Методи стиснення з втратою даних Решетник 2017

Незворотні (з регульованими втратами даних)	Незворотні (з регульованими втратами даних)	Зворотні	Зворотні
Переваги	Недоліки	Переваги	Недоліки
Застосовується до аудіо-, відеоданих, та графічних даних;	Їх не можна застосовувати до текстових даних.	Зворотні методи стиснення можна застосовувати до будь-яких типів даних; з архіву можна відновити інформацію повністю	вони дають менший ступінь стиснення у порівнянні з незворотними методами стиснення;

Застосування методів стиснення з втратою даних

Оригінальне зображення (lossless PNG, 60.1 KiB) — нестиснений розмір 108.5 KiB

Стиснення зі втратами зазвичай застосовується для зменшення обсягу звукової, фото- й відеоінформації і, як показує практика, для такого роду інформації це набагато вигідніше, але чим більша втрата даних при стисненні, тим помітніші в стиснених даних стають артефакти. Стиснення із втратами має надзвичайно широке застосування. Окрім комп'ютерних програм, стиснення з втратами використовується в потоковому аудіо в DVD, цифровому телебаченні і радіо та потоковому медіа в інтернеті. Перевага методів стиснення із втратами над методами стисення без втрат полягає в тому, що перші істотно перевершують по ступені стиснення, продовжуючи задовольняти поставленим вимогам. Методи стиснення із втратами часто використовуються для стиснення звуку або зображень. У таких випадках розпакований файл може дуже сильно відрізнятися від оригіналу на рівні порівняння «біт у біт», але практично не відрізняється для людського вуха або ока в більшості практичних застосувань. Багато методів фокусуються на особливостях будови органів чуття людини. Психоакустична модель визначає те, наскільки сильно звук може бути стиснений без погіршення сприйманої якості звуку. Помітні для людського вуха або ока недоліки, що виникли через стиснення із втратами, відомі як артефакти стиснення, у комп’ютерній графіці розглядаються як різновид цифрового шуму.

Алгоритми стиснення даних

Алгоритм зображення

Алгоритм JPEG – один з найновіших і достатньо потужних алгоритмів. Практично він є стандартом для повнокольорових зображень. Оперує алгоритм областями 8х8, на яких яскравість і колір міняються порівняно плавно. Внаслідок цього, при розкладанні матриці такої області в подвійний ряд по косинусах значущими виявляються тільки перші коефіцієнти. Стиснення в JPEG здійснюється за рахунок плавності зміни кольорів в зображенні. Алгоритм заснований на дискретно-косинусному перетворенні (ДКП), вживаному до матриці зображення для отримання нової матриці коефіцієнтів.

Фото лісового дикого кота, що показує зменшення ступеня стиснення, а отже кращу якість зображення, зліва направо

High Compression (на 98% менше інформації від оригіналу, 1.14 KiB)

Для отримання попереднього зображення використовується зворотне перетворення. ДКП розкладає зображення по амплітудах деяких частот. Таким чином, при перетворенні ми отримуємо матрицю, в якій багато коефіцієнтів або близьких, або рівних нулю. Крім того, завдяки недосконалості людського зору, можна апроксимувати коефіцієнти грубіше без помітної втрати якості зображення. Для цього використовується квантування коефіцієнтів. У найпростішому випадку – це арифметичний побітовий зсув вправо. При цьому перетворенні втрачається частина інформації, але можуть досягатися великі коефіцієнти стиснення. Процес відновлення зображення в цьому алгоритмі повністю симетричний. Метод дозволяє стискати деякі зображення в 10 – 15 разів без серйозних втрат.

Алгоритм	За рахунок чого відбувається стиснення	Ілюстрація
Wavelet	Поступові переходи кольорів
JPEG	Відсутність різких границь
Фрактальний	Самонагадування елементів зображень

Алгоритм відео

Алгоритм стиснення відео - це методика зменшення розміру файлу цифрового відеозапису за допомогою видалення графічних елементів, які не сприймаються людським оком. Це можливо завдяки тому, що людський зір при аналізі зображення оперує контурами, загальним переходом кольорів і порівняно невідчутний до малих змін в зображенні. Стиснуте відео відрізняється від оригіналу, однак людина це не помічає. Алгоритми стиснення в своїй більшості засновані на дискретно-косинусному стисненні. Виділяють потокові і статичні алгоритми стиснення. Перші працюють з послідовністю кадрів, а інші стискають кожне окреме зображення. Також алгоритми класифікуються залежно від наявності втрат даних при стисненні. Цифрове відео набирає все більшої популярності в сегменті відеоспостереження, а одне з головних переваг його полягає в тому, що камера, яка фіксує спостережуваний об'єкт, може відразу передавати запис на дистанційний пристрій, що значно полегшує процес відеоспостереження. Однак, передача даних по каналах зв'язку завжди пов'язана з пропускною спроможністю каналу і обмежена швидкістю передачі. Для того, щоб відео передавалася максимально швидко, необхідно стиснути його, тобто зменшити обсяг.

