Лекция №4. Сжатие информации

Принципы сжатия информации

Цель сжатия данных - обеспечить компактное представление данных, вырабатываемых источником, для их более экономного сохранения и передачи по каналам связи.

Пусть у нас имеется файл размером 1 (один) мегабайт. Нам необходимо получить из него файл меньшего размера. Ничего сложного - запускаем архиватор, к примеру, WinZip, и получаем в результате, допустим, файл размером 600 килобайт. Куда же делись остальные 424 килобайта?

Сжатие информации является одним из способов ее кодирования. Вообще коды делятся на три большие группы - коды сжатия (эффективные коды), помехоустойчивые коды и криптографические коды. Коды, предназначенные для сжатия информации, делятся, в свою очередь, на коды без потерь и коды с потерями. Кодирование без потерь подразумевает абсолютно точное восстановление данных после декодирования и может применяться для сжатия любой информации. Кодирование с потерями имеет обычно гораздо более высокую степень сжатия, чем кодирование без потерь, но допускает некоторые отклонения декодированных данных от исходных.

Виды сжатия

Все методы сжатия информации можно условно разделить на два больших непересекающихся класса: сжатие с потерей инфор­мации и сжатие без потери информации.

Сжатие без потери информации.

Эти методы сжатия нас инте­ресуют в первую очередь, поскольку именно их применяют при передаче текстовых документов и программ, при выдаче выпол­ненной работы заказчику или при создании резервных копий информации, хранящейся на копьютере.

Методы сжатия этого класса не могут допустить утрату информа­ции, поэтому они основаны только на устранении ее избыточности, а информация имеет избыточность почти всегда (правда, если до этого кто-то ее уже не уплотнил). Если бы избыточности не было, нечего было бы и сжимать.

Вот простой пример. В русском языке 33 буквы, десять цифр и еще примерно полтора десятка знаков препинания и прочих спе­циальных символов. Для текста, который записан только про­писными русскими буквами (как в телеграммах и радиограммах) вполне хватило бы шестидесяти разных значений. Тем не менее, каждый символ обычно кодируется байтом, который содержит 8 битов и может выражать 256 различных кодов. Это первое осно­вание для избыточности. Для нашего «телеграфного» текста вполне хватило бы шести битов на символ.

Вот другой пример. В международной кодировке символов ASCII для кодирования любого символа отводится 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, например, в «азбуке Морзе» буквы «Е» и «Т», которые встречаются часто, кодируются одним знаком (соответственно это точка и тире). А такие редкие буквы, как «Ю» ( - -) и «Ц» (- - ), кодиру­ются четырьмя знаками. Неэффективная кодировка - второе основание для избыточности. Программы, выполняющие сжа­тие информации, могут вводить свою кодировку (разную для разных файлов) и приписывать к сжатому файлу некую таблицу (словарь), из которой распаковывающая программа узнает, как в данном файле закодированы те или иные символы или их груп­пы. Алгоритмы, основанные на перекодировании информации, называют алгоритмами Хафмана.

Наличие повторяющихся фрагментов - третье основание для избыточности. В текстах это встречается редко, но в таблицах и в графике повторение кодов - обычное явление. Так, например, если число 0 повторяется двадцать раз подряд, то нет смысла ставить двадцать нулевых байтов. Вместо них ставят один ноль и коэффициент 20. Такие алгоритмы, основанные на выявлении повторов, называют методами RLE (Run Length Encoding ).

Большими повторяющимися последовательностями одинаковых байтов особенно отличаются графические иллюстрации, но не фотографические (там много шумов и соседние точки сущест­венно различаются по параметрам), а такие, которые художники рисуют «гладким» цветом, как в мультипликационных фильмах.

Сжатие с потерей информации.

Сжатие с потерей информации означает, что после распаковки уплотненного архива мы полу­чим документ, который несколько отличается от того, который был в самом начале. Понятно, что чем больше степень сжатия, тем больше величина потери и наоборот.

Разумеется, такие алгоритмы неприменимы для текстовых документов, таблиц баз данных и особенно для программ. Незна­чительные искажения в простом неформатированном тексте еще как-то можно пережить, но искажение хотя бы одного бита в программе сделает ее абсолютно неработоспособной.

В то же время, существуют материалы, в которых стоит пожерт­вовать несколькими процентами информации, чтобы получить сжатие в десятки раз. К ним относятся фотографические иллюстрации, видеоматериалы и музыкальные композиции. Потеря информации при сжатии и последующей распаковке в таких материалах воспринимается как появление некоторого дополнительного «шума». Но поскольку при создании этих мате­риалов определенный «шум» все равно присутствует, его неболь­шое увеличение не всегда выглядит критичным, а выигрыш в раз­мерах файлов дает огромный (в 10-15 раз на музыке, в 20-30 раз на фото- и видеоматериалах).

К алгоритмам сжатия с потерей информации относятся такие известные алгоритмы как JPEG и MPEG. Алгоритм JPEG исполь­зуется при сжатии фотоизображений. Графические файлы, сжа­тые этим методом, имеют расширение JPG. Алгоритмы MPEG используют при сжатии видео и музыки. Эти файлы могут иметь различные расширения, в зависимости от конкретной программы, но наиболее известными являются.MPG для видео и.МРЗ для музыки.

Алгоритмы сжатия с потерей информации применяют только для потребительских задач. Это значит, например, что если фотография передается для просмотра, а музыка для воспро­изведения, то подобные алгоритмы применять можно. Если же они передаются для дальнейшей обработки, например для редак­тирования, то никакая потеря информации в исходном мате­риале недопустима.

Величиной допустимой потери при сжатии обычно можно управ­лять. Это позволяет экспериментовать и добиваться оптималь­ного соотношения размер/качество. На фотографических иллюст­рациях, предназначенных для воспроизведения на экране, потеря 5% информации обычно некритична, а в некоторых случаях можно допустить и 20-25%.

