Qualità JPEG e dimensione files: un esperimento puramente matematico

[Simone67]

Come anticipato in altro topic mi sono cimentato con un breve esperimento per vedere come si comporta Photoshop (ma più sotto anche un paragone con GIMP, visto che mi sembra che qui molti lo usano) nell'ambito del salvataggio in JPEG alle varie % di qualità. E già qui apro un fronte di discussione: ma cosa intende il produttore del sw per "qualità", dal momento che vi sono in ballo anche questioni molto soggettive come la percezione? Sicuramente il web è ricco di questi trattati. Non mi sono spinto alla ricerca degli stessi ma eventuali segnalazioni potrebbero essere utili per affrontare più profondamente l'argomento (sempre che lo meriti - VEDI CONSIDERAZIONE FINALE SULLA QUALITA', in merito).
Ma andiamo per gradi.
Si parte dall'immagine dell'altare, regolarmente a 15,5 mp in TIFF della Merrill: un altarino nella parrocchia del mio tristissimo paesello. L'ho presa tel quel, senza alcuna modifica. Si noti infatti che non è perfettamente orizzontale ma questo non ci interessa ai fini dell'argomentazione.
L'immagine viene poi salvata in 19 files diversi in JPEG con qualità a scalare dal 100% al 5%. E già qui risottolineo che questo è poco più che un gioco matematico altrimenti non avrebbe senso scendere, come minimo, al di sotto del 50%. Ma a livello puramente matematico, ci vuole!
Nel GRAFICO 1 (e allego anche relativa tabella di valori - TABELLA 1), in ordine da sx a dx le colonne relative a:
- 1^ colonna: dimensione file in bytes
- 2^ colonna: qualità espressa in %  - quindi da 100 a 5 (qui ho usato il formato di esportazione "Esporta per web" altrimenti il canonico "Salva come" mi avrebbe dato una scala più difficile da gestire: 1-12)
- 3^ colonna: dimensione del file espresso in Mibibyte (1 Mbyte = 1.048.576 bytes). Ho diviso per tale valore altrimenti le linee nel grafico sarebbero state su scala ampiamente diversa fra loro ed illeggibili. Chi ha dimestichezza coi grafici, capirà al volo.
- 4^ colonna: rapporto dimensione (come da colonna 3)/qualità (moltiplicato per 100 sempre per ottenere una scala fra le linee leggibile) - ne parliamo dopo

Analizziamo ora il GRAFICO 1.  PREMESSA: per questioni di tempo non ho indicato sull'asse delle ascisse (X) i veri valori della % di qualità. l'1 rappresenta il 100% ed il 20 rappresenta il 5%. Non è difficilissimo individuare il valore desiderato benché non intuibilissimo. Sono comunque lineari: 1=100%, 10=50%, 20=5% (quando avro tempo lo sistemerò - se il motore del forum permette di cambiare le immagini successivamente).
UNICA NOTA DEGNA DI RISALTO PER ME: con sorpresa per me la diminuzione della dimensione del file (linea rossa) è alta all'inizio della % di qualità (100 - 95 - 90 - 85 ecc ecc) e diminuisce progressivamente. Mi aspettavo il contrario: poca diminuzione della dimensione dei files (benché in aumento) al diminuire della qualità o, in parole povere, l'immagine del grafico capovolta in verticale. Qui ci sono di mezzo le c.d. derivate prime, ma evitiamo di complicarci la vita.
Linea gialla: è il rapporto fra la dimensione del file e la qualità. A cosa serve? Serve ad individuare quale SAREBBE il rapporto ottimale di salvataggio. E qui si apre un fronte di discussione (ecco perché il "sarebbe" in condizionale e maiuscolo) che comunque si chiude subito qui: siamo al 40%. Ma questo, come già detto all'inizio, è un puro esercizio matematico e come tutti gli esercizi matematici va contestualizzato (l'aspetto percettivo  - più sotto approfondisco- ed esperienziale - NDR: faccio queste cose per lavoro, per fare dei forecast per le aziende che poi danno risultati che vanno, appunto, contestualizzati. Danno solo indicazioni, sono poi i manager a decidere). Prendiamo tale valore così com'è e dimentichiamocelo perché sappiamo che, salvo problematiche di spazio (disco, hosting web ecc ecc), tale valore è stato più volte individuato nel 90% (i docs GIMP indicano l'85%, ma poco cambia. Non so Adobe cosa suggerisca) anhe perchè oggi, grazie al cielo, l'ultimo problema che abbiamo è quello dello storage.
INOLTRE: il decadimento, oltre ch enon essere lineare (forse l'ho già detto) addirittura si appiattisce  valori molto bassi di qualità. Che senso ha diminuire di molto poco la dimensione del file (e presumo quindi la qualità percepita) al di sotto del 50% (circa) se tanto poi nessuno la userebbe?