Стиснення звукових даних

Стиснення звукових даних (стиснення аудіо) — тип стиснення даних, кодування, що застосовується для зменшення обсягу аудіофайлів або заради можливості зменшення смуги пропускання для потокового аудіо. Алгоритми стиснення звукових файлів реалізуються у комп'ютерних програмах, що називаються аудіокодеками. Винайдення спеціальних алгоритмів стиснення звукових даних вмотивовано тим, що загальні алгоритми стиснення неефективні для роботи зі звуком і унеможливлюють роботу у реальному часі. Можна домогтися кращих результатів при стисненні звуку з втратою частини звукової інформації, розвиваючи методи компресії, які враховують особливості сприйняття звуку. Вони видаляють ту частину даних, яка залишається нечутною для органів слуху. Такі підходи (придушення пауз і ущільнення) широко застосовуються на практиці і входять до багатьох міжнародних стандартів стиснення.

Характеристика основних форматів стиснення звукових даних

Формат	Квантування, біт	Частота дискретизації, кГц	Число каналів	Бітрейт, Кбіт/с	Ступінь стиснення
MP3	плаваючий	до 48	2	до 320	~11:1 з втратами
AAC	плаваючий	до 98	до 48	до 529	з втратами
OGG Vorbis	до 32	до 192	до 255	до 1000	з втратами
WMA	до 24	до 96	до 8	до 768	2:1, є версія без втрат

Аналіз властивостей основних форматів стиснення звукових даних

Формат	Переваги	Недоліки
MP3	Заклав основу ідеї спрощення сигналу шляхом використання психоакустики, має кращі позиції за співвідношенням розмір/якість. Величезна поширеність і популярність. Доступність MP3 практично на всіх існуючих комп'ютерних платформах. Використання змінного бітрейта, що дозволяє при меншому розмірі файлу отримати краще звучання. Велика кількість кодерів	Обмежений бітрейт (320 Кбіт/с), різке падінняякості при зниженні бітрейта. Неможливість професійного застосування (кожне нове збереження розкодованого MP3- запису призводить до погіршення якості). Відсутність у стандарті DRM-можливостей (управління авторськими правами). Помітне падіння якості для сильно стиснутих музичних файлів. Комерціалізованість (кожен виробник, який створює новий MP3-кодер, платить відрахування)
AAC	Має безліч доповнень, спрямованих на поліпшення якості вихідного звукового сигналу. Дозволяє зберігати в закодованому звуковому сигналі інформацію про авторські права (watermarks). Передбачає три профілю кодування (Main, LC і SSR), що впливають на час кодування і якість одержуваного цифрового потоку. У порівнянні з MP3 помітно збільшена ефективність компресії, а якість звучання файлу при бітрейті 128 кбіт/с порівняна з якістю 192 кбіт/с MP3 Дозволяє створювати багатоканальні файли. При кодуванні на низьких бітрейтах є можливість створення файлів AAC HE (високої ефективності).	Технологія watermarks є перешкодою на шляху поширення файлів, створених за допомогою ААС. Не є зворотно сумісним (NBC – non backwards compatible) з рівнями MPEG-1 не дивлячись на те, що являє собою продовження MPEG-1 Layer I, II, III. Велика кількість кодерів AAC несумісні один з одним на тлі тривалого процесу стандартизації. Формат AAC підтримує порівняно невелика кількість програми для кодування звукових файлів.
OGG Vorbis	Використовує оригінальний математичний алгоритм і власну психоакустичної модель. Безкоштовний, відкритий і вільний від патентів. Розрахований на стиснення даних на всіх бітрейтах без обмежень в режимі змінного бітрейта. Передбачена можливість зміни бітрейта потоку без його декодування. Є можливість кодування декількох каналів аудіо (до 255), можливість редагування вмісту файлів. Підтримується потокове відтворення (streaming) в Інтернеті. Дає в середньому помітно кращі результати кодування на середніх і високих бітрейтах в порівнянні з MP3 (160 Кбіт/с і вище).	Для зберігання даних використовується власний універсальний формат. Використання на низьких бітрейтах майже не виправдано. Існує всього декілька кодерів OGG. Після конвертації MP3 в OGG Vorbis до частин аудіосигналу, відкинутих MP3 кодеком, додаються частини, відкинуті кодеком OGG Vorbis, що призводить до погіршення якості. Відмова від патентованих технологій не дозволяє кодеку OGG Vorbis домогтися надвисоких результатів.
WMA	Здатний давати більш високу якість звучання, ніж MP3 на порівняних бітрейтах, особливо, на низьких (нижче 128 Кбіт/c). WMA-файли займають менше місця, ніж MP3, при порівнянній якості. Передбачено кодування без втрати якості, багатоканальне кодування об'ємного звуку і голосу. Висока популярність серед користувачів Windows.	Помітно відстає реалізація апаратними програвачами, в порівнянні з MP3 Вбудована DRM-система обмежує свободу користувача. Кодер WMA всього один Формат WMA має велику кількість помилок різного роду.