Ростелеком ТВ 

Сжатие данных в примерах. Сжатие данных

Сжатие данных (data compression) - технический прием сокращения объема (размеров) записи данных на их носителе (жестком магнитном диске, дискете, магнитной ленте); реализуется разными методами, преимущественно использующими кодирование (повторяющихся слов, фраз, символов). Можно выделить две группы режимов сжатия данных: статический и динамический; различают также физическое и логическое сжатие; симметричное и асимметричное сжатие; адаптивное, полуадаптивное и неадаптивное кодирование; сжатие без потерь, с потерями и минимизацией потерь. Способы (виды) сжатия данных:

Статическое сжатие данных (static data compression) - используется для длительного хранения и архивации; выполняется при помощи специальных сервисных программ-архиваторов, например ARJ, PKZIP/PKUNZIP. После восстановления (декомпрессии) исходная запись восстанавливается.
Динамическое сжатие (сжатие в реальном времени; dynamic compression, compression in real time) - предназначено для сокращения занимаемой области дисковой памяти данными, требующими оперативного доступа и вывода на внешние устройства ЭВМ (в том числе на экран монитора). Динамическое сжатие данных и их восстановление производится специальными программными средствами автоматически и «мгновенно».
Физическое сжатие (physical compression) - методология сжатия, при которой данные перестраиваются в более компактную форму «формально», то есть без учета характера содержащейся в них информации.
Логическое сжатие (logical compression) - методология, в соответствии с которой один набор алфавитных, цифровых или двоичных символов заменяется другим. При этом смысловое значение исходных данных сохраняется. Примером может служить замена словосочетания его аббревиатурой. Логическое сжатие производится на символьном или более высоком уровне и основано исключительно на содержании исходных данных. Логическое сжатие не применяется для изображений.
Симметричное сжатие (symmetric compression) - методология сжатия, в соответствии с которой принципы построения алгоритмов упаковки и распаковки данных близки или тесно взаимосвязаны. При использовании симметричного сжатия время, затрачиваемое на сжатие и распаковку данных, соизмеримо. В программах обмена данными обычно используется симметричное сжатие.
Асимметричное сжатие (asymmetric compression) - методология, в соответствии с которой при выполнении работ «в одном направлении» времени затрачивается больше, чем при выполнении работ в другом направлении. На сжатие изображений обычно затрачивается намного больше времени и системных ресурсов, чем на их распаковку. Эффективность этого подхода определяется тем, что сжатие изображений может производиться только один раз, а распаковываться с целью их отображения – многократно. Алгоритмы асимметричные «в обратном направлении» (на сжатие данных затрачивается меньше времени, чем на распаковку) используется при выполнении резервного копирования данных.
Адаптивное кодирование (adaptive encoding) - методология кодирования при сжатии данных, которая заранее не настраивается на определенный вид данных. Программы, использующие адаптивное кодирование, настраиваются на любой тип сжимаемых данных, добиваясь максимального сокращения их объема.
Неадаптивное кодирование (nonadaptive encoding) - методология кодирования, ориентированная на сжатие определенного типа или типов данных. Кодировщики, построенные по этому принципу, имеют в своем составе статические словари «предопределенных подстрок», о которых известно, что они часто появляются в кодируемых данных. Примером может служить метод сжатия Хаффмена.
Полуадаптивное кодирование (half-adaptive coding) - методология кодирования при сжатии данных, которая использует элементы адаптивного и неадаптивного кодирования. Принцип действия полуадаптивного кодирования заключается в том, что кодировщик выполняет две группы операций: вначале - просмотр массива кодируемых данных и построение для них словаря, а затем - собственно кодирование.
Сжатие без потерь (lossless compression) - методология сжатия, при которой ранее закодированная порция данных восстанавливается после их распаковки полностью без внесения изменений.
Сжатие с потерями (lossy compression) - методология, при которой для обеспечения максимальной степени сжатия исходного массива часть содержащихся в нем данных отбрасывается. Для текстовых, числовых и табличных данных использование программ, реализующих подобные методы сжатия, является неприемлемой. Однако для программ, работающих с графикой, это часто бывает целесообразно. Качество восстановленного изображения зависит от характера графического материала и корректности реализованного в программе алгоритма сжатия. Существует ряд алгоритмов сжатия, учитывающих допустимые уровни потерь исходного графического образа в конкретных вариантах использования его восстановленного изображения, например, путем просмотра его на экране монитора, распечатки принтером, в полиграфии. Эти методы имеют общее наименование «сжатия с минимизацией потерь».
Сжатие изображения (image compression) - технический прием или метод сокращения объема (размеров) записи графических изображений (рисунков, чертежей, схем) на их носителе (например, на магнитном диске, магнитной ленте). По существу «сжатие изображения» является разновидностью динамического сжатия. Для его реализации используются различные способы кодирования данных, которые ориентированы на элементы графики, составляющие изображение, включая и движущиеся объекты. Применяется также при передаче факсимильной информации по каналам связи, в системах мультимедиа, видеофонах.
Сжатие диска (disk compression) - технический прием, основанный на динамическом сжатии в процессе их записи на диск, а при считывании - их автоматическом восстановлении в исходную форму. Сжатие диска используется с целью увеличения емкости диска. В зависимости от характера записей емкость диска может быть увеличена примерно от 1, 5 до 5 раз. Сжатие диска осуществляется специальными прикладными программами, например DoubleSpace, Stacker, SuperStor.