Алгоритмы сжатия без потери информации

Код Шеннона-Фэно

Для дальнейших рассуждений будет удобно представить наш исходный файл с текстом как источник символов, которые по одному появляются на его выходе. Мы не знаем заранее, какой символ будет следующим, но мы знаем, что с вероятностью p1 появится буква "а", с вероятностью p2 -буква "б" и т.д.

В простейшем случае мы будем считать все символы текста независимыми друг от друга, т.е. вероятность появления очередного символа не зависит от значения предыдущего символа. Конечно, для осмысленного текста это не так, но сейчас мы рассматриваем очень упрощенную ситуацию. В этом случае справедливо утверждение "символ несет в себе тем больше информации, чем меньше вероятность его появления".

Давайте представим себе текст, алфавит которого состоит всего из 16 букв: А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, З, И, К, Л, М, Н, О, П, Р. Каждый из этих знаков можно закодировать с помощью всего 4 бит: от 0000 до 1111. Теперь представим себе, что вероятности появления этих символов распределены следующим образом:

Сумма этих вероятностей составляет, естественно, единицу. Разобьем эти символы на две группы таким образом, чтобы суммарная вероятность символов каждой группы составляла ~0.5 (рис). В нашем примере это будут группы символов А-В и Г-Р. Кружочки на рисунке, обозначающие группы символов, называются вершинами или узлами (nodes), а сама конструкция из этих узлов - двоичным деревом (B-tree). Присвоим каждому узлу свой код, обозначив один узел цифрой 0, а другой - цифрой 1.

Снова разобьем первую группу (А-В) на две подгруппы таким образом, чтобы их суммарные вероятности были как можно ближе друг к другу. Добавим к коду первой подгруппы цифру 0, а к коду второй - цифру 1.

Будем повторять эту операцию до тех пор, пока на каждой вершине нашего "дерева" не останется по одному символу. Полное дерево для нашего алфавита будет иметь 31 узел.

Коды символов (крайние правые узлы дерева) имеют коды неодинаковой длины. Так, буква А, имеющая для нашего воображаемого текста вероятность p=0.2, кодируется всего двумя битами, а буква Р (на рисунке не показана), имеющая вероятность p=0.013, кодируется аж шестибитовой комбинацией.

Итак, принцип очевиден - часто встречающиеся символы кодируются меньшим числом бит, редко встречающиеся - большим. В результате среднестатистическое количество бит на символ будет равно

где ni - количество бит, кодирующих i-й символ, pi - вероятность появления i-го символа.

Код Хаффмана.

Алгоритм Хаффмана изящно реализует общую идею статистического кодирования с использованием префиксных множеств и работает следующим образом:

1. Выписываем в ряд все символы алфавита в порядке возрастания или убывания вероятности их появления в тексте.

2. Последовательно объединяем два символа с наименьшими вероятностями появления в новый составной символ, вероятность появления которого полагаем равной сумме вероятностей составляющих его символов. В конце концов построим дерево, каждый узел которого имеет суммарную вероятность всех узлов, находящихся ниже него.

3. Прослеживаем путь к каждому листу дерева, помечая направление к каждому узлу (например, направо - 1, налево - 0) . Полученная последовательность дает кодовое слово, соответствующее каждому символу (рис.).

Построим кодовое дерево для сообщения со следующим алфавитом:

Недостатки методов

Самой большой сложностью с кодами, как следует из предыдущего обсуждения, является необходимость иметь таблицы вероятностей для каждого типа сжимаемых данных. Это не представляет проблемы, если известно, что сжимается английский или русский текст; 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 один недостаток кодов - это 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. Например, если в тексте на английском языке нам встречается буква q, то мы с уверенностью сможем сказать, что после нее будет идти буква u.

Групповое кодирование - Run Length Encoding (RLE) - один из самых старых и самых простых алгоритмов архивации. Сжатие в RLE происходит за счет замены цепочек одинаковых байт на пары "счетчик, значение". («красный, красный, ..., красный» записывается как «N красных»).

Одна из реализаций алгоритма такова: ищут наименнее часто встречающийся байт, называют его префиксом и делают замены цепочек одинаковых символов на тройки "префикс, счетчик, значение". Если же этот байт встретичается в исходном файле один или два раза подряд, то его заменяют на пару "префикс, 1" или "префикс, 2". Остается одна неиспользованная пара "префикс, 0", которую можно использовать как признак конца упакованных данных.

При кодировании exe-файлов можно искать и упаковывать последовательности вида AxAyAzAwAt..., которые часто встречаются в ресурсах (строки в кодировке Unicode)

К положительным сторонам алгоритма, можно отнести то, что он не требует дополнительной памяти при работе, и быстро выполняется. Алгоритм применяется в форматах РСХ, TIFF, ВМР. Интересная особенность группового кодирования в PCX заключается в том, что степень архивации для некоторых изображений может быть существенно повышена всего лишь за счет изменения порядка цветов в палитре изображения.

LZW-код (Lempel-Ziv & Welch) является на сегодняшний день одним из самых распространенных кодов сжатия без потерь. Именно с помощью LZW-кода осуществляется сжатие в таких графических форматах, как TIFF и GIF, с помощью модификаций LZW осуществляют свои функции очень многие универсальные архиваторы. Работа алгоритма основана на поиске во входном файле повторяющихся последовательностей символов, которые кодируются комбинациями длиной от 8 до 12 бит. Таким образом, наибольшую эффективность данный алгоритм имеет на текстовых файлах и на графических файлах, в которых имеются большие одноцветные участки или повторяющиеся последовательности пикселов.

Отсутствие потерь информации при LZW-кодировании обусловило широкое распространение основанного на нем формата TIFF. Этот формат не накладывает каких-либо ограничений на размер и глубину цвета изображения и широко распространен, например, в полиграфии. Другой основанный на LZW формат - GIF - более примитивен - он позволяет хранить изображения с глубиной цвета не более 8 бит/пиксел. В начале GIF - файла находится палитра - таблица, устанавливающая соответствие между индексом цвета - числом в диапазоне от 0 до 255 и истинным, 24-битным значением цвета.

