為什么JPEG仍然是網絡圖像的主導格式

大約30年來，JPEG一直是萬維網的主要圖像格式。不過，網絡誕生之初所采用的圖像格式并不是JPEG。事實上，第一個主流圖像瀏覽器NCSA Mosaic最初并不支持嵌入式JPEG文件，只支持嵌入式GIF以及其他一些已經被遺忘的格式。無論如何，相比被其取代的格式，JPEG有許多優點。

盡管JPEG沒有隨著網絡瀏覽器一起出現（JPEG正式發布兩年后的1994年，使用JPEG標準的圖像才首次出現在了網景瀏覽器中），但JPEG和網絡瀏覽器還是自然而然地結合了起來。JPEG文件的圖像退化過程比GIF文件更優雅，能夠保留圖片的更多原始形態。這種特性使其實現了更廣泛的成功應用。雖然JPEG不能制作動畫，但它從使用調制解調器上網時代緩慢加載的格式起步，逐步發展成為足以用于高端專業攝影的圖像格式。

就互聯網的目的而言，雖然圖片退化很重要，但它并非JPEG在數字世界中實現巨大價值的唯一因素。還有一個重要的原因是，它是由眾多貢獻者共同構建的文檔化標準。

想知道JPEG作為標準有多重要？可以先聽一個故事。

在史蒂夫·威爾海特（Steve Wilhite）因創造GIF格式而獲獎之前，2013年他接受了《紐約時報》的采訪，隨后無意中卷入了一場辯論。

簡單地說，就是沒有人知道他所倡導的圖像格式（Graphics Interchange Format）的首字母縮略詞怎么發音。他嘗試利用這個機會做出解釋：它的發音就像花生醬品牌，“是一個柔和的‘G’，讀作‘jif’，就是這樣。”他說。

當時，我把威爾海特的這句話發布在了我很受歡迎的Tumblr頁面上，當時這家社交媒體網站是應用GIF的熱門網站。不久之后，我的帖子被轉發了數千次，幾乎所有的人都不同意威爾海特的觀點。很快，威爾海特的這句話成為了一個表情包。

這一插曲凸顯了一個事實，那就是，2022年去世的威爾海特并沒有通過正式的委員會機制發展他所創造的格式。1987年，他作為CompuServe的員工接手了這個項目，然后他創造了這種格式，僅此而已。他可以說它應該讀作“jif”，因為這是他創造的。介紹其工作原理的初始文檔也非常簡單。38年過去了，我們還在使用GIF，但它從來沒有像JPEG那樣出名過。

大約5年后，JPEG正式出現，該格式在很大程度上并不是由某一個人開發的。實際上，這是事實標準和實際標準之間的區別。事實證明，這對它最終的普及至關重要。

聯合圖像專家組（Joint Photographic Experts Group）與數十個利益相關者一起合作，目標是創造一種符合每個人需求的格式。確切地說，該格式的名稱是設計該格式的委員會的首字母縮寫。1992年，這種格式最終面世時，有一本600多頁的書以此為主題，這本書令人驚艷的封面展示了同一張JPEG圖片的一系列版本。

由IBM員工與JPEG組織利益相關者威廉姆·B.彭內貝克（William B. Pennebaker）和瓊· L.米切爾（Joan L. Mitchell）撰寫的《JPEG：靜態圖像數據壓縮標準》（JPEG: Still Image Data Compression Standard，施普林格出版社，1992年）一書介紹了由于缺乏一種方法來平衡對圖像逼真度和即時性的需求，因此造成的多媒體圖像發展受限制的現象。他們認為，標準化可以解決這個問題。“問題不在于缺乏圖像壓縮的算法（因為該領域已經有很悠久的技術工作歷史了），”作者寫道，“而是缺乏一個標準算法，一個允許在不同的應用程序之間交換圖像的算法。”

他們的想法是正確的。30多年來，JPEG實現了高質量、高分辨率圖片在操作系統中的廣泛應用。盡管我們不再需要對JPEG進行極限壓縮，但這種能力正是現代互聯網發展不可或缺的推動力。

