Cientistas da Intel desenvolveram um formato para gravar imagens chamado Spectral JPEG XL, que permite que dados sejam gravados em uma ampla faixa do espectro além do conjunto padrão de vermelho, verde e azul. Até mesmo áreas invisíveis ao olho humano são suportadas.
Fonte da imagem: jcgt.org
Na ciência e na indústria, às vezes é necessário capturar cores que o olho humano não consegue perceber, como as porções ultravioleta e infravermelha do espectro ou certos comprimentos de onda que as plantas precisam para a fotossíntese. Algumas câmeras são projetadas para capturar as diferenças sutis que fazem com que as cores da tinta tenham a aparência que deveriam sob uma determinada luz. Os formatos existentes para registrar essas informações permitem registrar 30, 100 ou mais pontos de dados por pixel, razão pela qual os arquivos aumentam para tamanhos de vários gigabytes – eles se tornam muito pesados para armazenar e analisar.
A solução foi proposta pelos cientistas da Intel, Alban Fichet e Christoph Peters – eles desenvolveram o formato Spectral JPEG XL, que é capaz de gravar dados espectrais, mas também suporta compressão. Os arquivos de imagem digital tradicionais registram informações sobre apenas três cores: vermelho, verde e azul (RGB). Isso é suficiente para a fotografia cotidiana, mas mais detalhes são necessários para realmente capturar as cores. Imagens espectrais são mais precisas porque capturam a saturação não apenas em RGB, mas também em dezenas ou até centenas de comprimentos de onda estreitos. Essas informações detalhadas abrangem o espectro visível, bem como as regiões do infravermelho próximo e ultravioleta, permitindo-nos modelar com mais precisão como os materiais interagem com a luz.
Esses arquivos armazenam dados não apenas em três canais RGB: há muitos outros canais como esses, e cada um representa a intensidade da luz em uma faixa específica e muito estreita de comprimentos de onda. O trabalho científico publicado pelos autores do projeto discute imagens contendo 31 canais e ainda fornece exemplos com 81 bandas espectrais. Esses canais devem capturar uma gama maior de valores de brilho – imagens padrão de 8 bits não são mais suficientes, então números de ponto flutuante de 16 e 32 bits devem ser usados para cada canal.
Há muitas aplicações práticas dessa tecnologia. O fabricante do carro precisa prever com precisão como a pintura ficará sob diferentes condições de iluminação. Cientistas usam imagens espectrais para identificar materiais por suas assinaturas de luz únicas. Os renderizadores precisam dele para simular com precisão efeitos ópticos do mundo real, como dispersão e fluorescência. Astrônomos analisam as linhas espectrais de radiação de uma explosão de raios gama para identificar os materiais presentes na explosão. O formato OpenEXR usado hoje para armazenar esses dados não foi projetado com requisitos tão amplos em mente, e os métodos de compactação sem perdas existentes, como o ZIP, não conseguem reduções significativas nos volumes de dados.
O Spectral JPEG XL usa o método de transformada discreta de cosseno (DCT). De forma simplificada, o princípio de seu funcionamento pode ser explicado da seguinte forma: ao observar as transições de cores do arco-íris, não há necessidade de anotar cada comprimento de onda para entender o que uma pessoa vê. A DCT transforma padrões de ondas suaves em componentes semelhantes a ondas (coeficientes de frequência) que, quando somados, recriam as informações espectrais originais. O MP3 lida com o som de maneira semelhante: em vez de registrar cada pequena vibração como uma onda sonora separada, o formato captura os componentes de frequência importantes que são percebidos pelo ouvido e descarta todo o resto. Assim, o Spectral JPEG XL registra dados que determinam como a luz interage com os materiais, enquanto detalhes menos importantes são compactados. Em seguida, os dados são avaliados: os coeficientes espectrais são divididos pelo brilho total, o que faz com que informações menos importantes não sejam tão danificadas durante a compressão. O fluxo de dados resultante é alimentado em um codec e, em vez de inventar um novo tipo de arquivo, o formato de imagem padrão JPEG XL é usado, no qual dados espectrais especialmente preparados são gravados.
Como resultado, os autores do projeto conseguiram reduzir o tamanho das imagens espectrais em 10 a 60 vezes em comparação com a compressão sem perdas padrão do formato OpenEXR – os tamanhos dos arquivos se tornaram comparáveis às fotografias comuns de alta qualidade. Ao mesmo tempo, recursos importantes do OpenEXR são preservados, incluindo metadados e suporte a alta faixa dinâmica. Algumas informações são perdidas durante o processo de compactação, mas o formato é projetado para descartar primeiro os detalhes menos perceptíveis — artefatos de compactação ocorrem em áreas menos importantes, enquanto informações visuais importantes são preservadas.
Algumas restrições permanecem. O Spectral JPEG XL será amplamente utilizado desde que as ferramentas de software sejam continuamente desenvolvidas e aprimoradas; Implementações iniciais de software podem exigir desenvolvimento adicional para explorar totalmente os recursos do formato. Nem todos conseguirão aceitar o formato de compressão com perdas. Em algumas áreas onde medições particularmente sensíveis são feitas, pode ser necessária uma exploração mais aprofundada de métodos alternativos de armazenamento de dados. O JPEG XL espectral pode ser útil inicialmente para visualização científica e renderização de alta qualidade; Mas muitos setores, desde design de transporte até imagens médicas, continuam gerando grandes quantidades de dados e, com o tempo, as tecnologias de compressão também podem encontrar aplicações aqui.