画像圧縮の仕組み：非可逆圧縮と可逆圧縮の解説 | Bulk Image Compressor
画像圧縮とは実際には何か？
画像圧縮とは、データを削除してファイルサイズを減らすことです。それが全体のコンセプトです。たとえば5MBのファイルを500KB以下に縮小します。常に問題となるのは：どのデータが削除されるのか、そしてその違いに気づくのか？
すべてのデジタル画像はピクセルで構成され、各ピクセルは色情報を保存します。4000x3000の写真は1200万ピクセルを持ち、各ピクセルが24ビットの色データを保存する場合、約36MBの生の情報になります。明らかに、誰も36MBの画像ファイルを扱いたくないので、圧縮します。
これには2つのアプローチがあります：非可逆と可逆です。それらは異なる方法で機能し、異なる結果を生み出し、異なる用途に適しています。
非可逆圧縮：気づかないものを捨てる
非可逆圧縮は、一部の画像データを永久に削除します。一度失われると戻せません。それは悪く聞こえますが、実際には：それはあなたの目が気づきにくいものを削除するように設計されています。
人間の視覚は、色の変化よりも明るさの変化を知覚するのに優れています。また、画像の込み入った複雑な領域の細かい詳細を認識するのも得意ではありません。非可逆圧縮はこれらの両方の事実を利用します。
JPEG圧縮の仕組み
JPEGは最も一般的な非可逆フォーマットであり、その仕組みはかなり巧妙です。
まず、画像は小さな8x8ピクセルのブロックに分割されます。各ブロックは、離散コサイン変換（DCT）と呼ばれる処理を受けます。数学について心配する必要はありません。DCTが行うことは、ピクセルデータを「各位置の色はこれ」から「このブロック全体の変化パターンはこれ」に変換することです。
その変換後、データは量子化されます。これは実際に情報が捨てられるステップです。微妙な高周波の詳細（色と明るさの微小な変化）が丸められるか、削除されます。画像エディタの品質スライダーは、この量子化がどれだけ積極的に行われるかを制御します。
品質95では、ほとんど削除されません。品質30では、多くが削除されます。これら2つの設定間のファイルサイズの差は大きく、多くの場合10倍以上になります。
最終ステップはエントロピー符号化で、これは残りのデータを可能な限り効率的にパッケージ化する可逆ステップです。ファイルをZIP圧縮するようなものと考えてください。
品質のトレードオフ
すべての非可逆圧縮には、ファイルサイズと画質の間のトレードオフが伴います。良いニュースは、このトレードオフは線形ではないことです。品質100から品質80にすると、目に見える差がほとんどなく、ファイルサイズが70%削減される可能性があります。80から60にすると、節約できるスペースは少なくなりますが、アーティファクト（強く圧縮された写真で時々見られるブロック状でぼやけた領域）が現れ始めます。
ほとんどの写真では、品質75〜85が最適です。大幅なファイルサイズ削減が得られ、画像はほとんどの人に素晴らしく見えます。適切なバランスを見つける方法の詳細については、品質を損なわずに画像ファイルサイズを削減する方法のガイドをご覧ください。
可逆圧縮：すべてのピクセルを保持
可逆圧縮は、データを一切削除せずにファイルサイズを削減します。ファイルを解凍すると、元の完全な状態がピクセル単位で戻ってきます。トレードオフは、可逆ファイルは非可逆ファイルよりも大きいことです。
では、何も失わずにファイルを縮小するにはどうすればよいのでしょうか？同じデータをより効率的に記述する方法を見つけることです。
PNG圧縮の仕組み
PNGは最も広く使用されている可逆フォーマットです。フィルタリングとDEFLATE圧縮（ZIPファイルで使用されるのと同じアルゴリズム）の組み合わせを使用します。
圧縮前に、PNGは各ピクセル行にフィルタを適用します。生の色の値を保存する代わりに、各ピクセルとその隣のピクセルの差を保存する場合があります。色が徐々に変化する領域では、これらの差は非常に小さな数値であり、多くの場合ゼロです。小さく繰り返しの多い数値は、ランダムに見える生の値よりもはるかによく圧縮されます。
フィルタリング後、データはDEFLATEを通過し、繰り返されるパターンを見つけてより短いコードに置き換えます。ピクセルのシーケンスが複数回出現する場合、一度保存されて他の場所で参照されます。
結果：元の完全なコピーでありながら、より小さなファイルが得られます。典型的なスクリーンショットやグラフィックの場合、PNG圧縮は品質を損なうことなくファイルサイズを50〜70%削減できます。
可逆が輝く場所
可逆圧縮は、画像に同一色の広い領域、シャープなエッジ、テキストがある場合に最も効果的です。スクリーンショット、ロゴ、図表、UI要素、フラットカラーとクリーンなラインを持つものはすべて、PNGで非常によく圧縮されます。
写真は、すべてのピクセルに変化が多すぎるため、可逆方式ではあまり圧縮されません。可逆圧縮された写真は、品質80のJPEGとして保存された同じ写真の3〜5倍の大きさになる可能性があり、ほとんどの人は違いに気づきません。
各タイプを使用するタイミング
非可逆（JPEG）を使うべき時：
- 写真を扱っている場合
- ファイルサイズがピクセルパーフェクトな精度よりも重要な場合
- 画像がWebで表示される場合
- 多くの画像を一度に圧縮する必要がある場合（バッチ処理にはBulk Image Compressorをお試しください）
可逆（PNG）を使うべき時：
- 画像にテキスト、ロゴ、またはシャープなエッジがある場合
- 透過性が必要な場合（PNGは対応、JPEGは非対応）
- スクリーンショットやUIモックアップを保存する場合
- 後で画像を再度編集する必要があり、品質を保持したい場合
品質設定の実際の意味
画像ツールで品質スライダーを1〜100に調整するとき、量子化ステップでどれだけのデータが捨てられるかを制御しています。しかし、数値はツール間で標準化されていません。Photoshopの品質80、GIMPの品質80、オンライン圧縮ツールの品質80は、すべて異なる結果を生み出す可能性があります。
数値よりも重要なのは出力です。画像を圧縮し、それを見て、ファイルサイズを確認します。見栄えが良く、ファイルが十分に小さければ完了です。見栄えが悪ければ、品質を少し上げて再試行します。
実践的なアプローチ：品質80から始めてオリジナルと比較します。ほとんどの場合、違いは見えません。違いがある場合は、85または90を試します。70を下回ると、ほとんどの写真で圧縮アーティファクトが目立ち始めます。
どちらか一方である必要はない
WebPのような最新フォーマットは、実際には同じフォーマット内で非可逆圧縮と可逆圧縮の両方をサポートしています。ファイルを保存するときにどのモードを使用するかを選択します。この柔軟性が、WebPがWeb画像でこれほど人気になった理由の1つです。フォーマットの違いの詳細については、JPEG vs PNG vs WebPの比較をご覧ください。
結論：圧縮とは、賢いトレードオフを行うことです。非可逆はあなたの目が気づかないデータを削除することで機能します。可逆は同じデータをより効率的に記述することで機能します。どちらをいつ使用するかを知ることで、時間を節約し、可能な限り小さなファイルサイズで画像を良好に保つことができます。
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