpeg.org/jpegxl  
  • JPEG XL参考软件（libjxl）
    • 三条款版BSD许可证（曾为Apache许可证2.0）
    • 包含组件
      • 编解码库libjxl
      • 编码器cjxl
      • 解码器djxl
      • 快速无损编码器fjxl
      • 图像编码质量基准测试工具benchmark_xl
      • GIMP和Gtk pixbuf插件file-jxl
  • J40：独立、自包含的JPEG XL解码器[1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）
    • MIT许可证，无署名
    • C99单头文件库（无依赖）
    • 名字来源于罗马数字“XL”（即40）
  • libjxl-tiny：简化的JPEG XL编码器实现，针对无透明度的摄影图像[37]
    • 三条款版BSD许可证
  • jxlatte：Java JPEG XL解码器[38]
    • MIT许可证
  • pyjxl：Python JPEG XL解码器[39]
    • MIT许可证
  • jpeg-xl-encode：PHP JPEG XL编码器[40]
    • MIT许可证

官方支持

  • 网页图像转换器Squoosh （页面存档备份，存于互联网档案馆）[41]
  • 数字相机图像导入导出工具Adobe Camera Raw[42]
  • 位图编辑器Affinity Photo[43]
  • 位图编辑器Chasys Draw IES[44]
  • 元数据编辑器ExifTool[45]
  • 多媒体框架FFmpeg[46]
  • 位图编辑器GIMP[47]
  • 图像查看器、照片管理应用gThumb[48]
  • 位图处理工具包ImageMagick[49]
  • 图像查看编辑器IrfanView[50]
  • Linux发行版KaOS[51]
  • 位图编辑器Krita[52][53]
  • Qt和KDE应用[54]
  • 位图查看编辑器XnView MP[55]
  • 网络浏览器Pale Moon[56]

非官方支持

  • Microsoft Windows[57]：通过第三方Windows图像处理组件（英语：Windows Imaging Component）插件，即用于在照片查看器、文件资源管理器等中查看。
  • macOS[58]：通过独立应用程序和Quick Look插件。
  • GTK和GNOME图像查看应用（Eye of GNOME、GNOME Files等）：通过GDK pixbuf插件。[59]

初步支持

  • Chromium[60]：网页浏览器，自91版至110版提供测试选项。
  • Firefox[61]：网页浏览器，处于测试中，自Firefox 90开始可以通过image.jxl.enabled标志开启。

标准化状态

通用名称 部分 首次公开发布日期
（第一版） 		ISO/IEC编号 正式名称
JPEG XL 第1部分 2022年3月30日 ISO/IEC 18181-1 （页面存档备份，存于互联网档案馆） JPEG XL图像编码系统－第1部分：核心编码系统[4]
第2部分 2021年10月13日 ISO/IEC 18181-2 （页面存档备份，存于互联网档案馆） JPEG XL图像编码系统－第2部分：文件格式[11]
第3部分 2022年10月3日 ISO/IEC 18181-3 （页面存档备份，存于互联网档案馆） JPEG XL图像编码系统－第3部分：一致性测试
第4部分 2022年8月5日 ISO/IEC 18181-4 （页面存档备份，存于互联网档案馆） JPEG XL图像编码系统－第4部分：参考软件

注释

  1. ^ 非正式的事实标准[1]

参考

  1. ^ Media Types. IANA. [2022-10-21]. （原始内容存档于2022-10-21）. 
  2. ^ libjxl/doc/format_overview.md. GitHub. [2022-10-20]. （原始内容存档于2022-10-20）. 
  3. ^ 3.0 3.1 fuif/README.md. GitHub. [2019-04-04]. （原始内容存档于2021-04-24）. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 ISO/IEC 18181-1:2022 Information technology — JPEG XL image coding system — Part 1: Core coding system. 
  5. ^ Can JPEG XL Become the Next Free and Open Image Format? - Slashdot. [2021-12-30]. （原始内容存档于2021-12-30）. 
  6. ^ 6.0 6.1 N79010 Final Call for Proposals for a Next-Generation Image Coding Standard (JPEG XL) (PDF). ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 1 (ITU-T SG16). 15 April 2018 [2022-12-08]. （原始内容存档 (PDF)于2022-10-31）. 
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外部链接