Методы и средства сжатия данных:
Метод сжатия Хаффмена (Huffman compression method, кодирование CCITT) разработан в 1952 году Дэвидом Хаффменом (David Huffman). Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT) разработал на его основе ряд коммуникативных протоколов для факсимильной передачи черно-белых изображений по телефонным каналам и сетям передачи данных (Стандарт T.4 CCIT и T.6 CCITT, они же - сжатие CCITT group 3 и сжатие CCITT group 4).
Фрактальное сжатие (fractal compression) - метод сжатия растровых изображений путем преобразования их в так называемые фракталы. Хранение изображений в виде фракталов требует в четыре раза меньше дисковой памяти, нежели в пикселях.
ART - метод для сжатия текста, графики, аудио и видео. Принцип работы алгоритма сжатия основан на анализе изображения и выявлении его ключевых признаков (цвет, помехи, края, повторяющиеся особенности).
AC3 Dolby - метод и формат сжатия, который позволяет сжимать, хранить и передавать в одном файле со скоростью от 32 до 640 кбит/с до 6 каналов аудиоданных.
DJVU (DjVu, djvu, deja vu) - технология и формат динамического сжатия отсканированных страниц изданий, содержащих текстовые и иллюстративные материалы.
DVI (Digital Video Interactive) - система динамического сжатия и восстановления аудио- и видеозаписей в цифровой форме. Ее использование позволяет записать на CD-ROM полноформатный видеофильм вместе со звуковым сопровождением.
EAD (Encoded Archival Description) - стандарт кодирования, разработанный подразделением Network Development and MARC Standards Office Библиотеки Конгресса США в сотрудничестве с Society of American Archivists в 1998 году (обновление - 2002 г.). Стандарт устанавливает принципы создания, разработки и поддержки схем кодирования для архивных и библиотечных помощников поиска (finding aids).
Image compression manager - программа управления динамическим сжатием изображений, которая обеспечивает возможность использования различных методов сжатия/восстановления изображений (MPEG, JPEG).
JBIG (Joint Bi-level Image Experts Group) - метод сжатия двухуровневых (двухцветных) изображений без потерь, создан Объединенной группой экспертов по двухуровневым изображениям ISO и CCIT в 1988 году. Метод JBIG в 1993 году утвержден как стандарт кодирования двухуровневых данных вместо менее эффективных алгоритмов сжатия MR (Modified READ) и MMR (Modified Modified READ).
LZW (Lempel-Ziv-Welch) - метод динамического сжатия, основанный на поиске во всем файле и сохранении в словаре одинаковых последовательностей данных (они называются фразы). Каждой уникальной последовательности данных присваиваются более короткие маркеры (ключи).
MP3 (Moving Pictures Experts Group, Layer 3) - метод (алгоритм) динамического сжатия и специальный формат записи файлов аудиоданных. MP3 обеспечивает высокую степень сжатия звуковых записей, используется в приложениях мультимедиа, в частности, в цифровых проигрывателях (плейерах) и Интернете.
RLE (Run Length Encoding) - метод динамического сжатия графических данных, в первую очередь изображений, основанный на уменьшении физического размера повторяющихся строк символов.

Введение.

Сжатие сокращает объем пространства, тpебуемого для хранения файлов в ЭВМ, и

количество времени, необходимого для передачи информации по каналу установленной

ширины пропускания. Это есть форма кодирования. Другими целями кодирования

являются поиск и исправление ошибок, а также шифрование. Процесс поиска и

исправления ошибок противоположен сжатию - он увеличивает избыточность данных,

когда их не нужно представлять в удобной для восприятия человеком форме. Удаляя

из текста избыточность, сжатие способствует шифpованию, что затpудняет поиск

шифpа доступным для взломщика статистическим методом.

Рассмотpим обратимое сжатие или сжатие без наличия помех, где первоначальный

текст может быть в точности восстановлен из сжатого состояния. Необратимое или

ущербное сжатие используется для цифровой записи аналоговых сигналов, таких как

человеческая речь или рисунки. Обратимое сжатие особенно важно для текстов,

записанных на естественных и на искусственных языках, поскольку в этом случае

ошибки обычно недопустимы. Хотя первоочередной областью применения

рассматриваемых методов есть сжатие текстов, что отpажает и наша терминология,

однако, эта техника может найти применение и в других случаях, включая обратимое

кодирование последовательностей дискретных данных.

Существует много веских причин выделять ресурсы ЭВМ в pасчете на сжатое

представление, т.к. более быстрая передача данных и сокpащение пpостpанства для

их хpанения позволяют сберечь значительные средства и зачастую улучшить

показатели ЭВМ. Сжатие вероятно будет оставаться в сфере внимания из-за все

возрастающих объемов хранимых и передаваемых в ЭВМ данных, кроме того его можно

использовать для преодоления некотоpых физических ограничений, таких как,

напpимеp, сравнительно низкая шиpину пpопускания телефонных каналов.

ПРИМЕНЕНИЕ РАСШИРЯЮЩИХСЯ ДЕРЕВЬЕВ ДЛЯ СЖАТИЯ ДАННЫХ.

Алгоритмы сжатия могут повышать эффективность хранения и передачи данных

посредством сокращения количества их избыточности. Алгоритм сжатия берет в

качестве входа текст источника и производит соответствующий ему сжатый текст,

когда как разворачивающий алгоритм имеет на входе сжатый текст и получает из

него на выходе первоначальный текст источника. Большинство алгоритмов сжатия

рассматривают исходный текст как набор строк, состоящих из букв алфавита

исходного текста.

