PDF stream optimization

PDFストリーム最適化とは、コンテンツの忠実性を維持しながら、PDF文書内のストリームオブジェクトのサイズを削減し、効率を向上させるプロセスです。ストリームは ( Citation: N.A., 2020 (N.A.). (2020). Document management — Portable document format — Part 2: PDF 2.0 .  International Organization for Standardization Retrieved from https://www.iso.org/standard/75839.html ) で定義されているように、PDFファイルの基本的な構成要素であり、ページコンテンツ、画像、フォント、メタデータなどのデータを圧縮または非圧縮形式で格納します。これらのストリームを最適化することで、ファイルサイズの大幅な削減、レンダリングパフォーマンスの向上、PDF配信に必要な帯域幅の削減を実現できます。

PDFストリーム最適化とは、PDFファイルの主要なデータ保持構造であるストリームオブジェクトに適用される技術の集合を指し、ストレージフットプリントの最小化と処理効率の最大化を目的としています。PDF全体を単一の単位として処理する単純なファイル圧縮とは異なり、ストリーム最適化はPDF構造内のオブジェクトレベルで動作し、個々のコンテンツストリーム、画像ストリーム、その他のデータストリームを独立してターゲットとします。

ストリーム最適化は、一般的なPDF圧縮といくつかの重要な点で異なります。PDF圧縮は通常、FlateやLZWエンコーディングなどのフィルタをストリームデータに適用することを意味しますが、最適化はより広範な変換を包含します。具体的には、冗長または重複したストリームの削除、より効率的なアルゴリズムによるストリームの再圧縮、埋め込み画像のサブサンプリングやダウンスケーリング、未使用リソースの削除、より高い圧縮率を得るためのコンテンツストリームの再構築などが含まれます。目標は単にストリームを小さくすることではなく、文書の使用目的に応じてファイルサイズ、レンダリング速度、コンテンツ品質のバランスを取る方法でストリームを整理およびエンコードすることです。

PDF生成、処理、配信システムを扱う開発者にとって、ストリーム最適化はアプリケーションのパフォーマンス、インフラストラクチャコスト、ユーザーエクスペリエンスに直接影響します。大容量のPDFファイルは、より多くのストレージスペースを消費し、転送により大きな帯域幅を必要とし、レンダリングにより長い時間がかかります。これは特に、モバイルネットワークや低速接続でユーザーにPDFを提供するWebアプリケーションにおいて問題となります。

ストリーム最適化は、大量の文書ワークフローにおいて重要になります。文書ごとのサイズ削減がわずかであっても、ストレージコスト、コンテンツ配信ネットワーク（CDN）料金、サーバーリソースの大幅な節約につながります。動的コンテンツからPDFを生成するアプリケーションでは、ストリーム最適化の実装により、一般的なシナリオでファイルサイズを50〜80%削減でき、レスポンスタイムを劇的に改善し、サーバー負荷を軽減できます。

さらに、最適化されたストリームは、アクセシビリティとコンプライアンスワークフローを改善します。 ( Citation: PDF Association, 2023 PDF Association(2023). Retrieved from https://pdfa.org/resource/tagged-pdf-best-practice-guide-syntax/ ) で説明されているTagged PDFを扱う際、効率的なストリーム構成により、構造情報とコンテンツストリームが論理的な関係を維持しながらオーバーヘッドを最小化できます。これは、文書構造を解析およびナビゲートする必要がある支援技術にとって特に重要です。

PDFストリーム最適化は、文書構造の異なるレベルで複数の補完的な技術を通じて動作します。

コンテンツストリームの最適化: ページの描画命令を含むコンテンツストリームは、冗長なオペレータの削除、類似コマンドの統合、不要な状態変更の排除によって最適化できます。例えば、複数のテキスト配置コマンドを統合したり、視覚的な出力に影響を与えることなく冗長な色やグラフィックス状態の操作を削除できることがよくあります。

画像ストリームの最適化: 画像ストリームは通常、PDFファイルサイズの最大部分を占めます。最適化戦略には、適切な品質設定での画像の再圧縮、適切な場合の色空間間の変換（白黒コンテンツのRGBからグレースケールへの変換など）、実際の表示解像度に合わせた画像のダウンサンプリング、最適な圧縮フィルタの選択（写真にはJPEG、線画にはFlate）が含まれます。

フィルタ選択と再圧縮: PDF仕様 ( Citation: N.A., 2020 (N.A.). (2020). Document management — Portable document format — Part 2: PDF 2.0 .  International Organization for Standardization Retrieved from https://www.iso.org/standard/75839.html ) は、圧縮のための複数のストリームフィルタを定義しています。最適化では、既存のストリーム圧縮を分析し、異なるフィルタまたはパラメータで再圧縮する可能性を検討します。例えば、LZWエンコーディングで圧縮されたストリームは、Flateエンコーディングでより良い圧縮を達成できる場合があり、フィルタのないストリームは圧縮から大きな恩恵を受ける可能性があります。

重複排除: PDF文書には、複数回使用される同一の画像や繰り返されるフォントサブセットなど、重複したストリームが含まれることがよくあります。最適化では、コンテンツハッシュを通じてこれらの重複を識別し、複数のインスタンスを単一のストリームオブジェクトへの参照に置き換えることで、冗長なデータストレージを削減します。

オブジェクトストリームの統合: 複数の小さなオブジェクトは、オブジェクトストリーム（PDF 1.5で導入）に結合できます。これにより、個別のオブジェクトよりも効率的に圧縮され、PDFファイル構造自体のオーバーヘッドが削減されます。

ストリーム最適化を実装する開発者は、圧縮率と処理時間および品質要件のバランスを取る必要があり、Web表示、アーカイブストレージ、印刷製作などの異なる使用ケースに対して設定可能な最適化プロファイルを提供することが一般的です。

• Content stream（コンテンツストリーム） – PDFページの外観を記述するグラフィックスオペレータを含むストリームオブジェクト
• Stream filter（ストリームフィルタ） – FlateDecodeやDCTDecodeなど、ストリームデータに適用される圧縮またはエンコーディングアルゴリズム
• Object stream（オブジェクトストリーム） – 圧縮された間接オブジェクトのシーケンスを含む特殊なストリームタイプ
• PDF linearization（PDF線形化） – 低速ネットワーク接続でのPDFの段階的レンダリングを可能にするファイル構成技術
• Resource dictionary（リソース辞書） – コンテンツストリームが使用できるリソース（フォント、画像など）を定義するPDF辞書