MA ALLORA, DOVE ANDIAMO? In nessun posto nuovo. Come ho già detto è un puro esercizio, anche divertente, sull'andamento della dimensione dei files al diminuire della qualità di esportazione in formato compresso con perdita di qualità, il JPEG. Tant'è che, per chi fosse incuriosito, allego anche grafico (GRAFICO 2) dove si compara il decadimento della dimensione dei files tra PS e GIMP (avrei voluto riportare anche la relativa tabella ma non si può per limite di files caricabili direttamente e poi non sarebbe stata di molta utilità).

Non mi dilungherò molto sul significato di questo esercizio (fatto una domenica pomeriggio della 5 giornata di maltempo quando sono in vacanza al mare...).

QUESTO E' INVECE IMPORTANTE: c'è un aspetto che andrebbe analizzato per bene ed introdotto in questa comparazione altrimenti la stessa rischia di essere, come del resto lo è, poco più che un giochetto per soddisfare curiosità: MA COSA E' ESATTAMENTE LA QUALITA'? Quando un sw mi esporta al 50%... cosa intende esattamente per qualità 50%? Francamente non saprei a quali santi appellarmi per trovare un metodo scientifico per dare un valore a tale qualità. Servirebbe, penso un qualche cosa in grado di analizzare file per file e conforntarlo con il file originario in TIFF e che restituisca un qualche parametro OGGETTIVO (entità del disturbo introdotto con la compressione? E quale disturbo?). A questo punto SI che potremmo veramente avere qualcosa di più scientifico in termini di rapporto dimensione/qualità.

Vediamolo così: un giochetto. Quindi, buon divertimento; prossimo step: ma davvero JPG e JPEG non sono la stessa cosa?

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AGGIUNTA DELLE 19:27:
1) se anche avessimo uno strumento scientifico per rilevare oggettivamente il rumore rimane il fatto che poi se l'immagine è stampata occorre introdurre la variabile "distanza di visione" er le ragioni che potete immaginare.
2) da un lato il divario tra dimensione dei files al 100% ed al 95/90%. Se da un lato mi sorprende, da un lato conferma quello che sappiamo e che Antonello ha più volte ribadito: andare oltre il 90% rende poco qualitativamente e disturba molto la dimensione del file. Altre ragioni per cui altri approfondimenti, benché interessanti, sarebbero inutili.
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Simone

PS1: notare come in primis GIMP generi dei JPEG più grossi per poi scendere molto più velocemente di PS...
PS2: il decadimento è più veloce in GIMP che non in PS

[Italo]

Secondo me i valori "Qualità" con le diverse scale sono espressioni empiriche complementari dello stesso parametro "Compressione" il cui andamento, entro certi limiti, non riflette un proporzionale degrado visuale dell'immagine.

[Simone67]

Secondo me i valori "Qualità" con le diverse scale sono espressioni empiriche complementari dello stesso parametro "Compressione" il cui andamento, entro certi limiti, non riflette un proporzionale degrado visuale dell'immagine.

Tant'è che PS ha una sua curva e GIMP un'altra. Se usassero lo stesso metro di misura che, potrebbe nascere da qualche studio, sarebbero sovrapponibili.

[Sardosono]

Allora facciamo alcune considerazioni.