Избыточность в представлении строки S есть L(S) - H(S), где L(S) есть длина

представления в битах, а H(S) - энтропия - мера содержания информации, также

выраженная в битах. Алгоритмов, которые могли бы без потери информации сжать

строку к меньшему числу бит, чем составляет ее энтропия, не существует. Если из

исходного текста извлекать по одной букве некоторого случайного набоpа,

использующего алфавит А, то энтропия находится по формуле:

H(S) = C(S) p(c) log ---- ,

где C(S) есть количество букв в строке, p(c) есть статическая вероятность

появления некоторой буквы C. Если для оценки p(c) использована частота появления

каждой буквы c в строке S, то H(C) называется самоэнтропией строки S. В этой

статье H (S) будет использоваться для обозначения самоэнтропии строки, взятой из

статичного источника.

Расширяющиеся деревья обычно описывают формы лексикографической упорядоченности

деpевьев двоичного поиска, но деревья, используемые при сжатии данных могут не

иметь постоянной упорядоченности. Устранение упорядоченности приводит к

значительному упрощению основных операций расширения. Полученные в итоге

алгоритмы предельно быстры и компактны. В случае применения кодов Хаффмана,

pасширение приводит к локально адаптированному алгоритму сжатия, котоpый

замечательно прост и быстр, хотя и не позволяет достигнуть оптимального сжатия.

Когда он применяется к арифметическим кодам, то результат сжатия близок к

оптимальному и приблизительно оптимален по времени.

КОДЫ ПРЕФИКСОВ.

Большинство широко изучаемых алгоритмов сжатия данных основаны на кодах

Хаффмана. В коде Хаффмана каждая буква исходного текста представляется в архиве

кодом переменной длины. Более частые буквы представляются короткими кодами,

менее частые - длинными. Коды, используемые в сжатом тексте должны подчиняться

свойствам префикса, а именно: код, использованный в сжатом тексте не может быть

префиксом любого другого кода.

Коды префикса могут быть найдены посредством дерева, в котором каждый лист

соответствует одной букве алфавита источника. Hа pисунке 1 показано дерево кода

префикса для алфавита из 4 букв. Код префикса для буквы может быть прочитан при

обходе деpева от корня к этой букве, где 0 соответствует выбору левой его ветви,

а 1 - правой. Дерево кода Хаффмана есть дерево с выравненным весом, где каждый

лист имеет вес, равный частоте встречаемости буквы в исходном тексте, а

внутренние узлы своего веса не имеют. Дерево в примере будет оптимальным, если

частоты букв A, B, C и D будут 0.125, 0.125, 0.25 и 0.5 соответственно.

Обычные коды Хаффмана требуют предварительной информации о частоте встречаемости

букв в исходном тексте, что ведет к необходимости его двойного просмотра - один

для получения значений частот букв, другой для проведения самого сжатия. В

последующем, значения этих частот нужно объединять с самим сжатым текстом, чтобы

в дальнейшем сделать возможным его развертывание. Адаптивное сжатие выполняется

за один шаг, т.к. код, используемый для каждой буквы исходного текста, основан

на частотах всех остальных кpоме нее букв алфавита. Основы для эффективной

реализации адаптивного кода Хаффмана были заложены Галлагером, Кнут опубликовал

практическую версию такого алгоритма, а Уиттер его pазвил.

Оптимальный адаптированный код Уиттера всегда лежит в пределах одного бита на

букву источника по отношению к оптимальному статичному коду Хаффмана, что обычно

составляет несколько процентов от H . К тому же, статичные коды Хаффмана всегда

лежат в пределах одного бита на букву исходного текста от H (они достигают этот

предел только когда для всех букв p(C) = 2). Существуют алгоритмы сжатия

которые могут преодолевать эти ограничения. Алгоритм Зива-Лемпелла, например,

присваивает слова из аpхива фиксированной длины строкам исходного текста

пеpеменной длины, а арифметическое сжатие может использовать для кодирования

букв источника даже доли бита.

Применение расширения к кодам префикса.

Расширяющиеся деревья были впервые описаны в 1983 году и более подpобно

рассмотрены в 1985. Первоначально они понимались как вид самосбалансиpованных

деpевьев двоичного поиска, и было также показано, что они позволяют осуществить

самую быструю реализацию приоритетных очередей. Если узел расширяющегося дерева

доступен, то оно является расширенным. Это значит, что доступный узел становится

корнем, все узлы слева от него образуют новое левое поддерево, узлы справа -

новое правое поддерево. Расширение достигается при обходе дерева от старого

корня к целевому узлу и совершении пpи этом локальных изменений, поэтому цена

расширения пропорциональна длине пройденного пути.

Тарьян и Слейтон показали, что расширяющиеся деревья статично оптимальны.

Другими словами, если коды доступных узлов взяты согласно статичному

распределению вероятности, то скорости доступа к расширяющемуся дереву и

статично сбалансированному, оптимизированному этим распределением, будут

отличаться друг от друга на постоянный коэффициент, заметный при достаточно

длинных сериях доступов. Поскольку дерево Хаффмана представляет собой пример

статично сбалансированного дерева, то пpи использовании расширения для сжатия

данных, pазмер сжатого текста будет лежать в пределах некоторого коэффициента от

размера архива, полученного при использовании кода Хаффмана.

