Сжатие данных и изображений

Определение

Сжатие — это способ кодирования цифровых данных так, чтобы они занимали меньший объем памяти и требовали для передачи меньше полосы пропускания сети. Выделяют две категории алгоритмов сжатия: сжатие с потерями и сжатие без потерь.

До тех пор пока полоса пропускания сети будет дорогим ресурсом, а люди — нетерпеливыми, сжатие данных не утратит актуальности. Проще говоря, методы сжатия преобразуют данные — текст, графику, аудио или видео — в восстанавливаемый с помощью компьютера формат, при этом объем полученной «информации» составляет 10-99% от исходного. Данные занимают при хранении меньше места и при передаче по Internet требуют меньшей полосы пропускания. Кроме того, многие методы позволяют сжимать несколько файлов в один, называемый архивом.

Для сжатия данных используются методы двух типов — с потерей и без потери данных. Последние сжимают информацию, не искажая ее и ничего не теряя во время этого процесса. После восстановления оригинальный документ идентичен исходному с точностью до бита. Методики с потерей данных позволяют еще больше сжать файл, но некоторые данные при этом теряются безвозвратно.

«Сжатие с потерей данных — это компромисс. Точность приносится в жертву более сильному сжатию, — заметил Стив Хоффеберг, менеджер компании Sound Vision, работающей с цифровыми изображениями. — Если сжимаются банковские записи, должна быть гарантия того, что исходная информация и восстановленная будут идентичны. Но при работе с аудио- и видеофайлами, как правило, вовсе не обязательно восстанавливать каждый бит данных».

Сжатие без потери данных

Программы сжатия без потери данных ищут в документах избыточную или повторяющуюся информацию, а затем ее кодируют. Например, текстовый документ может содержать 200 пробелов, 100 экземпляров одного и того же слова и 50 обращений. Программа ищет эти повторяющиеся слова и пробелы и заменяет их на короткий шаблон или числовой символ — свой для каждого слова и хранящийся в «словаре».

После дешифровки файла шаблоны декодируются, и данные восстанавливаются. Никакая информация не теряется и не искажается.

Сейчас создано множество программ сжатия данных, например StuffIt (для компьютеров Macintosh) компании Aladdin Systems, WinZip (для Windows) компании WinZip Computing, PKZip, разработанный компанией PKWare. Причем PKZip — это самая популярная программа для сжатия данных в DOS и Windows.

Джим Петерсон из компании PKWare подчеркнул, что с распространением Internet сжатие данных будет приобретать все большую важность.

«Сжатие данных весьма актуально, поскольку платить приходится и за память, и за полосу пропускания», — отметил он. Типичные документы, такие как электронные таблицы Microsoft Excel или презентации PowerPoint, можно сжать примерно вполовину, а документы с большим числом повторов можно сжать примерно до 20% их исходного размера.

Сжатие с потерей данных

Для графики, видео- и аудиосигналов, как правило, используется сжатие с потерей данных. С помощью таких методов аудио и видео могут быть сжаты до 5% их оригинального размера, но утраченная информация редко видна невооруженным глазом или определяется на слух. Например, восстановленное изображение может быть чуть менее резким по сравнению с оригиналом — будто на него смотрят через затуманенное стекло.

Еще одна тонкость, как отметил Карл Джерленд, аналитик компании Current Analysis, заключается в том, что соединения, основанные на медной проводке, не в состоянии достаточно хорошо работать с несжатыми аудио- и видеосигналами. «Последняя миля от коммутатора до дома потребителя или офиса компании обслуживается витой медной парой, и здесь, как правило, возникают серьезные ограничения на полосу пропускания, связанные с тем, что данные пересылаются на разных скоростях», — объяснил Джерленд.

Например, для электронных таблиц совершенно не важно, какие пакеты данных приходят первыми. Но при телефонном разговоре или при воспроизведении видеозаписи быстрое изменение скорости передачи может вызвать искажения звука или изображения.

Стандарты на сжатие

Как работает алгоритм сжатия