正如書中所述，米切爾和彭內貝克得到了IBM的支持，得以跟蹤這項研究并與JPEG委員會合作。憑借這種支持，他們開發了許多JPEG格式的基礎專利。米切爾、彭內貝克和兩位同事在1988年提交的專利文件中介紹了IBM以及美國電話電報公司（AT&T）和佳能等JPEG標準委員會的其他成員開發的方法，這些方法使用了壓縮技術，從而使得高質量圖像在受限環境下更易于傳輸。

委員會的每個成員都有自己的需求。顯然，佳能更注重打印機和攝影，而美國電話電報公司主要對數據傳輸感興趣。這些公司共同努力，形成了一個經得起時間考驗的標準。

有趣的是，這一切意味著，能夠使用JPEG壓縮的程序最早并沒有出現在mac OS或Windows中，而是出現在了米切爾和彭內貝克所屬的IBM公司所創建的OS/2這個優秀但最終失敗的圖形操作系統中。早在1990年，OS/2就可以通過OS/2圖像支持應用程序支持這種格式。

JPEG文件與PNG文件或GIF文件的區別在于數據壓縮的退化程度。JPEG圖像的目標是在完成所有壓縮處理后仍能保持照片般的視覺效果，即便需要壓縮至合理尺寸才能正常運行，這種格式也能讓你用更少的字節數盡量還原原始圖像。

或者，正如彭內貝克和米切爾所說的那樣：“最有效的壓縮是通過近似原始圖像（而不是完全復制原始圖像）來實現的。”

其核心是一種名為離散余弦變換（DCT）的壓縮過程，這是一種有損的壓縮編碼形式，廣泛用于各種壓縮格式中，尤其是在數字音頻和信號處理中。（有損壓縮會永久性地刪除一些原始數據，以便實現更小的文件；無損壓縮則會發現數據中的冗余以縮小文件大小，同時保留原始質量。）從本質上來說，DCT通過去除細節來提供低質量的產品，同時通過近似來保留原始產品的核心。DTC越強，最終結果的壓縮程度越高。

20世紀70年代，研究人員開發的該算法采用了數據網格，并將其視為可通過旋鈕調節頻率的系統。控制數據的速率就像水龍頭控制水流一樣，需要的數據越多，設置的數據速率就越高。即便在高度壓縮的情況下，DCT仍然能維持少量數據流，盡管這意味著畫質會略有降低。換言之，雖然壓縮過程中無法保留全部數據，但DCT能確保數據的核心部分得以留存。

DCT無處不在。例如，觀看流媒體視頻或收聽在線廣播流時，由于帶寬突然下降而導致觀看或收聽質量下降，這時DCT就大顯神通了。

正如《JPEG：靜態圖像數據壓縮標準》一書所解釋的那樣，JPEG文件并非只能通過一種方法來運用DCT：

JPEG標準描述了一系列圖像壓縮技術，而不是單一的壓縮技術。它提供了壓縮技術的“工具包”，應用程序可以從中選擇能夠滿足其特定需求的元素。

該工具包有4種模式：

順序DCT（Sequential DCT），這種模式會按順序顯示壓縮圖像，就像慢慢地放下窗簾一樣。

漸進式DCT（Progressive DCT），這種模式會以最低的分辨率顯示完整的圖像，然后隨著信息的增加而添加細節。

無損順序式（Sequential Lossless），這種模式使用了窗簾格式，但不會壓縮圖像。

分層式模式（Hierarchical Mode），這種模式結合了前3種模式，因此該模式可能會從漸進式模式開始，然后緩慢加載順序無損壓縮，之后達到無損的最終效果。

JPEG標準創建時，峰值速度為14.4千比特/秒的撥號調制解調器非常普遍。這意味著圖像加載緩慢，因此漸進式DCT成為了最適合早期互聯網的格式。隨著時間的推移，漸進式DCT越來越不常見，因為許多計算機可以輕松實現一次加載順序DCT。

