Новият формат за изображения Spectral JPEG XL ще съхранява ефективно данни, дори при невидими за човешкото око цветове

Учени от Intel са разработили нов формат за запис на изображения, наречен Spectral JPEG XL – той позволява запис на данни в широк спектър отвъд стандартните червен, зелен и син. Поддържат се дори невидими за човешкото око цветове.

В науката и промишлеността понякога има нужда от заснемане на цветове, които човешкото око не може да възприеме, като например ултравиолетовите и инфрачервените части на спектъра или някои дължини на вълните, от които растенията се нуждаят за фотосинтезата. Някои фотоапарати са проектирани да улавят фините разлики, които правят цветовете да изглеждат по начина, по който трябва да изглеждат при дадена светлина. Сегашните формати за запис на такава информация включват запис на 30, 100 или повече точки данни на пиксел, което прави файловете раздути до размер от няколко гигабайта – твърде обемисти за съхранение и анализ.

Решението е предложено от учените на Intel Албан Фише и Кристоф Петерс. Spectral JPEG XL е може да записва спектрални данни, но също така поддържа и компресия.

Традиционните файлове с цифрови изображения записват информация само за три цвята: червен, зелен и син (RGB). Това е достатъчно за ежедневната фотография, но за истинското улавяне на цветовете е необходим по-голям набор от детайли. Спектралните изображения са по-точни, защото записват наситеността не само в RGB, но и в десетки или дори стотици тесни дължини на вълната. Тази подробна информация обхваща видимия спектър, както и близката инфрачервена и ултравиолетова област, позволявайки по-точно моделиране на взаимодействието на материалите със светлината.

Такива файлове съхраняват данни не само в три RGB канала – тези канали се оказват много повече и всеки от тях представлява интензитета на светлината в определен, много тесен диапазон от дължини на вълните. В изследователската статия, публикувана от авторите на проекта се обсъждат изображения, съдържащи 31 канала, като дори се дават примери с 81 спектрални ленти. Тези канали трябва да улавят по-широк диапазон от стойности на яркостта – стандартните 8-битови изображения вече не са достатъчни, така че за всеки канал трябва да се използват 16 и 32-битови числа с плаваща запетая.

Тази технология има много практически приложения. Производителите на автомобили ще могат да предвиждат с точност как ще изглежда боята при различни условия на осветление. Учените използват спектрални изображения, за да идентифицират материалите по техните уникални светлинни подписи. Специалистите по визуализация се нуждаят от него, за да моделират точно реални оптични ефекти като дисперсия и флуоресценция. Астрономите анализират спектралните емисионни линии от гама-изригване, за да идентифицират веществата, присъстващи в експлозията. Използваният днес формат OpenEXR за съхраняване на такива данни не е разработен с оглед на такива широки изисквания, а съществуващите методи за компресия без загуби, като например ZIP не позволяват значително намаляване на данните.

Spectral JPEG XL използва метода на дискретното косинусово преобразуване (DCT). Опростено, той работи по следния начин: когато разглеждате цветовите преходи в дъгата, не е необходимо да записвате всяка дължина на вълната, за да разберете какво виждате.

DCT преобразува гладките вълнови модели във вълнообразни компоненти (честотни коефициенти), от които се възстановява оригиналната спектрална информация, когато се съберат заедно. MP3 аудиото се обработва по подобен начин – вместо да записва всяка малка вибрация като отделна звукова вълна, форматът улавя важните честотни компоненти, които се възприемат от ухото и отхвърля останалите. Spectral JPEG XL записва данните, които определят взаимодействието на светлината с материалите, докато по-малко важните детайли се компресират. След това данните се оценяват – спектралните коефициенти се разделят на общата яркост, така че по-малко важната информация не се уврежда толкова много от компресията. Полученият поток от данни се подава към кодека и вместо да се измисля нов тип файл се използва стандартният формат за изображения JPEG XL, в който се записват специално подготвени спектрални данни.

В резултат на това авторите на проекта успяват да намалят размера на спектралните изображения с между 10 и 60 пъти в сравнение със стандартния формат за компресия без загуби OpenEXR, което прави файловете сравними по размер с обикновените висококачествени снимки.

Запазени са важни функции на OpenEXR, включително метаданни и поддръжка на широк динамичен обхват. Част от информацията се губи в процеса на компресиране, но форматът е проектиран така, че първо да се изхвърлят по-малко забележимите детайли – артефактите от компресирането се появяват в по-малко важните области, докато важната визуална информация се запазва.

Все пак остават някои ограничения. Spectral JPEG XL ще може да се използва широко, ако софтуерните инструменти се разработват и усъвършенстват непрекъснато.

Първоначалните софтуерни реализации може да изискват по-нататъшно развитие, за да се използва напълно пълният потенциал на формата. Не всички ще могат да приемат формата за компресиране със загуби – някои области на особено прецизни измервания може да изискват допълнително проучване на алтернативни методи за съхранение на данни. Първоначално Spectral JPEG XL може да бъде полезен в научната визуализация и висококачественото визуализиране, но много индустрии (от транспортния дизайн до медицинските изображения) продължават да произвеждат големи обеми от данни и с течение на времето технологиите за компресиране могат да намерят приложение и там.