Как было первоначально описано, расширение применяется к деревьям, хранящим

данные во внутренних узлах, а не в листьях. Деревья же кодов префикса несут все

свои данные только в листьях. Существует, однако, вариант расширения, называемый

полурасширением, который применим для дерева кодов префикса. При нем целевой

узел не перемещается в корень и модификация его наследников не производится,

взамен путь от корня до цели просто уменьшается вдвое. Полурасширение достигает

тех же теоретических границ в пределах постоянного коэффициента, что и

расширение.

В случае зигзагообразного обхода лексикографического дерева, проведение как

расширения, так и полурасширения усложняется, в отличие от прямого маршрута по

левому или правому краю дерева к целевому узлу. Этот простой случай показан на

рисунке 2. Воздействие полурасширения на маршруте от корня (узел w) до листа

узла A заключается в перемене местами каждой пары внутренних следующих друг за

другом узлов, в результате чего длина пути от корня до узла-листа сокращается в

2 раза. В процессе полурасширения узлы каждой пары, более далекие от корня,

включаются в новый путь (узлы x и z), а более близкие из него

исключаются (узлы w и y).

Сохранение операцией полурасширения лексикографического порядка в деревьях кода

префикса не является обязательным. Единственно важным в операциях с кодом

префикса является точное соответствие дерева, используемого процедурой сжатия

дереву, используемому процедурой развертывания. Любое его изменение, допущенное

между последовательно идущими буквами, производится только в том случае, если

обе процедуры осуществляют одинаковые изменения в одинаковом порядке.

Hенужность поддержки лексикографического порядка значительно упрощает проведение

операции полурасширения за счет исключения случая зигзага. Это может быть

"Сжатие данных"

Характерной особенностью большинства типов данных является их избыточность. Степень избыточности данных зависит от типа данных. Например, для видеоданных степень избыточности в несколько раз больше чем для графических данных, а степень избыточности графических данных, в свою очередь, больше чем степень избыточности текстовых данных. Другим фактором, влияющим на степень избыточности является принятая система кодирования. Примером систем кодирования могут быть обычные языки общения, которые являются ни чем другим, как системами кодирования понятий и идей для высказывания мыслей. Так, установлено, что кодирование текстовых данных с помощью средств русского языка дает в среднем избыточность на 20-25% большую чем кодирование аналогичных данных средствами английского языка.

Для человека избыточность данных часто связана с качеством информации, поскольку избыточность, как правило, улучшает понятность и восприятие информации. Однако, когда речь идет о хранении и передаче информации средствами компьютерной техники, то избыточность играет отрицательную роль, поскольку она приводит к возрастанию стоимости хранения и передачи информации. Особенно актуальной эта проблема стает в случае обработки огромных объемов информации при незначительных объемах носителей данных. В связи с этим, постоянно возникает проблема уменьшения избыточности или сжатия данных. Если методы сжатия данных применяются к готовым файлам, то часто вместо термина "сжатие данных" употребляют термин "архивация данных", сжатый вариант данных называют архивом , а программные средства, которые реализуют методы сжатия называются архиваторами .

В зависимости от того, в каком объекте размещены данные, подлежащие сжатию различают:

    Сжатие (архивация) файлов: используется для уменьшения размеров файлов при подготовке их к передаче каналами связи или к транспортированию на внешних носителях маленькой емкости;

    Сжатие (архивация) папок: используется как средство уменьшения объема папок перед долгим хранением, например, при резервном копировании;

    Сжатие (уплотнение) дисков: используется для повышения эффективности использования дискового просторную путем сжатия данных при записи их на носителе информации (как правило, средствами операционной системы).

Существует много практических алгоритмов сжатия данных, но все они базируются на трех теоретических способах уменьшения избыточности данных. Первый способ состоит в изменении содержимого данных, второй - в изменении структуры данных, а третий - в одновременном изменении как структуры, так и содержимого данных.

Если при сжатии данных происходит изменение их содержимого, то метод сжатия называется необратимым , то есть при восстановлении (разархивировании) данных из архива не происходит полное восстановление информации. Такие методы часто называются методами сжатия с регулированными потерями информации. Понятно, что эти методы можно применять только для таких типов данных, для которых потеря части содержимого не приводит к существенному искажению информации. К таким типам данных относятся видео- и аудиоданные, а также графические данные. Методы сжатия с регулированными потерями информации обеспечивают значительно большую степень сжатия, но их нельзя применять к текстовым данным. Примерами форматов сжатия с потерями информации могут быть:

    JPEG - для графических данных;

    MPG - для для видеоданных;

    MP3 - для аудиоданных.

Если при сжатии данных происходит только изменение структуры данных, то метод сжатия называется обратимым . В этом случае, из архива можно восстановить информацию полностью. Обратимые методы сжатия можно применять к любым типам данных, но они дают меньшую степень сжатия по сравнению с необратимыми методами сжатия. Примеры форматов сжатия без потери информации:

    GIF, TIFF - для графических данных;

    AVI - для видеоданных;

    ZIP, ARJ, RAR, CAB, LH - для произвольных типов данных.

Существует много разных практических методов сжатия без потери информации, которые, как правило, имеют разную эффективность для разных типов данных и разных объемов. Однако, в основе этих методов лежат три теоретических алгоритма:

    алгоритм RLE (Run Length Encoding);

    алгоритмы группы KWE(KeyWord Encoding);

    алгоритм Хаффмана.