Алгоритмы сжатия с потерей информации

Алгоритм JPEG был разработан группой фирм под названием Joint Photographic Experts Group. Целью проекта являлось создание высокоэффективного стандарта сжатия как черно-белых, так и цветных изображений, эта цель и была достигнута разработчиками. В настоящее время JPEG находит широчайшее применение там, где требуется высокая степень сжатия - например, в Internet.

В отличие от LZW-алгоритма JPEG-кодирование является кодированием с потерями. Сам алгоритм кодирования базируется на очень сложной математике, но в общих чертах его можно описать так: изображение разбивается на квадраты 8*8 пикселов, а затем каждый квадрат преобразуется в последовательную цепочку из 64 пикселов. Далее каждая такая цепочка подвергается так называемому DCT-преобразованию, являющемуся одной из разновидностей дискретного преобразования Фурье. Оно заключается в том, что входную последовательность пикселов можно представить в виде суммы синусоидальных и косинусоидальных составляющих с кратными частотами (так называемых гармоник). В этом случае нам необходимо знать лишь амплитуды этих составляющих для того, чтобы восстановить входную последовательность с достаточной степенью точности. Чем большее количество гармонических составляющих нам известно, тем меньше будет расхождение между оригиналом и сжатым изображением. Большинство JPEG-кодеров позволяют регулировать степень сжатия. Достигается это очень простым путем: чем выше степень сжатия установлена, тем меньшим количеством гармоник будет представлен каждый 64-пиксельный блок.

Безусловно, сильной стороной данного вида кодирования является большой коэффициент сжатия при сохранении исходной цветовой глубины. Именно это свойство обусловило его широкое применение в Internet, где уменьшение размера файлов имеет первостепенное значение, в мультимедийных энциклопедиях, где требуется хранение возможно большего количества графики в ограниченном объеме.

Отрицательным свойством этого формата является неустранимое никакими средствами, внутренне ему присущее ухудшение качества изображения. Именно этот печальный факт не позволяет применять его в полиграфии, где качество ставится во главу угла.

Однако формат JPEG не является пределом совершенства в стремлении уменьшить размер конечного файла. В последнее время ведутся интенсивные исследования в области так называемого вейвлет-преобразования (или всплеск-преобразования). Основанные на сложнейших математических принципах вейвлет-кодеры позволяют получить большее сжатие, чем JPEG, при меньших потерях информации. Несмотря на сложность математики вейвлет-преобразования, в программной реализации оно проще, чем JPEG. Хотя алгоритмы вейвлет-сжатия пока находятся в начальной стадии развития, им уготовано большое будущее.

Фрактальное сжатие

Фрактальное сжатие изображений - это алгоритм сжатия изображений c потерями, основанный на применении систем итерируемых функций (IFS, как правило являющимися аффинными преобразованиями) к изображениям. Данный алгоритм известен тем, что в некоторых случаях позволяет получить очень высокие коэффициенты сжатия (лучшие примеры - до 1000 раз при приемлемом визуальном качестве) для реальных фотографий природных объектов, что недоступно для других алгоритмов сжатия изображений в принципе. Из-за сложной ситуации с патентованием широкого распространения алгоритм не получил.

Фрактальная архивация основана на том, что с помощью коэффициентов системы итерируемых функций изображение представляется в более компактной форме. Прежде чем рассматривать процесс архивации, разберем, как IFS строит изображение.

Строго говоря, IFS - это набор трехмерных аффинных преобразований, переводящих одно изображение в другое. Преобразованию подвергаются точки в трехмерном пространстве (x координата, у координата, яркость).

Основа метода фрактального кодирования - это обнаружение самоподобных участков в изображении. Впервые возможность применения теории систем итерируемых функций (IFS) к проблеме сжатия изображения была исследована Майклом Барнсли и Аланом Слоуном. Они запатентовали свою идею в 1990 и 1991 гг. Джеквин (Jacquin) представил метод фрактального кодирования, в котором используются системы доменных и ранговых блоков изображения (domain and range subimage blocks), блоков квадратной формы, покрывающих все изображение. Этот подход стал основой для большинства методов фрактального кодирования, применяемых сегодня. Он был усовершенствован Ювалом Фишером (Yuval Fisher) и рядом других исследователей.

В соответствии с данным методом изображение разбивается на множество неперекрывающихся ранговых подизображений (range subimages) и определяется множество перекрывающихся доменных подизображений (domain subimages). Для каждого рангового блока алгоритм кодирования находит наиболее подходящий доменный блок и аффинное преобразование, которое переводит этот доменный блок в данный ранговый блок. Структура изображения отображается в систему ранговых блоков, доменных блоков и преобразований.

Идея заключается в следующем: предположим, что исходное изображение является неподвижной точкой некоего сжимающего отображения. Тогда можно вместо самого изображения запомнить каким-либо образом это отображение, а для восстановления достаточно многократно применить это отображение к любому стартовому изображению.

По теореме Банаха, такие итерации всегда приводят к неподвижной точке, то есть к исходному изображению. На практике вся трудность заключается в отыскании по изображению наиболее подходящего сжимающего отображения и в компактном его хранении. Как правило, алгоритмы поиска отображения (то есть алгоритмы сжатия) в значительной степени переборные и требуют больших вычислительных затрат. В то же время, алгоритмы восстановления достаточно эффективны и быстры.

Вкратце метод, предложенный Барнсли, можно описать следующим образом. Изображение кодируется несколькими простыми преобразованиями (в нашем случае аффинными), то есть определяется коэффициентами этих преобразований (в нашем случае A, B, C, D, E, F).

Например, изображение кривой Коха можно закодировать четырмя аффинными преобразованиями, мы однозначно определим его с помощью всего 24-х коэффициентов.

В результате точка обязательно перейдёт куда-то внутрь чёрной области на исходном изображении. Проделав такую операцию много раз, мы заполним все чёрное пространство, тем самым восстановив картинку.

Наиболее известны два изображения, полученных с помощью IFS: треугольник Серпинского и папоротник Барнсли. Первое задается тремя, а второе - пятью аффинными преобразованиями (или, в нашей терминологии, линзами). Каждое преобразование задается буквально считанными байтами, в то время как изображение, построенное с их помощью, может занимать и несколько мегабайт.