Qualità
Il concetto di qualità NON è oggettivo, ma squisitamente soggettivo. Ne parliamo come se fosse un qualcosa di definibile ma non lo è, non esiste alcuna definizione oggettiva di cosa sia né di cosa dovrebbe essere la qualità. Inutile cercare in rete, le "definizioni" che si possono trovare sono solo sciocchezze inventate da qualcuno e poi "copia-incollate" da altri.

Compressione
La compressione consiste nella riduzione dello spazio occupato da un insieme di informazione. Nel caso che interessa a noi l'informazione in questione è quella che rappresenta una immagine. Tale compressione può essere di due tipi: CON oppure SENZA perdita di informazione. Se si vuole mantenere interamente l'informazione presente, allora la compressione può essere molto limitata. Se invece si vuole ottenere una maggiore compressione, allora è indispensabile sacrificare una parte dell'informazione contenuta: più si vuole comprimere, più informazione si deve sacrificare.

JPEG e Qualità
Nelle specifiche formali del jpeg nessuno si è mai sognato di parlare di "qualità", perché tra coloro che l'hanno ideato, messo a punto e tutt'ora lo mantengono, nessuno era o è rimbambito. Questo parametro regola unicamente il grado di "comprimibilità" (attenzione: NON la "compressione", ma la "comprimibilità", che sono concetti differenti). Quindi, chiamare "qualità" questo parametro è ovviamente senza senso, ma i produttori di software la chiamano così per ragioni di marketing, come vedremo tra poco.

Quantità di Informazione e Qualità
Dato che come abbiamo detto la Qualità non è un concetto oggettivo, non ha alcun senso porre la qualità in relazione ad un concetto oggettivo e misurabile come la quantità di informazione: sarebbe come misurare la bellezza di un brano musicale in base alla sua durata. Tuttavia, per ragioni di marketing, i produttori di software hanno deciso di infischiarsene e di usare la Quantità di Informazione come sinonimo di Qualità, sulla base del principio che "maggiore è la quantità di informazione migliore è l'immagine" e che viceversa "riducendo la quantità di informazione si riduce anche la qualità dell'immagine". Purtroppo questo principio, per quanto plausibile, è una sciocchezza. Infatti, oltre un certo punto, l'immagine non trae più alcun giovamento dall'aumento della quantità di informazione; anzi, se sono presenti artefatti allora l'immagine può addirittura trarre giovamento da una diminuzione dell'informazione. Insomma, questa equivalenza tra Quantità di Informazione e Qualità è una fesseria inventata dal marketing: la gente ci crede perché è plausibile e suona sensata, ma non di meno rimane pur sempre una fesseria e basta (scusate la mia insistenza, ma in casi come questo il termine "sciocchezza" è troppo blando  )

JPEG
Il jpeg non è un singolo algoritmo (come erroneamente si crede) ma un contenitore per una famiglia di algoritmi, tra l'altro parametrati. Quindi due differenti software come PS e GIMP possono benissimo produrre due differenti jpeg pur partendo dalla stessa immagine e con lo stesso parametro. In ogni caso, gli algoritmi del jpeg sono noti e codificati e funzionano tutti allo stesso modo.

Correlazioni tra dimensione dei file ed il parametro di compressione del JPEG
Si dice che è sempre buona norma chiamare le cose per quello che sono e non per come le chiamano gli altri, tuttavia non è facile definire e dare un nome appropriato a questo unico parametro del JPEG. Certamente adesso sappiamo che non regola la qualità dell'immagine, ma non sarebbe neanche corretto affermare che regoli la compressione, pur essendo ad essa correlata, perché in realtà come abbiamo già detto non regola la effettiva compressione ma la "comprimibilità" (e non chiedetemi di entrare nel dettaglio) e per di più la relazione è anche inversa (più è basso il parametro, maggiore è la comprimibilità).