使用DCT壓縮圖像時，在圖像中比較雜亂、紋理較多的區域（例如頭發或枝葉），變化往往不明顯。這些區域更難壓縮，因此這些區域能更長時間地保持完整性。在純色圖像中或從一種顏色急劇變化為另一種顏色的區域，壓縮造成的變化往往更明顯。截取社交媒體帖子的屏幕截圖后，圖像可能會布滿噪點，這就是一個制作JPEG文件的過程。

PNG等其他格式則在文本處理方面表現很好，因為其壓縮算法是無損的。PNG的壓縮格式Deflate是由菲爾·卡茨（Phil Katz）設計的，他還創建了ZIP格式。PNG使用Deflate的部分原因是，它是一種免許可的壓縮格式。事實證明，這位杰出的程序員雖然一直在與酗酒做斗爭，但他在不幸去世以前以多種方式改善了互聯網。

盡管JPEG歷史悠久且已經成熟，但它仍然是我們在互聯網上分享照片的最佳選擇之一。雖然它并不是適用于任何環境的最佳工具，但就像我們有時會把扳手當錘子用一樣，我們也經常這樣利用JPEG。

20世紀90年代，JPEG之所以流行起來，不僅僅是因為這種格式有質量優勢。專利也發揮了作用，從1994年開始，科技公司Unisys就試圖對依賴GIF文件的個別網站收費，因為這些網站使用了該公司擁有的專利。這使得免費使用的JPEG更受歡迎了。（這種情況也促使了無專利的PNG格式的誕生。）

雖然JPEG以標準為基礎，但由于專利系統的原因，它仍然可能面臨與GIF相同的命運。在JPEG格式出現的幾年前，Compression Labs的兩名員工提交了一份關于動態圖像壓縮的專利申請。不過，直到JPEG無處不在時，人們才發現它與JPEG壓縮很相似。

1997年，一家名為Forgent Networks的公司收購了Compression Labs。Forgent Networks公司最終發現了這項專利，并開始就此提起訴訟，這場意外收獲被該公司視為了天賜良機。

“從某些方面來說，這項專利就像是一張彩票，”Forgent的首席財務官杰伊·彼得森（Jay Peterson）在2005年向科技資訊網（CNET）表示，“如果5年前你告訴我‘你擁有JPEG專利’，我是不會相信的。”

雖然Forgent對JPEG壓縮算法的所有權主張站不住腳，但該公司最終在法律訴訟中取得了比Unisys更大的成功，并向數碼相機制造商和其他公司收取了超過1億美元的費用。此外，Forgent還試圖向個人電腦行業收取許可費；最終，該公司同意與大約30家電腦制造商達成800萬美元的和解協議。

隨著對其獲取的專利采取越來越激進的維權方式，該公司開始在輿論場和實際訴訟中接連受挫。批評者紛紛援引有關先前技術水平的例子，而法庭則將該專利的適用范圍限定在了視頻等動態用途。

2006年，Forgent Networks公司的壓縮專利過期，其商業訴訟模式隨之終結。同年，該公司更名為Asure Software，專注于薪酬與人力資源解決方案，由此徹底地轉型了。

JPEG為我們提供了很好的服務。要打破這種模式的地位很難。例如，JPEG 2000格式旨在通過提供無損選項和更好的性能來取代原始JPEG。雖然這種較新的格式在美國國會圖書館和美國互聯網檔案館等專業網站得到了廣泛的應用，但作為終端用戶格式卻不太受歡迎。

其他圖像技術在突破JPEG格式的限制方面略有成效。谷歌支持的WebP受到了網站開發者的歡迎（但在終端用戶中存在爭議）。與此同時，與JPEG和JPEG 2000相比，同樣由標準機構開發的格式AVIF和HEIC在技術上更先進。

目前，JPEG仍然很難被淘汰。從某種意義上說，這種格式的處境類似MP3音頻與ZIP壓縮，這兩種傳統格式都非常受歡迎，而且得到了廣泛的應用，因此很難被淘汰。雖然其他格式能夠更好地壓縮文件，更高效地完成同樣的任務，但要推翻一種領先30年的格式非常困難。

來源：悅智網

編輯：夜凌Ryelin

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