Становится понятно, как работает архиватор, и почему ему требуется так много времени. Фактически, фрактальная компрессия - это поиск самоподобных областей в изображении и определение для них параметров аффинных преобразований.

В худшем случае, если не будет применяться оптимизирующий алгоритм, потребуется перебор и сравнение всех возможных фрагментов изображения разного размера. Даже для небольших изображений при учете дискретности мы получим астрономическое число перебираемых вариантов. Даже резкое сужение классов преобразований, например, за счет масштабирования только в определенное число раз, не позволит добиться приемлемого времени. Кроме того, при этом теряется качество изображения. Подавляющее большинство исследований в области фрактальной компрессии сейчас направлены на уменьшение времени архивации, необходимого для получения качественного изображения.

Для фрактального алгоритма компрессии, как и для других алгоритмов сжатия с потерями, очень важны механизмы, с помощью которых можно будет регулировать степень сжатия и степень потерь. К настоящему времени разработан достаточно большой набор таких методов. Во-первых, можно ограничить количество преобразований, заведомо обеспечив степень сжатия не ниже фиксированной величины. Во-вторых, можно потребовать, чтобы в ситуации, когда разница между обрабатываемым фрагментом и наилучшим его приближением будет выше определенного порогового значения, этот фрагмент дробился обязательно (для него обязательно заводится несколько линз). В-третьих, можно запретить дробить фрагменты размером меньше, допустим, четырех точек. Изменяя пороговые значения и приоритет этих условий, можно очень гибко управлять коэффициентом компрессии изображения: от побитного соответствия, до любой степени сжатия.

Сравнение с JPEG

Сегодня наиболее распространенным алгоритмом архивации графики является JPEG. Сравним его с фрактальной компрессией.

Во-первых, заметим, что и тот, и другой алгоритм оперируют 8-битными (в градациях серого) и 24-битными полноцветными изображениями. Оба являются алгоритмами сжатия с потерями и обеспечивают близкие коэффициенты архивации. И у фрактального алгоритма, и у JPEG существует возможность увеличить степень сжатия за счет увеличения потерь. Кроме того, оба алгоритма очень хорошо распараллеливаются.

Различия начинаются, если мы рассмотрим время, необходимое алгоритмам для архивации/разархивации. Так, фрактальный алгоритм сжимает в сотни и даже в тысячи раз дольше, чем JPEG. Распаковка изображения, наоборот, произойдет в 5-10 раз быстрее. Поэтому, если изображение будет сжато только один раз, а передано по сети и распаковано множество раз, то выгодней использовать фрактальный алгоритм.

JPEG использует разложение изображения по косинусоидальным функциям, поэтому потери в нем (даже при заданных минимальных потерях) проявляются в волнах и ореолах на границе резких переходов цветов. Именно за этот эффект его не любят использовать при сжатии изображений, которые готовят для качественной печати: там этот эффект может стать очень заметен.

Фрактальный алгоритм избавлен от этого недостатка. Более того, при печати изображения каждый раз приходится выполнять операцию масштабирования, поскольку растр (или линиатура) печатающего устройства не совпадает с растром изображения. При преобразовании также может возникнуть несколько неприятных эффектов, с которыми можно бороться либо масштабируя изображение программно (для дешевых устройств печати типа обычных лазерных и струйных принтеров), либо снабжая устройство печати своим процессором, винчестером и набором программ обработки изображений (для дорогих фотонаборных автоматов). Как можно догадаться, при использовании фрактального алгоритма таких проблем практически не возникает.

Вытеснение JPEG фрактальным алгоритмом в повсеместном использовании произойдет еще не скоро (хотя бы в силу низкой скорости архивации последнего), однако в области приложений мультимедиа, в компьютерных играх его использование вполне оправдано.

Методы сжатия информации

Все методы сжатия информации можно разделить на два больших непересекающихся класса: сжатие с потерей информации и сжатие без потери информации.

Сжатие с потерей информации означает, что после распаковки архива будет получен документ, несколько отличающийся от исходного. Чем больше сжатие, тем соответственно больше потери. Такие методы применяются, когда можно пожертвовать несколькими процентами информации, для фотографий, видеоданных и музыки. При потери нескольких процентов информации достигается сжатие в несколько десятков раз, 10 - 15 для музыки и
20 - 30 для фото и видеоматериалов.

К алгоритмам данного класса относятся алгоритмы JPEG и MPEG. Алгоритм JPEG используется для сжатия фотоизображений (графики). Графические файлы, сжатые этим алгоритмом, имеют расширение JPG. Алгоритм MPEG используется для сжатия видео и музыки. Сжатые файлы имеют расширение MPG для видео и MP3 для музыки.

Алгоритмы сжатия с потерей информации применяются только для потребительских целей, то есть для просмотра графики и прослушивания музыки. Если эти данные подлежать дальней обработки (редактированию), то должны применяться алгоритмы без потери информации.

Сжатие без потери информации означает, что после распаковки будет получен файл, который точно соответствует исходному файлу. Данный метод применяется для сжатия текстовых документов, дистрибутивов программ, создание резервных копий информации, хранящейся на диске, при передаче данных на внешних носителях, при передаче по электронной почте и т.д.

Методы сжатия, при которых не допустима потеря информации, основаны на устранении избыточности информации.

Алгоритмы ХАФМАНА основаны на перекодировки информации. При кодировке данных по таблице ASCII для кодирования любого символа используется одинаковое число бит – 8. Но есть символы, которые встречаются часто, например А или О, и которые встречаются редко. Программы для сжатия информации имеют свою таблицу перекодировки символов, меньшим числом бит, и приписывают её сжатому файлу.

Алгоритмы или методы RLE (Run Length Encoding) основаны на выявлении повторяющихся последовательностей. В текстовых документах повторяющиеся последовательности встречаются редко, но в таблицах достаточно часто, например повторение одной и той же цифры. В этом случае вместо последовательности ставят коэффициент и эту цифру.

Большие повторяющиеся последовательности одинаковых байт встречаются в графике, которая выполнена гладким цветом, например в мультфильмах.