Алгоритм RLE

В основе алгоритма RLE лежит идея выявления повторяющихся последовательностей данных и замены их более простой структурой, в которой указывается код данных и коэффициент повторения. Например, пусть задана такая последовательность данных, что подлежит сжатию:

1 1 1 1 2 2 3 4 4 4

В алгоритме RLE предлагается заменить ее следующей структурой: 1 4 2 2 3 1 4 3, где первое число каждой пары чисел - это код данных, а второе - коэффициент повторения. Если для хранения каждого элемента данных входной последовательности отводится 1 байт, то вся последовательность будет занимать 10 байт памяти, тогда как выходная последовательность (сжатый вариант) будет занимать 8 байт памяти. Коэффициент сжатия, характеризующий степень сжатия, можно вычислить по формуле:

где Vx- объем памяти, необходимый для хранения выходной (результирующей) последовательности данных, Vn- входной последовательности данных.

Чем меньше значение коэффициента сжатия, тем эффективней метод сжатия. Понятно, что алгоритм RLE будет давать лучший эффект сжатия при большей длине повторяющейся последовательности данных. В случае рассмотренного выше примера, если входная последовательность будет иметь такой вид: 1 1 1 1 1 1 3 4 4 4, то коэффициент сжатия будет равен 60%. В связи с этим большая эффективность алгоритма RLE достигается при сжатии графических данных (в особенности для однотонных изображений).

Алгоритмы группы KWE

В основе алгоритма сжатия по ключевым словам положен принцип кодирования лексических единиц группами байт фиксированной длины. Примером лексической единицы может быть обычное слово. На практике, на роль лексических единиц выбираются повторяющиеся последовательности символов, которые кодируются цепочкой символов (кодом) меньшей длины. Результат кодирования помещается в таблице, образовывая так называемый словарь.

Существует довольно много реализаций этого алгоритма, среди которых наиболее распространенными являются алгоритм Лемпеля-Зіва (алгоритм LZ) и его модификация алгоритм Лемпеля-Зіва-Велча (алгоритм LZW). Словарем в данном алгоритме является потенциально бесконечный список фраз. Алгоритм начинает работу с почти пустым словарем, который содержит только одну закодированную строку, так называемая NULL-строка. При считывании очередного символа входной последовательности данных, он прибавляется к текущей строке. Процесс продолжается до тех пор, пока текущая строка соответствует какой-нибудь фразе из словаря. Но рано или поздно текущая строка перестает соответствовать какой-нибудь фразе словаря. В момент, когда текущая строка представляет собой последнее совпадение со словарем плюс только что прочитанный символ сообщения, кодер выдает код, который состоит из индекса совпадения и следующего за ним символа, который нарушил совпадение строк. Новая фраза, состоящая из индекса совпадения и следующего за ним символа, прибавляется в словарь. В следующий раз, если эта фраза появится в сообщении, она может быть использована для построения более длинной фразы, что повышает меру сжатия информации.

Алгоритм LZW построен вокруг таблицы фраз (словаря), которая заменяет строки символов сжимаемого сообщения в коды фиксированной длины. Таблица имеет так называемое свойством опережения, то есть для каждой фразы словаря, состоящей из некоторой фразы w и символа К, фраза w тоже заносится в словарь. Если все части словаря полностью заполнены, кодирование перестает быть адаптивным (кодирование происходит исходя из уже существующих в словаре фраз).

Алгоритмы сжатия этой группы наиболее эффективны для текстовых данных больших объемов и малоэффективны для файлов маленьких размеров (за счет необходимости сохранение словаря).

Алгоритм Хаффмана

В основе алгоритма Хаффмана лежит идея кодирования битовыми группами. Сначала проводится частотный анализ входной последовательности данных, то есть устанавливается частота вхождения каждого символа, встречащегося в ней. После этого, символы сортируются по уменьшению частоты вхождения.

Основная идея состоит в следующем: чем чаще встречается символ, тем меньшим количеством бит он кодируется. Результат кодирования заносится в словарь, необходимый для декодирования. Рассмотрим простой пример, иллюстрирующий работу алгоритма Хаффмана.

Пусть задан текст, в котором бурва "А" входит 10 раз, буква "В" - 8 раз, "С"- 6 раз, "D" - 5 раз, "Е" и "F" - по 4 раза. Тогда один из возможных вариантов кодирования по алгоритму Хаффмана приведен в таблицы 1.

Таблица 1.

Частота вхождения

Битовый код

Как видно из таблицы 1, размер входного текста до сжатия равен 37 байт, тогда как после сжатия - 93 бит, то есть около 12 байт (без учета длины словаря). Коэффициент сжатия равен 32%. Алгоритм Хаффмана универсальный, его можно применять для сжатия данных любых типов, но он малоэффективен для файлов маленьких размеров (за счет необходимости сохранение словаря).

На практике программные средства сжатия данных синтезируют эти три "чистых" алгоритмы, поскольку их эффективность зависит от типа и объема данных. В таблице 2 приведены распространенные форматы сжатия и соответствующие им программыи-архиваторы, использующиеся на практике.

Таблица 2.

Формат сжатия

Операционная система MS DOS

Операционная система Windows

Программа архивации

Программа разархивации

Программа архивации

Программа разархивации

Кроме того, современные архиваторы предоставляют пользователю полный спектр услуг для работы с архивами, основными из которых являются:

    создание нового архива;

    добавление файлов в существующий архив;

    распаковывание файлов из архива;

    создание самораспаковающихся архивов (self-extractor archive);

    создание распределенных архивов фиксированного размера для носителей маленькой емкости;

    защита архивов паролями от несанкционированного доступа;

    просмотр содержимого файлов разных форматов без предварительного распаковывания;

    поиск файлов и данных внутри архива;

    проверка на вирусы в архиве к распаковыванию;

    выбор и настройка коэффициента сжатия.

