JPEG XL

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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。[1]JPEG XL格式规范的主要作者有Jyrki Alakuijala、Jon Sneyers和Luca Versari。

名称

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。[2]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。[3]草案是由谷歌提交的PIK[4]和Template:Link-en提交的基于FLIF的FUIF[5]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。[6]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。[7][8]

描述

JPEG XL的提案征集[2]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-{zh-cn:太;zh-tw:兆;}-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[9]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Template:Link-en支持。它还针对无缝处理Template:Link-en等广色域的Template:Link-en、Template:Link-en和转换曲线进行了特别设计。

特点

主要特点有：[10][11][12]

  • 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（230−1）个像素；[13]
  • 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、Template:Link-en、热成像等的额外通道； [13]
  • 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，[13]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。[14]

技术细节

refer to caption
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）。[15]

JPEG XL主要有两种编码模式：

  • VarDCT（Template:Lang，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Template:Link-en衍生的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。[16]
  • 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Template:Link-en、Template:Link-en、热成像和Template:Link-en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。[17]借助哈尔变换的“挤压”（Template:Lang），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模式的图像可藉由模块化“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。[13]

这些模式可由单独的图像特征模型协助：

  • Template:Link-en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Template:Link-en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Template:Link-en。

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[18]。

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。Template:Link-en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Template:Link-en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）。Template:Citation needed

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，还支持数种混合模式，如相加或相乘；[19]
  • 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[20][21]、Adobe[22][23]、Intel与VESA[24][25]、卫报[26][27]、Flickr和SmugMug[28]、Shopify[29]、Krita基金会[30]和Template:Link-en[31]。

编解码器实现

Template:Infobox software

  • 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

官方支持

非官方支持

初步支持

  • Chromium[55]：网页浏览器，自91版至110版提供测试选项。
  • Firefox[56]：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（仅在Nightly开发版本中生效[57]）。

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 Template:Wayback JPEG XL图像编码系统－第1部分：核心编码系统[7]
第2部分 2021年10月13日 ISO/IEC 18181-2 Template:Wayback JPEG XL图像编码系统－第2部分：文件格式[8]
第3部分 2022年10月3日 ISO/IEC 18181-3 Template:Wayback 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 Template:Wayback JPEG XL图像编码系统－第4部分：参考软件

注释

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参考

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外部链接

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  1. ↑ Template:Cite web
  2. ↑ 2.0 2.1 Template:Cite web
  3. ↑ Template:Cite arXiv
  4. ↑ Template:Cite web
  5. ↑ Template:Cite web
  6. ↑ Template:Cite web
  7. ↑ 7.0 7.1 引用错误：<ref>标签无效；未给name（名称）为iso-iec-18181-1的ref（参考）提供文本
  8. ↑ 8.0 8.1 Template:Cite ISO standard
  9. ↑ Template:Cite web
  10. ↑ Template:Cite web
  11. ↑ Template:Cite web
  12. ↑ Template:Cite web
  13. ↑ 13.0 13.1 13.2 13.3 Template:Cite web
  14. ↑ Template:Cite web
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  16. ↑ Template:Cite journal
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