Сжатие данных на жестком диске может быть основано не на устранении избыточности , а на принципах размещения данных на диске. В файловой системе FAT размер кластера может быть до 32 Кбайт. При записи данных файл всегда занимает кластер целиком, не зависимо от размера файла. Таким образом, при сжатии можно записать данные вплотную друг к другу.

Программы – архиваторы позволяют (стандартный набор функций):

Создавать архивный файл, то есть помещать в один файл группу файлов;

Распаковывать архив, то есть разместить в указанной папке все файлы архива;

Извлекать из архива выбранные файлы в указанный каталог;

Просматривать оглавление архива;

Добавлять новые файлы;

Обновлять файлы в архиве;

Удалять файлы из архива;

Создавать самораспаковывающиеся архивы;

Создавать многотомные архивы;

Самораспаковывающийся архив – это архивный файл, который может распаковываться без программы – архиватора. С этой целью к архиву добавляется специальный программный блок, который выполняет распаковку. Архив имеет расширение EXE. Применяются, как правило, для создания дистрибутивов программ.

Обычный архивный файл имеет оглавление , в котором для каждого файла содержится следующая информация:

Имя файла, возможно имена папок;

Дата и время последней модификации файла;

Размер файла на диске в архиве, степень сжатия;

Код циклического контроля, который используется для проверки целостности архива;

Состав информации зависит от программы - архиватора.

Для архивирования данных в Windows широко известны программы WinZip и WinRar.

Программы имеют удобный интерфейс, выполняют стандартный набор функций, позволяют просматривать файл до распаковки. Команда INFO дает информацию об архиве: сколько файлов, степень сжатия и т.д.

Команда ДОБАВИТЬ (ADD) позволяет, как создать новый архив, так и добавить в архив.

Метод обновления:

- Добавить и заменить (Add and Replace Files) – все выбранные файлы включаются в архив, если файл существует, то он заменяется новым;

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.

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,

· 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 изменениеструктуры 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, вычисляется по формуле.

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.

GORKOFF 24 февраля 2015 в 11:41

Методы сжатия данных

• Алгоритмы

Мы с моим научным руководителем готовим небольшую монографию по обработке изображений. Решил представить на суд хабрасообщества главу, посвящённую алгоритмам сжатия изображений. Так как в рамках одного поста целую главу уместить тяжело, решил разбить её на три поста:
1. Методы сжатия данных;
2. Сжатие изображений без потерь;
3. Сжатие изображений с потерями.
Ниже вы можете ознакомиться с первым постом серии.

На текущий момент существует большое количество алгоритмов сжатия без потерь, которые условно можно разделить на две большие группы:
1. Поточные и словарные алгоритмы. К этой группе относятся алгоритмы семейств RLE (run-length encoding), LZ* и др. Особенностью всех алгоритмов этой группы является то, что при кодировании используется не информация о частотах символов в сообщении, а информация о последовательностях, встречавшихся ранее.
2. Алгоритмы статистического (энтропийного) сжатия. Эта группа алгоритмов сжимает информацию, используя неравномерность частот, с которыми различные символы встречаются в сообщении. К алгоритмам этой группы относятся алгоритмы арифметического и префиксного кодирования (с использованием деревьев Шеннона-Фанно, Хаффмана, секущих).
В отдельную группу можно выделить алгоритмы преобразования информации. Алгоритмы этой группы не производят непосредственного сжатия информации, но их применение значительно упрощает дальнейшее сжатие с использованием поточных, словарных и энтропийных алгоритмов.

Поточные и словарные алгоритмы

Кодирование длин серий

Кодирование длин серий (RLE - Run-Length Encoding) - это один из самых простых и распространённых алгоритмов сжатия данных. В этом алгоритме последовательность повторяющихся символов заменяется символом и количеством его повторов.
Например, строку «ААААА», требующую для хранения 5 байт (при условии, что на хранение одного символа отводится байт), можно заменить на «5А», состоящую из двух байт. Очевидно, что этот алгоритм тем эффективнее, чем длиннее серия повторов.

Основным недостатком этого алгоритма является его крайне низкая эффективность на последовательностях неповторяющихся символов. Например, если рассмотреть последовательность «АБАБАБ» (6 байт), то после применения алгоритма RLE она превратится в «1А1Б1А1Б1А1Б» (12 байт). Для решения проблемы неповторяющихся символов существуют различные методы.

Самым простым методом является следующая модификация: байт, кодирующий количество повторов, должен хранить информацию не только о количестве повторов, но и об их наличии. Если первый бит равен 1, то следующие 7 бит указывают количество повторов соответствующего символа, а если первый бит равен 0, то следующие 7 бит показывают количество символов, которые надо взять без повтора. Если закодировать «АБАБАБ» с использованием данной модификации, то получим «-6АБАБАБ» (7 байт). Очевидно, что предложенная методика позволяет значительно повысить эффективность RLE алгоритма на неповторяющихся последовательностях символов. Реализация предложенного подхода приведена в Листинг 1:

1. type
2. function RLEEncode(InMsg: ShortString) : TRLEEncodedString;
3. MatchFl: boolean ;
4. MatchCount: shortint ;
5. EncodedString: TRLEEncodedString;
6. N, i: byte ;
7. begin
8. N : = 0 ;
9. SetLength(EncodedString, 2 * length(InMsg) ) ;
10. while length(InMsg) >= 1 do
11. begin
12. MatchFl : = (length(InMsg) > 1 ) and (InMsg[ 1 ] = InMsg[ 2 ] ) ;
13. MatchCount : = 1 ;
14. while (MatchCount <= 126 ) and (MatchCount < length(InMsg) ) and ((InMsg[ MatchCount] = InMsg[ MatchCount + 1 ] ) = MatchFl) do
15. MatchCount : = MatchCount + 1 ;
16. if MatchFl then
17. begin
18. N : = N + 2 ;
19. EncodedString[ N - 2 ] : = MatchCount + 128 ;
20. EncodedString[ N - 1 ] : = ord (InMsg[ 1 ] ) ;
21. else
22. begin
23. if MatchCount <> length(InMsg) then
24. MatchCount : = MatchCount - 1 ;
25. N : = N + 1 + MatchCount;
26. EncodedString[ N - 1 - MatchCount] : = - MatchCount + 128 ;
27. for i : = 1 to MatchCount do
28. EncodedString[ N - 1 - MatchCount + i] : = ord (InMsg[ i] ) ;
29. end ;
30. delete(InMsg, 1 , MatchCount) ;
31. end ;
32. SetLength(EncodedString, N) ;
33. RLEEncode : = EncodedString;
34. end ;