Контрольные вопросы

1. Какие факторы влияют на степень избыточности данных? 2. Что такое архив? Какие программные средства называются архиваторами? 3. Почему методы сжатия, при которых происходит изменение содержимого данных, называются необратимыми? 4. Приведите примеры форматов сжатия с потерями информации. 5. В чем состоит преимущество обратимых методов сжатия над необратимыми? А недостаток? 6. Которая существует зависимость между коэффициентом сжатия и эффективностью метода сжатия? 7. В чем состоит основная идея алгоритма RLE? 8. В чем состоит основная идея алгоритмов группы KWE? 9. В чем состоит основная идея алгоритма Хаффмана? 10. Какие вы знаете програми-архиваторы? Коротко охарактеризуйте их.

    Информатика. Базовый курс. / Под ред. С.В.Симоновича. - СПб., 2000 г.

    А.П.Микляев, Настольная книга пользователя IBM PC 3-издание М.:, "Солон-Р", 2000, 720 с.

    Симонович С.В., Евсеев Г.А., Мураховский В.И. Вы купили компьютер: Полное руководство для начинающих в вопросах и ответах. - М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА; Инфорком-Пресс, 2001.- 544 с.: ил. (1000 советов).

    Ковтанюк Ю.С., Соловьян С.В. Самоучитель работы на персональном компьютере - К.:Юниор, 2001.- 560с., ил.

Современные архиваторы

Специальные программы

Лекция 6

Архиваторы – это программы для создания архивов. Архивы предназначены для хранения данных в удобном компактном виде. В качестве данных обычно выступают файлы и папки. Как правило, данные предварительно подвергаются процедуре сжатия или упаковки. Поэтому почти каждый архиватор одновременно является программой для сжатия данных. С другой стороны, любая программа для сжатия данных может рассматриваться как архиватор. Эффективность сжатия является важнейшей характеристикой архиваторов. От нее зависит размер создаваемых архивов. Чем меньше архив, тем меньше места требуется для его хранения. Для передачи нужна меньшая пропускная способность канала передачи или затрачивается меньшее время. Преимущества архивов очевидны, если учесть, что данные уменьшаются в размере и в 2 раза, и в 5 раз.

Сжатие данных используется очень широко. Можно сказать, почти везде. Например, документы PDF, как правило, содержат сжатую информацию. Довольно много исполняемых файлов EXE сжаты специальными упаковщиками. Всевозможные мультимедийные файлы (GIF, JPG, MP3, MPG) являются своеобразными архивами.

Основным недостатком архивов является невозможность прямого доступа к данным. Их сначала необходимо извлечь из архива или распаковать. Операция распаковки, впрочем, как и упаковки, требует некоторых системных ресурсов. Это не мгновенная операция. Поэтому архивы в основном применяют со сравнительно редко используемыми данными. Например, для хранения резервных копий или установочных файлов.

В данный момент существует много архиваторов. Они имеют разную распространенность и эффективность. Некоторые интересные архиваторы не известны широкому кругу потенциальных пользователей. Особый интерес представляют оценка и сравнение эффективности сжатия популярных архиваторов.

Разработано большое количество разнообразных методов, их модификаций и подвидов для сжатия данных. Современные архиваторы, как правило, одновременно используют несколько методов одновременно. Можно выделить некоторые основные.

Кодирование длин серий (RLE - сокращение от run-length encoding - кодирование длин серий)

Очень простой метод. Последовательная серия одинаковых элементов данных заменяется на два символа: элемент и число его повторений. Широко используется как дополнительный, так и промежуточный метод. В качестве самостоятельного метода применяется, например, в графическом формате BMP.

Словарный метод (LZ - сокращение от Lempel Ziv - имена авторов)

Наиболее распространенный метод. Используется словарь, состоящий из последовательностей данных или слов. При сжатии эти слова заменяются на их коды из словаря. В наиболее распространенном варианте реализации в качестве словаря выступает сам исходный блок данных.



Основным параметром словарного метода является размер словаря. Чем больше словарь, тем больше эффективность. Однако для неоднородных данных чрезмерно большой размер может быть вреден, так как при резком изменении типа данных словарь будет заполнен неактуальными словами. Для эффективной работы данного метода при сжатии требуется дополнительная память. Приблизительно на порядок больше, чем нужно для исходных данных словаря. Существенным преимуществом словарного метода является простая и быстрая процедура распаковки. Дополнительная память при этом не требуется. Такая особенность особенно важна, если необходим оперативный доступ к данным.

Энтропийный метод (Huffman - кодирование Хаффмена, Arithmetic coding - арифметическое кодирование)

В этом методе элементы данных, которые встречаются чаще, кодируются при сжатии более коротким кодом, а более редкие элементы данных кодируются более длинным кодом. За счет того, что коротких кодов значительно больше, общий размер получается меньше исходного.

Широко используется как дополнительный метод. В качестве самостоятельного метода применяется, например, в графическом формате JPG.

Метод контекстного моделирования (CM - сокращение от context modeling - контекстное моделирование)

В этом методе строится модель исходных данных. При сжатии очередного элемента данных эта модель выдает свое предсказание или вероятность. Согласно этой вероятности, элемент данных кодируется энтропийным методом. Чем точнее модель будет соответствовать исходным данным, тем точнее она будет выдавать предсказания, и тем короче будут кодироваться элементы данных.

