張劍平 1617 字 6個月前

數據壓縮

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"": "數據壓縮是指在不丟失信息的前提下,縮減數據量以減少存儲空間,提高其傳輸、存儲和處理效率的一種技術方法。或按照一定的算法對數據進行重新組織,減少數據的冗餘和存儲的空間。數據壓縮包括有損壓縮和無損壓縮。

在計算機科學和信息論中,數據壓縮或者源編碼是按照特定的編碼機製用比未經編碼少的數據位元(或者其它信息相關的單位)表示信息的過程。例如,如果我們將“compression”編碼為“comp”那麼這篇文章可以用較少的數據位表示。一種流行的壓縮實例是許多計算機都在使用的ZIP文件格式,它不僅僅提供了壓縮的功能,而且還作為歸檔工具(Archiver)使用,能夠將許多文件存儲到同一個文件中。

概要

對於任何形式的通信來說,隻有當信息的發送方和接受方都能夠理解編碼機製的時候壓縮數據通信才能夠工作。例如,隻有當接受方知道這篇文章需要用英語字符解釋的時候這篇文章才有意義。同樣,隻有當接受方知道編碼方法的時候他才能夠理解壓縮數據。一些壓縮算法利用了這個特性,在壓縮過程中對數據進行加密,例如利用密碼加密,以保證隻有得到授權的一方才能正確地得到數據。

數據壓縮能夠實現是因為多數現實世界的數據都有統計冗餘。例如,字母“e”在英語中比字母“z”更加常用,字母“q”後麵是“z”的可能性非常小。無損壓縮算法通常利用了統計冗餘,這樣就能更加簡練地、但仍然是完整地表示發送方的數據。

如果允許一定程度的保真度損失,那麼還可以實現進一步的壓縮。例如,人們看圖畫或者電視畫麵的時候可能並不會注意到一些細節並不完善。同樣,兩個音頻錄音采樣序列可能聽起來一樣,但實際上並不完全一樣。有損壓縮算法在帶來微小差別的情況下使用較少的位數表示圖像、視頻或者音頻。

本章節來源於𝑜𝑜𝑝.𝑡𝑤

由於可以幫助減少如硬盤空間與連接帶寬這樣的昂貴資源的消耗,所以壓縮非常重要,然而壓縮需要消耗信息處理資源,這也可能是費用昂貴的。所以數據壓縮機製的設計需要在壓縮能力、失真度、所需計算資源以及其它需要考慮的不同因素之間進行折衷。

一些機製是可逆的,這樣就可以恢複原始的數據,這種機製稱為無損數據壓縮;另外一些機製為了實現更高的壓縮率允許一定程度的數據損失,這種機製稱為有損數據壓縮。

然而,經常有一些文件不能被無損數據壓縮算法壓縮,實際上對於不含可以辨別樣式的數據任何壓縮算法都不能壓縮。試圖壓縮已經經過壓縮的數據通常得到的結果實際上是擴展數據,試圖壓縮經過加密的數據通常也會得到這種結果。

實際上,有損數據壓縮也會最終達到不能工作的地步。我們來舉一個極端的例子,壓縮算法每次去掉文件最後一個字節,那麼經過這個算法不斷的壓縮直至文件變空,壓縮算法將不能繼續工作。

原理

事實上,多媒體信息存在許多數據冗餘。例如,一幅圖像中的靜止建築背景、藍天和綠地,其中許多像素是相同的如果逐點存儲,就會浪費許多空間,這稱為空間冗餘。又如,在電視和動畫的相鄰序列中,隻有運動物體有少許變化,僅存儲差異部分即可,這稱為時間冗餘。此外還有結構冗餘、視覺冗餘等,這就為數據壓縮提供了條件。

總之,壓縮的理論基礎是信息論。從信息的角度來看,壓縮就是去除掉信息中的冗餘,即去除掉確定的或可推知的信息,而保留不確定的信息,也就是用一種更接近信息本質的描述來代替原有的冗餘的描述,這個本質的東西就是信息量。

應用

一種非常簡單的壓縮方法是行程長度編碼,這種方法使用數據及數據長度這樣簡單的編碼代替同樣的連續數據,這是無損數據壓縮的一個實例。這種方法經常用於辦公計算機以更好地利用磁盤空間、或者更好地利用計算機網絡中的帶寬。對於電子表格、文本、可執行文件等這樣的符號數據來說,無損是一個非常關鍵的要求,因為除了一些有限的情況,大多數情況下即使是一個數據位的變化都是無法接受的。

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論理

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