Декодирование сжатого сообщения выполняется очень просто и сводится к однократному проходу по сжатому сообщению см. Листинг 2:

1. type
2. TRLEEncodedString = array of byte ;
3. function RLEDecode(InMsg: TRLEEncodedString) : ShortString;
4. RepeatCount: shortint ;
5. i, j: word ;
6. OutMsg: ShortString;
7. begin
8. OutMsg : = "" ;
9. i : = 0 ;
10. while i < length(InMsg) do
11. begin
12. RepeatCount : = InMsg[ i] - 128 ;
13. i : = i + 1 ;
14. if RepeatCount < 0 then
15. begin
16. RepeatCount : = abs (RepeatCount) ;
17. for j : = i to i + RepeatCount - 1 do
18. OutMsg : = OutMsg + chr (InMsg[ j] ) ;
19. i : = i + RepeatCount;
20. else
21. begin
22. for j : = 1 to RepeatCount do
23. OutMsg : = OutMsg + chr (InMsg[ i] ) ;
24. i : = i + 1 ;
25. end ;
26. end ;
27. RLEDecode : = OutMsg;
28. end ;

Вторым методом повышения эффективности алгоритма RLE является использование алгоритмов преобразования информации, которые непосредственно не сжимают данные, но приводят их к виду, более удобному для сжатия. В качестве примера такого алгоритма мы рассмотрим BWT-перестановку, названную по фамилиям изобретателей Burrows-Wheeler transform. Эта перестановка не изменяет сами символы, а изменяет только их порядок в строке, при этом повторяющиеся подстроки после применения перестановки собираются в плотные группы, которые гораздо лучше сжимаются с помощью алгоритма RLE. Прямое BWT преобразование сводится к последовательности следующих шагов:
1. Добавление к исходной строке специального символа конца строки, который нигде более не встречается;
2. Получение всех циклических перестановок исходной строки;
3. Сортировка полученных строк в лексикографическом порядке;
4. Возвращение последнего столбца полученной матрицы.
Реализация данного алгоритма приведена в Листинг 3.

1. const
2. EOMsg = "|" ;
3. function BWTEncode(InMsg: ShortString) : ShortString;
4. OutMsg: ShortString;
5. LastChar: ANSIChar;
6. N, i: word ;
7. begin
8. InMsg : = InMsg + EOMsg;
9. N : = length(InMsg) ;
10. ShiftTable[ 1 ] : = InMsg;
11. for i : = 2 to N do
12. begin
13. LastChar : = InMsg[ N] ;
14. InMsg : = LastChar + copy(InMsg, 1 , N - 1 ) ;
15. ShiftTable[ i] : = InMsg;
16. end ;
17. Sort(ShiftTable) ;
18. OutMsg : = "" ;
19. for i : = 1 to N do
20. OutMsg : = OutMsg + ShiftTable[ i] [ N] ;
21. BWTEncode : = OutMsg;
22. end ;

Проще всего пояснить это преобразование на конкретном примере. Возьмём строку «АНАНАС» и договоримся, что символом конца строки будет символ «|». Все циклические перестановки этой строки и результат их лексикографической сортировки приведены в Табл. 1.

Т.е. результатом прямого преобразования будет строка «|ННАААС». Легко заметить, что это строка гораздо лучше, чем исходная, сжимается алгоритмом RLE, т.к. в ней существуют длинные подпоследовательности повторяющихся букв.
Подобного эффекта можно добиться и с помощью других преобразований, но преимущество BWT-преобразования в том, что оно обратимо, правда, обратное преобразование сложнее прямого. Для того, чтобы восстановить исходную строку, необходимо выполнить следующие действия:
Создать пустую матрицу размером n*n, где n-количество символов в закодированном сообщении;
Заполнить самый правый пустой столбец закодированным сообщением;
Отсортировать строки таблицы в лексикографическом порядке;
Повторять шаги 2-3, пока есть пустые столбцы;
Вернуть ту строку, которая заканчивается символом конца строки.

Реализация обратного преобразования на первый взгляд не представляет сложности, и один из вариантов реализации приведён в Листинг 4.

1. const
2. EOMsg = "|" ;
3. function BWTDecode(InMsg: ShortString) : ShortString;
4. OutMsg: ShortString;
5. ShiftTable: array of ShortString;
6. N, i, j: word ;
7. begin
8. OutMsg : = "" ;
9. N : = length(InMsg) ;
10. SetLength(ShiftTable, N + 1 ) ;
11. for i : = 0 to N do
12. ShiftTable[ i] : = "" ;
13. for i : = 1 to N do
14. begin
15. for j : = 1 to N do
16. ShiftTable[ j] : = InMsg[ j] + ShiftTable[ j] ;
17. Sort(ShiftTable) ;
18. end ;
19. for i : = 1 to N do
20. if ShiftTable[ i] [ N] = EOMsg then
21. OutMsg : = ShiftTable[ i] ;
22. delete(OutMsg, N, 1 ) ;
23. BWTDecode : = OutMsg;
24. end ;

Но на практике эффективность зависит от выбранного алгоритма сортировки. Тривиальные алгоритмы с квадратичной сложностью, очевидно, крайне негативно скажутся на быстродействии, поэтому рекомендуется использовать эффективные алгоритмы.

После сортировки таблицы, полученной на седьмом шаге, необходимо выбрать из таблицы строку, заканчивающуюся символом «|». Легко заметить, что это строка единственная. Т.о. мы на конкретном примере рассмотрели преобразование BWT.