Для построения эффективной модели требуется много памяти. При распаковке приходится строить точно такую же модель. Поэтому скорость и требования к объему оперативной памяти для упаковки и распаковки почти одинаковы. В данный момент методы контекстного моделирования позволяют получить наилучшую степень сжатия, но отличаются чрезвычайно низкой скоростью.

PPM (PPM - Prediction by Partial Matching - предсказание по частичному совпадению)

Это особый подвид контекстного моделирования. Предсказание выполняется на основании определенного количества предыдущих элементов данных. Основным параметром является порядок модели, который задает это количество элементов. Чем больше порядок модели, тем выше степень сжатия, но требуется больше оперативной памяти для хранения данных модели. Если оперативной памяти недостаточно, то такая модель с большим порядком показывает низкие результаты. Метод PPM особенно эффективен для сжатия текстовых данных.

Предварительные преобразования или фильтрация

Данные методы служат не для сжатия, а для представления информации в удобном для дальнейшего сжатия виде. Например, для несжатых мультимедиа данных характерны плавные изменения уровня сигнала. Поэтому для них применяют дельта-преобразование, когда вместо абсолютного значения берется относительное. Существуют фильтры для текста, исполняемых файлов, баз данных и другие.

Метод сортировки блока данных (BWT - сокращение от Burrows Wheeler Transform - по имени авторов)

Это особый вид или группа преобразований, в основе которых лежит сортировка. Такому преобразованию можно подвергать почти любые данные. Сортировка производится над блоками, поэтому данные предварительно разбиваются на части. Основным параметром является размер блока, который подвергается сортировке. Для распаковки данных необходимо проделать почти те же действия, что и при упаковке. Поэтому скорость и требования к оперативной памяти почти одинаковы. Архиваторы, которые используют данный метод, обычно показывают высокую скорость и степень сжатия для текстовых данных.

Непрерывные блоки или непрерывный режим (Solid mode - непрерывный режим)

Во многих методах сжатия начальный участок данных или файла кодируется плохо. Например, в словарном методе словарь пуст. В методе контекстного моделирования модель не построена. Когда количество файлов большое, а их размер маленький, общая степень сжатия значительно ухудшается за счет этих начальных участков. Чтобы этого не происходило при переходе на следующий файл, используется информация, полученная исходя из предыдущих файлов. Аналогичного эффекта можно добиться простым представлением исходных файлов в виде одного непрерывного файла.

Этот метод используется во многих архиваторах и имеет существенный недостаток. Для распаковки произвольного файла необходимо распаковать и файлы, которые оказались в начале архива. Это необходимо для правильного заполнения словаря или построения модели. Существует и промежуточный вариант, когда используются непрерывные блоки фиксированного размера. Потери сжатия получаются минимальными, но для извлечения одного файла, который находится в конце большого архива, необходимо распаковать только один непрерывный блок, а не весь архив.

Сегментирование

Во всех методах сжатия при изменении типа данных собственно сам переход кодируется очень плохо. Словарь становится не актуальным, модель настроена на другие данные. В этих случаях применяется сегментирование. Это предварительная разбивка на однородные части. Затем эти части кодируются по отдельности или группами.

Современные пользователи довольно часто сталкиваются с проблемой нехватки свободного пространства на жестком диске. Многие, в попытке освободить хоть немного свободного пространства, пытаются удалить с жесткого диска всю ненужную информацию. Более продвинутые пользователи используют для уменьшения объема данных особые алгоритмы сжатия. Несмотря на эффективность этого процесса, многие пользователи никогда о нем даже не слышали. Давайте же попробуем разобраться, что подразумевается под сжатием данных, какие алгоритмы для этого могут использоваться.

На сегодняшний день сжатие информации является достаточно важной процедурой, которая необходима каждому пользователю ПК. Сегодня любой пользователь может позволить себе приобрести современный накопитель данных, в котором предусмотрена возможность использования большого объема памяти. Подобные устройства, как правило, оснащаются высокоскоростными каналами для транслирования информации. Однако, стоит отметить, что с каждым годом объем необходимой пользователям информации становится все больше и больше. Всего $10$ лет назад объем стандартного видеофильма не превышал $700$ Мб. В настоящее время объем фильмов в HD-качестве может достигать нескольких десятков гигабайт.

Когда необходимо сжатие данных?

Не стоит многого ждать от процесса сжатия информации. Но все-таки встречаются ситуации, в которых сжатие информации бывает просто необходимым и крайне полезным. Рассмотрим некоторые из таких случаев.

    Передача по электронной почте.

    Очень часто бывают ситуации, когда нужно переслать большой объем данных по электронной почте. Благодаря сжатию можно существенно уменьшить размер передаваемых файлов. Особенно оценят преимущества данной процедуры те пользователи, которые используют для пересылки информации мобильные устройства.

    Публикация данных на интернет -сайтах и порталах.

    Процедура сжатия часто используется для уменьшения объема документов, используемых для публикации на различных интернет-ресурсах. Это позволяет значительно сэкономить на трафике.

    Экономия свободного места на диске.

    Когда нет возможности добавить в систему новые средства для хранения информации, можно использовать процедуру сжатия для экономии свободного пространства на диске. Бывает так, что бюджет пользователя крайне ограничен, а свободного пространства на жестком диске не хватает. Вот тут-то на помощь и приходит процедура сжатия.

