| сжатие данных

Сжатие данных
Объем памяти персонального компьютера хоть и велик, но все же ограничен. Поэтому всегда стремятся сэкономить место на ней. Для этого применяются архиваторы - программы, позволяющие уменьшить размер файлов (то есть текстов, программ или картинок). Принцип их действия состоит в том, чтобы найти в них повторяющиеся фрагменты и не держать их в памяти целиком. Вместо них записывают служебную информацию, по которой потом, когда нужно извлечь нужную информацию из архива, можно было бы восстановить весь файл в первоначальной последовательности.

Для разного вида файлов эффективность архивации также различна. Тексты можно сжать раза в два, черно-белые картинки без полутонов - от двух до десяти раз, а программы - от нуля до двух раз. В целом с помощью архивации можно получить выигрыш раза в полтора-два. Существует довольно много таких программ-архиваторов. Например, для среды Windows заслуженной популярностью пользуется программа-оболочка WinZip, содержащая архиватор. Однако полезно иметь и побольше других архиваторов, чтобы иметь возможность разархивировать "чужие" тексты и программы.

Один из важнейших выводов теории информации - возможность эффективного сжатия данных, принципиально важная в вычислительной технике и в области средств связи. К. Шеннон обратил внимание на очевидный факт: если элементы данных не передают уникальную информацию, они избыточны, и их можно отбросить. Так всегда поступают репортеры: стремясь при передаче сообщений опередить своих конкурентов, они исключают несущественные слова. Точно также мы поступаем, отправляя телеграмму: ведь за каждое слово нужно платить.

Вспомните текст телеграммы из "Золотого теленка" И. Ильфа и Е. Петрова: "ПРОЕХАЛИ ОРЕНБУРГ ТЧК ТРУБЫ ПАРОВОЗА ВАЛИТ ДЫМ ТЧК НАСТРОЕНИЕ БОДРОЕ ЗПТ ДЕЛЕГАТСКИХ ВАГОНАХ РАЗГОВОРЫ ТОЛЬКО ВОСТОЧНОЙ МАГИСТРАЛИ ТЧК МОЛНИРУЙТЕ ИНСТРУКЦИИ АРАЛЬСКОЕ МОРЕ ЛАВУАЗЬЯН".

К. Шеннон привел такой пример: в английском языке буква U лишняя в тех местах, где она находится после буквы Q. Поэтому, зная, что U следует за каждой Q, при передаче сообщения ее можно опустить. Принципы Шеннона применили к сжатию и аудио- и видеоинформации. Это особенно важно при ее передаче по каналам связи (например, телефонным или радиоканалам). В 30 кадрах, из которых состоит секунда видеозаписи, избыточной информации очень много. При передаче ее можно сжать примерно с 27.000.000 бит до 1.000.000. При этом она не потеряет ни смысла, ни красок.

Принцип экономии за счет повторяющейся информации применяется и в наиболее современных технологиях сжатия информации MPEG (Motion Picture Experts Group). Первоначально она была задумана для сжатия видеоинформации, но потом была использована и для сжатия звуковой и текстовой информации.

При прежнем сжатии видео с помощью программы Мotion -JPEG обрабатывался каждый кадр в отдельности. В технологии MPEG используется поточное сжатие. При этом анализируется динамика изменений видеофрагментов и устраняется избыточная информация. Ведь в большинстве фрагментов фон изображения меняется мало, а действие происходит в основном на переднем плане. В алгоритме MPEG сначала создается исходный ключевой кадр. Далее его размещают последовательно через каждые 10-15 кадров. Потом этот ключевой кадр играет роль опорного при восстановлении остальных изображений. Только те фрагменты, которые находятся между ними и изменяются, сохраняются при сжатии. Это и дает в технологии MPEG значительную экономию места.

Отдельные изображения состоят из так называемых макроблоков. Каждый такой макроблок соответствует участку изображения размером 16х16 пикселов. Компьютер анализирует изображение и ищет одинаковые или похожие макроблоки. Для этого он сравнивает опорный и последующие кадры. В результате этого сравнения сохраняют только данные о различиях между этими кадрами. Макроблоки, которые не изменились, не учитываются. Это и обеспечивает реальное сжатие до соотношения 200:1. Правда, при этом происходит некоторая потеря качества изображения.

Как уже упоминалось, технология MPEG применяется не только для видеофильмов, но и для сжатия звука, кабельного телевидения, спутникового вещания.

Сама аббревиатура MPEG (Moving Picture Experts Group) - это объединенный комитет интернациональной организации (ISO) и интернациональной электротехнической комиссии ((IES). Эта группа экспертов разрабатывает и утверждает стандарты на сжатие цифрового видео и звука.

Принцип сжатия звуковой информации, используемый в MPEG, основан на том, что слух человека несовершенен. В несжатом звуке передается много избыточной информации. Принцип сжатия MPEG использует эффект маскировки некоторых звуков для человека. Если идет сильный звук на какой либо частоте, например 2000 Гц, то более слабый звук на близкой частоте 2100 Гц человек уже не слышит. Кроме того, чувствительность человеческого уха ослаблено на период в 100 мс после и 5 мс до возникновения сильного звука.

По методу MPEG весь спектр частот разбивается на части с одинаковым уровнем звука, а затем удаляются звуки, которые человек не воспринимает.

В современном цифровом телевидении осуществляется передача и прием цифрового видеосигнала, сжатого по алгоритму MPEG-2. Стандарт на него принят европейским союзом телерадиовещания в 1996 году под названием Digital Video Broadcasting (DVB). В США и Японии применяются собственные стандарты, также основанные на MPEG-2. Эти стандарты созданы для передачи и приема цифровых телевизионных сигналов с помощью спутниковых, кабельных и наземных эфирных каналов. Во всем мире сейчас происходит массовый переход наземного эфирного TV к цифровому вещанию с помощью телевизионных ретрансляторов наибольшее распространение имеет спутниковое цифровое TV, а для России оно пока является единственно возможным способом приема цифровых телевизионных сигналов.

Напомним, что в аналоговом телевидении качество телепрограмм зависит от уровня принимаемого сигнала и соотношения сигнал/шум и поэтому все время меняется.

В цифровом телевидении качество телепередач от этих параметров не зависит: оно неизменное и изначально высокое. Если принимаемый TV-сигнал превышает определенный пороговый уровень (при котором 0 можно отличить от 1), то программы принимаются с неизменным качеством, зависящим лишь от качества исходного видеоматериала и скорости передачи цифрового потока.

Сейчас разрабатывается новая методика МPEG-7, рассчитанная на использование в системах мультимедиа. Она позволит:

В области музыки. Сыграв несколько нот на клавиатуре, можно будет получить список музыкальных произведений, которые содержат такую последовательность.

В области живописи. Определив объект (задав его форму и текстуру), можно будет получить список картин, содержащих такой объект.

В области видео. Задав объект и движение, можно будет получить набор видео или анимации.

В области вокала. Задав фрагмент голоса певца, можно получить набор песен и видео роликов, где он поет.

Появление технологии MPEG позволило реализовать возможность слушать музыку с помощью портативных плееров МР3, использующих встроенные Flash-карты памяти.

Алгоритм МР3 дает возможность сжимать музыкальные файлы с практически неразличимой на слух потерей качества до объема, дающего возможность передавать их через Internet. В сети появилась бесплатная фонотека, доступная любому пользователю. Кроме того, имеется возможность прослушать фрагмент песни, и, если она понравилась, заплатить деньги и получить ее целиком. Поэтому технология МР3 составляет серьезную конкуренцию покупке аудиокассет и CD-дисков в музыкальных магазинах.