Подводя итог, можно сказать, что основным плюсом группы алгоритмов RLE является простота и скорость работы (в том числе и скорость декодирования), а главным минусом является неэффективность на неповторяющихся наборах символов. Использование специальных перестановок повышает эффективность алгоритма, но также сильно увеличивает время работы (особенно декодирования).

Словарное сжатие (алгоритмы LZ)

Группа словарных алгоритмов, в отличие от алгоритмов группы RLE, кодирует не количество повторов символов, а встречавшиеся ранее последовательности символов. Во время работы рассматриваемых алгоритмов динамически создаётся таблица со списком уже встречавшихся последовательностей и соответствующих им кодов. Эту таблицу часто называют словарём, а соответствующую группу алгоритмов называют словарными.

Ниже описан простейший вариант словарного алгоритма:
Инициализировать словарь всеми символами, встречающимися во входной строке;
Найти в словаре самую длинную последовательность (S), совпадающую с началом кодируемого сообщения;
Выдать код найденной последовательности и удалить её из начала кодируемого сообщения;
Если не достигнут конец сообщения, считать очередной символ и добавить Sc в словарь, перейти к шагу 2. Иначе, выход.

Например, только что инициализированный словарь для фразы «КУКУШКАКУКУШОНКУКУПИЛАКАПЮШОН» приведён в Табл. 3:

В процессе сжатия словарь будет дополняться встречающимися в сообщении последовательностями. Процесс пополнения словаря приведён в Табл. 4.

При описании алгоритма намеренно было опущено описание ситуации, когда словарь заполняется полностью. В зависимости от варианта алгоритма возможно различное поведение: полная или частичная очистка словаря, прекращение заполнение словаря или расширение словаря с соответствующим увеличением разрядности кода. Каждый из этих подходов имеет определённые недостатки. Например, прекращение пополнения словаря может привести к ситуации, когда в словаре хранятся последовательности, встречающиеся в начале сжимаемой строки, но не встречающиеся в дальнейшем. В то же время очистка словаря может привести к удалению частых последовательностей. Большинство используемых реализаций при заполнении словаря начинают отслеживать степень сжатия, и при её снижении ниже определённого уровня происходит перестройка словаря. Далее будет рассмотрена простейшая реализация, прекращающая пополнение словаря при его заполнении.

Для начала определим словарь как запись, хранящую не только встречавшиеся подстроки, но и количество хранящихся в словаре подстрок:

Встречавшиеся ранее подпоследовательности хранятся в массиве Words, а их кодом являются номера подпоследовательностей в этом массиве.
Также определим функции поиска в словаре и добавления в словарь:

1. const
2. MAX_DICT_LENGTH = 256 ;
3. function FindInDict(D: TDictionary; str: ShortString) : integer ;
4. r: integer ;
5. i: integer ;
6. fl: boolean ;
7. begin
8. r : = - 1 ;
9. if D. WordCount > 0 then
10. begin
11. i : = D. WordCount ;
12. fl : = false ;
13. while (not fl) and (i >= 0 ) do
14. begin
15. i : = i - 1 ;
16. fl : = D. Words [ i] = str;
17. end ;
18. end ;
19. if fl then
20. r : = i;
21. FindInDict : = r;
22. end ;
23. procedure AddToDict(var D: TDictionary; str: ShortString) ;
24. begin
25. if D. WordCount < MAX_DICT_LENGTH then
26. begin
27. D. WordCount : = D. WordCount + 1 ;
28. SetLength(D. Words , D. WordCount ) ;
29. D. Words [ D. WordCount - 1 ] : = str;
30. end ;
31. end ;

Используя эти функции, процесс кодирования по описанному алгоритму можно реализовать следующим образом:

1. function LZWEncode(InMsg: ShortString) : TEncodedString;
2. OutMsg: TEncodedString;
3. tmpstr: ShortString;
4. D: TDictionary;
5. i, N: byte ;
6. begin
7. SetLength(OutMsg, length(InMsg) ) ;
8. N : = 0 ;
9. InitDict(D) ;
10. while length(InMsg) > 0 do
11. begin
12. tmpstr : = InMsg[ 1 ] ;
13. while (FindInDict(D, tmpstr) >= 0 ) and (length(InMsg) > length(tmpstr) ) do
14. tmpstr : = tmpstr + InMsg[ length(tmpstr) + 1 ] ;
15. if FindInDict(D, tmpstr) < 0 then
16. delete(tmpstr, length(tmpstr) , 1 ) ;
17. OutMsg[ N] : = FindInDict(D, tmpstr) ;
18. N : = N + 1 ;
19. delete(InMsg, 1 , length(tmpstr) ) ;
20. if length(InMsg) > 0 then
21. AddToDict(D, tmpstr + InMsg[ 1 ] ) ;
22. end ;
23. SetLength(OutMsg, N) ;
24. LZWEncode : = OutMsg;
25. end ;

Результатом кодирования будут номера слов в словаре.
Процесс декодирования сводится к прямой расшифровке кодов, при этом нет необходимости передавать созданный словарь, достаточно, чтобы при декодировании словарь был инициализирован так же, как и при кодировании. Тогда словарь будет полностью восстановлен непосредственно в процессе декодирования путём конкатенации предыдущей подпоследовательности и текущего символа.