Кроме перечисленных выше ситуаций, возможно еще огромное количество случаев, в которых процесс сжатия данных может оказаться очень полезным. Мы перечислили только самые распространенные.

Способы сжатия информации

Все существующие способы сжатия информации можно разделить на две основные категории. Это сжатие без потерь и сжатие с определенными потерями. Первая категория актуальна только тогда, когда есть необходимость восстановить данные с высокой точностью, не потеряв ни одного бита исходной информации. Единственный случай, в котором необходимо использовать именно этот подход, это сжатие текстовых документов.

В том случае, если нет особой необходимости в максимально точном восстановлении сжатой информации, необходимо предусмотреть возможность использования алгоритмов с определенными потерями при сжатии.

Сжатие без потери информации

Данные методы сжатия информации интересуют прежде всего, так как именно они применяются при передаче больших объемов информации по электронной почте, при выдаче выполненной работы заказчику или при создании резервных копий информации, хранящейся на компьютере. Эти методы сжатия информации не допускают потерю информации, поскольку в их основу положено лишь устранение ее избыточности, информация же имеет избыточность практически всегда, если бы последней не было, нечего было бы и сжимать.

Пример 1

Приведем простой пример. Русский язык включает в себя $33$ буквы, $10$ цифр и еще примерно $15$ знаков препинания и других специальных символов. Для текста, записанного только прописными русскими буквами (например как в телеграммах) вполне хватило бы $60$ разных значений. Тем не менее, каждый символ обычно кодируется байтом, содержащим, как нам известно, 8 битов, и может выражаться $256$ различными кодами. Это один из первых факторов, характеризующих избыточность. Для телеграфного текста вполне хватило бы и $6$ битов на символ.

Пример 2

Рассмотрим другой пример. В международной кодировке символов ASCII для кодирования любого символа выделяется одинаковое количество битов ($8$), в то время, как всем давно и хорошо известно, что наиболее часто встречающиеся символы имеет смысл кодировать меньшим количеством знаков. Так, к примеру, в азбуке Морзе буквы «Е» и «Т», которые встречаются очень часто, кодируются $1$ знаком (соответственно это точка и тире). А такие редкие буквы, как «Ю» ($ - -$) и «Ц» ($- - $), кодируются $4$ знаками.

Замечание 1

Неэффективная кодировка является вторым фактором, характеризующим избыточность. Программы, благодаря которым выполняется сжатие информации, могут вводить свою кодировку, причем она может быть разной для разных файлов, и приписывать ее к сжатому файлу в виде таблицы (словаря), из которой распаковывающая программа будет считывать информацию о том, как в данном файле закодированы те или иные символы или их группы.

Алгоритмы, в основу которых положено перекодирование информации, называются алгоритмами Хаффмана.

Алгоритм Хаффмана

В данном алгоритме сжатие информации осуществляется путем статистического кодирования или на основе словаря, который предварительно был создан. Согласно статистическому алгоритму Хаффмана каждому входному символу присваивается определенный код. При этом наиболее часто используемому символу - наиболее короткий код, а наиболее редко используемому - более длинный. В качестве примера на диаграмме приведено распределение частоты использования отдельных букв английского алфавита (рис.1). Такое распределение может быть построено и для русского языка. Таблицы кодирования создаются заранее и имеют ограниченный размер. Этот алгоритм обеспечивает наибольшее быстродействие и наименьшие задержки. Для получения высоких коэффициентов сжатия статистический метод требует больших объемов памяти.

Рисунок 1. Распределение английских букв по их частоте использования

Величина сжатия определяется избыточностью обрабатываемого массива бит. Каждый из естественных языков обладает определенной избыточностью. Среди европейских языков русский имеет самый высокий уровней избыточности. Об этом можно судить по размерам русского перевода английского текста. Обычно он примерно на $30\%$ больше. Если речь идет о стихотворном тексте, избыточность может быть до $2$ раз выше.

Замечание 2

Самая большая сложность с кодами заключается в необходимости иметь таблицы вероятностей для каждого типа сжимаемых данных. Это не представляет проблемы, если известно, что сжимается английский или русский текст. В этом случае мы просто предоставляем кодеру и декодеру подходящее для английского или русского текста кодовое дерево. В общем же случае, когда вероятность символов для входных данных неизвестна, статические коды Хаффмана работают неэффективно.

Решением этой проблемы является статистический анализ кодируемых данных, выполняемый в ходе первого прохода по данным, и составление на его основе кодового дерева. Собственно кодирование при этом выполняется вторым проходом.

Еще одним недостатком кодов является то, что минимальная длина кодового слова для них не может быть меньше единицы, тогда как энтропия сообщения вполне может составлять и $0,1$, и $0,01$ бит/букву. В этом случае код становится существенно избыточным. Проблема решается применением алгоритма к блокам символов, но тогда усложняется процедура кодирования/декодирования и значительно расширяется кодовое дерево, которое нужно в конечном итоге сохранять вместе с кодом.

Данные коды никак не учитывают взаимосвязей между символами, которые присутствуют практически в любом тексте.

Замечание 3

Сегодня, в век информации, несмотря на то, что практически каждому пользователю доступны высокоскоростные каналы для передачи данных и носители больших объемов, вопрос сжатия данных остается актуальным. Существуют ситуации, в которых сжатие данных является просто необходимой операцией. В частности, это касается пересылки данных по электронной почте и размещения информации в Интернете.