Jak wygląda JPEG po 100 000 rekompresji?

Z cyklu "moje szalone eksperymenty", czyli co się dzieje z obrazem zapisanym w formacie JPEG, jeśli będziemy go ciągle otwierać i zapisywać?

Do tego doświadczenia posłużyłem się napisanym specjalnym programem który kolejno, aż do znudzenia, otwierał i zapisywał do JPG’a ten sam obraz. I tak 100 000 razy. Nie wchodziłem zbytnio w optymalizację na ten jeden raz, stąd też nieco to trwało.

Pewnie myślicie że po kilkunastu takich operacjach z pierwotnego zdjęcia została sieczka? Prawdę mówiąc też tak myślałem. Jakież było moje zdziwienia gdy się okazało że praktycznie nic się nie zmienia! Ale gdyby to był końcowy wniosek, wpis ten był by nudny, poszedłem zatem o krok dalej :).

Dalszy krok

Początkowo po prostu prowadziłem rekompresje obrazu zapisując go za każdym razem w tej samej jakości. I tak jak wyżej wspomniałem, jakość zdjęcia nie pogarszała się wraz z kolejnymi iteracjami – cały czas pozostawała na określonym poziomie wynikającym z obranego stopnia kompresji.

Dlaczego tak się dzieje? Wynika to wprost z algorytmu JPEG. W dużym uproszczeniu, polega on na zmianie obrazu w drobne gradienty które najlepiej oddają dany fragment rysunku – w zależności od stopnia kompresji są one mniej lub bardziej widoczne. Więcej na ten temat można przeczytać na stronach Wikipedii.

I tak, po pierwszym zapisaniu z formatu źródłowego algorytm JPEG stosuje stratną kompresję zamieniając nasze zdjęcie w owe gradienty. Jeśli powtórzymy tą operację na skompresowanym już JPG’u, to sytuacja powtarza się, z tą tylko różnicą że nie ma już co zmieniać gdyż obraz poddawany kompresji wpasowuje się idealnie w to co zrobił by algorytm JPEG (a co uczynił przy poprzednim zapisie).

Dlatego właśnie, wraz z kolejnymi zapisaniami nie tracimy nic na jakości. Oczywiście pod warunkiem że nic nie zmieniamy na obrazku, oraz za każdym razem stosujemy ten sam stopień kompresji! Jednakże jest to sztuka dla sztuki, po co zapisywać jak nic się nie zmienia?

Nie do końca tak jest. Jeśli wykonamy operację które nie naruszają w sposób stratny zawartości rysunku (np.: zamalowanie twarzy) to możliwe jest ponowne zapisanie bez straty jakości. Do operacji takich zaliczyć możemy obrót o 90 stopni, bądź odbicie w pionie/poziomie. Stąd też właśnie, wbudowana w system Windows przeglądarka obrazów potrafi dokonywać rotacji bez uszczerbku na jakości zdjęcia.

Pamiętaj chemiku młody...

Tak jak mówiłem, powyższy wniosek jest nudny :). Idąc krok dalej, postanowiłem przeprowadzić cały eksperyment jeszcze raz ale tym razem zmieniając poziom jakości kompresji losowo między 95% a 100% – zmieniając tym samym warunki pracy algorytmu JPEG.

I w tym momencie zaczyna robić się ciekawie. Tutaj faktycznie zaobserwujemy już destrukcję obrazu, zobaczcie sami (polecam otwierać obrazki w nowym oknie, gdyż dobroprogramowa galeria dodaje po kilka iteracji ;)).

Jak widać, początkowo proces przebiega bardzo szybko. Im dalej, tym więcej powtórzeń potrzeba aby dostrzec jakie zachodzą zmiany w obrazie.

Wszystko wskazuje na to jakoby sytuacji stabilizowała się, jednak w okolicach 50 000 iteracji obserwujemy coś co można nazwać załamaniem się trendu.

Pomiędzy 60 000 iteracją a dalszymi, aż do 100 000 obserwowane są oscylacje obrazu, tzn. nie zmienia się on w sposób jak na początku, tylko zachowuje się jak szum, coś się przemieszcza delikatnie ale nic już się nie zmienia. Mówiąc w programistycznym slangu, wygląda to jakby obraz wpadł w nieskończoną pętlę.

Na koniec jeszcze raz to samo, ale zaprezentowane na filmie, który bardzo dobrze oddaje tempo zachodzenia zmian.

Podsumowanie

I to w zasadzie już wszystko. Może nie jest to zbyt wiele wnoszący do życia eksperyment, jednak na pewno ciekawy :). Od strony praktycznej, jeśli bałeś się korzystać z systemowej funkcji rotacji zdjęć w trosce o jakoś obrazu, teraz możesz robić to bez najmniejszych oporów.