Единственная проблема возможна в следующей ситуации: когда необходимо декодировать подпоследовательность, которой ещё нет в словаре. Легко убедиться, что это возможно только в случае, когда необходимо извлечь подстроку, которая должна быть добавлена на текущем шаге. А это значит, что подстрока удовлетворяет шаблону cSc, т.е. начинается и заканчивается одним и тем же символом. При этом cS – это подстрока, добавленная на предыдущем шаге. Рассмотренная ситуация – единственная, когда необходимо декодировать ещё не добавленную строку. Учитывая вышесказанное, можно предложить следующий вариант декодирования сжатой строки:

1. function LZWDecode(InMsg: TEncodedString) : ShortString;
2. D: TDictionary;
3. OutMsg, tmpstr: ShortString;
4. i: byte ;
5. begin
6. OutMsg : = "" ;
7. tmpstr : = "" ;
8. InitDict(D) ;
9. for i : = 0 to length(InMsg) - 1 do
10. begin
11. if InMsg[ i] >= D. WordCount then
12. tmpstr : = D. Words [ InMsg[ i - 1 ] ] + D. Words [ InMsg[ i - 1 ] ] [ 1 ]
13. else
14. tmpstr : = D. Words [ InMsg[ i] ] ;
15. OutMsg : = OutMsg + tmpstr;
16. if i > 0 then
17. AddToDict(D, D. Words [ InMsg[ i - 1 ] ] + tmpstr[ 1 ] ) ;
18. end ;
19. LZWDecode : = OutMsg;
20. end ;

К плюсам словарных алгоритмов относится их большая по сравнению с RLE эффективность сжатия. Тем не менее надо понимать, что реальное использование этих алгоритмов сопряжено с некоторыми трудностями реализации.

Энтропийное кодирование

Кодирование с помощью деревьев Шеннона-Фано

Алгоритм Шеннона-Фано - один из первых разработанных алгоритмов сжатия. В основе алгоритма лежит идея представления более частых символов с помощью более коротких кодов. При этом коды, полученные с помощью алгоритма Шеннона-Фано, обладают свойством префиксности: т.е. ни один код не является началом никакого другого кода. Свойство префиксности гарантирует, что кодирование будет взаимно-однозначным. Алгоритм построения кодов Шеннона-Фано представлен ниже:
1. Разбить алфавит на две части, суммарные вероятности символов в которых максимально близки друг к другу.
2. В префиксный код первой части символов добавить 0, в префиксный код второй части символов добавить 1.
3. Для каждой части (в которой не менее двух символов) рекурсивно выполнить шаги 1-3.
Несмотря на сравнительную простоту, алгоритм Шеннона-Фано не лишён недостатков, самым существенным из которых является неоптимальность кодирования. Хоть разбиение на каждом шаге и является оптимальным, алгоритм не гарантирует оптимального результата в целом. Рассмотрим, например, следующую строку: «ААААБВГДЕЖ». Соответствующее дерево Шеннона-Фано и коды, полученные на его основе, представлены на Рис. 1:

Без использования кодирования сообщение будет занимать 40 бит (при условии, что каждый символ кодируется 4 битами), а с использованием алгоритма Шеннона-Фано 4*2+2+4+4+3+3+3=27 бит. Объём сообщения уменьшился на 32.5%, но ниже будет показано, что этот результат можно значительно улучшить.

Кодирование с помощью деревьев Хаффмана

Алгоритм кодирования Хаффмана, разработанный через несколько лет после алгоритма Шеннона-Фано, тоже обладает свойством префиксности, а, кроме того, доказанной минимальной избыточностью, именно этим обусловлено его крайне широкое распространение. Для получения кодов Хаффмана используют следующий алгоритм:
1. Все символы алфавита представляются в виде свободных узлов, при этом вес узла пропорционален частоте символа в сообщении;
2. Из множества свободных узлов выбираются два узла с минимальным весом и создаётся новый (родительский) узел с весом, равным сумме весов выбранных узлов;
3. Выбранные узлы удаляются из списка свободных, а созданный на их основе родительский узел добавляется в этот список;
4. Шаги 2-3 повторяются до тех пор, пока в списке свободных больше одного узла;
5. На основе построенного дерева каждому символу алфавита присваивается префиксный код;
6. Сообщение кодируется полученными кодами.

Рассмотрим тот же пример, что и в случае с алгоритмом Шеннона-Фано. Дерево Хаффмана и коды, полученные для сообщения «ААААБВГДЕЖ», представлены на Рис. 2:

Легко подсчитать, что объём закодированного сообщения составит 26 бит, что меньше, чем в алгоритме Шеннона-Фано. Отдельно стоит отметить, что ввиду популярности алгоритма Хаффмана на данный момент существует множество вариантов кодирования Хаффмана, в том числе и адаптивное кодирование, которое не требует передачи частот символов.
Среди недостатков алгоритма Хаффмана значительную часть составляют проблемы, связанные со сложностью реализации. Использование для хранения частот символов вещественных переменных сопряжено с потерей точности, поэтому на практике часто используют целочисленные переменные, но, т.к. вес родительских узлов постоянно растёт, рано или поздно возникает переполнение. Т.о., несмотря на простоту алгоритма, его корректная реализация до сих пор может вызывать некоторые затруднения, особенно для больших алфавитов.

Кодирование с помощью деревьев секущих функций

Кодирование с помощью секущих функций – разработанный авторами алгоритм, позволяющий получать префиксные коды. В основе алгоритма лежит идея построения дерева, каждый узел которого содержит секущую функцию. Чтобы подробнее описать алгоритм, необходимо ввести несколько определений.
Слово – упорядоченная последовательность из m бит (число m называют разрядностью слова).
Литерал секущей – пара вида разряд-значение разряда. Например, литерал (4,1) означает, что 4 бит слова должен быть равен 1. Если условие литерала выполняется, то литерал считается истинным, в противном случае - ложным.
k-разрядной секущей называют множество из k литералов. Если все литералы истинны, то и сама секущая функция истинная, в противном случае она ложная.

Дерево строится так, чтобы каждый узел делил алфавит на максимально близкие части. На Рис. 3 показан пример дерева секущих:

Дерево секущих функций в общем случае не гарантирует оптимального кодирования, но зато обеспечивает крайне высокую скорость работы за счёт простоты операции в узлах.

Арифметическое кодирование

Арифметическое кодирование – один из наиболее эффективных способов сжатия информации. В отличие от алгоритма Хаффмана арифметическое кодирование позволяет кодировать сообщения с энтропией меньше 1 бита на символ. Т.к. большинство алгоритмов арифметического кодирования защищены патентами, далее будут описаны только основные идеи.
Предположим, что в используемом алфавите N символов a_1,…,a_N, с частотами p_1,…,p_N, соответственно. Тогда алгоритм арифметического кодирования будет выглядеть следующим образом:
В качестве рабочего полуинтервала взять }