Cercasi nome per il parametro JPEG...
Onestamente non saprei proporre per questo parametro un nome che fosse sensato ma anche comprensibile: un nome appropriato sarebbe "incompressibilità", ma chi mai lo userebbe e soprattutto chi lo capirebbe? Però, almeno evitiamo di chiamarlo per ciò che non è, ossia non chiamiamolo più "qualità", e nell'attesa di trovare un nome migliore, chiamiamolo semplicemente "parametro" e basta, per esempio con frasi come "l'ho salvato in JPEG con parametro 90".


Considerazione finale
L'algoritmo del JPEG è di natura strettamente "discreta" e discontinua, quindi termini come lineare, logaritmico, inversamente proporzionale, ecc. non sono applicabili in quanto relativi ad algoritmi e funzioni strettamente continue. Pertanto, anche se i grafici ottenuti mostrano una sorta di relazione in proporzione inversa, è meglio evitare di basare su questo fatto qualunque "deduzione" perché sarebbe del tutto improprio.

[Simone67]

Daccordo su tutto però son convinto che un qualche strumento che possa reestituire un parametro che indichi una qualche differenza oggettiva (indipendentemente dal fatto che poi la percezione è unicamente soggettiva) sicuramente esiste e credo di averlo già individuato tra gli strumenti di PS. Però, ripeto, alla fine (e qui ci troviamo daccordo e non può essere diversamente), lascerebbe il tempo che trova perché troppe altre variabili sarebbero in gioco.
Ripeto che lo scopo dell'esperimento (le mie considerazioni a margine dell'articolo poi lasciano il tempo che trovano) era solo di vedere l'andamento dei grafici (che, come ho già scritto, un paio di sorprese me le hanno create).
Per quanto riguarda le definizioni (logaritmico, lineare ecc ecc) sottolineo che stai parlando con un matematico: sono utilizzati solo per dare un'idea di quello che ho in testa e vanno presi solo a titolo approssimativo. Se non fossi stato cosciente di ciò avrei tirato in ballo anche le derivate prime e i differenziali. Ma per cosa?
S.

[Sardosono]

... sono utilizzati solo per dare un'idea di quello che ho in testa e vanno presi solo a titolo approssimativo.

Certo, Simone, questo l'avevo ben capito, infatti la mia precisazione non era rivolta a te ma a chi legge. Mi è capitato più di una volta di usare anche io espressioni simili per "rendere l'idea", ma purtroppo sono state spesso prese alla lettera. Sulla base di tale esperienza ho voluto "scoraggiare" il lettore dal basare su questo ulteriori ragionamenti.

... però son convinto che un qualche strumento che possa restituire un parametro che indichi una qualche differenza oggettiva (indipendentemente dal fatto che poi la percezione è unicamente soggettiva) sicuramente esiste...

Infatti è così: di metodi per evidenziare differenze oggettive ce ne sono diversi, semmai i problemi sono due: 1) trovare un modo per renderli utili nella pratica e 2) collegarli in qualche modo alla "idea" di qualità.

Per esempio, partendo dal presupposto che la qualità (qualunque cosa questo significhi) dell'immagine originale possa solo diminuire e mai aumentare, un metodo tutto sommato semplice per evidenziare oggettivamente il "decadimento" di una immagine consiste nel "sottrarre" l'immagine finale da quella originale. Se non ci sono differenze il risultato della sottrazione è una immagine perfettamente nera, altrimenti tali differenze saranno ben evidenti come schiarimenti sul fondo nero. A questo punto basta in qualche modo "misurare la quantità" di queste differenze presenti per avere una sorta di "misura del decadimento dell'immagine".

Ma per quanto questo metodo sia concettualmente semplice, non è abbastanza semplice nell'uso pratico da poter essere interessante per l'utente medio. Però, può essere efficacemente usato per valutare con cognizione di causa i risultati ottenuti: per esempio, puoi provare questo metodo per confrontare uno ad uno con l'immagine originale (in tiff) tutti i vari jpeg che hai salvato con differenti parametri di "comprimibilità", penso che troverai il risultato molto interessante.... 

[Simone67]

Interventi sempre di grande spessore. 
S.

[albertux]

Grazie per questo topic! 

[Simone67]

Si fanno sperando di fare cosa (anche seppur poco) gradita.

S.