Сжатие.

На этой странице:

Изображения, в машинном представлении, - двумерная матрица N на M, где N - его ширина, M - высота. При сканировании обычно используют разрешение от 72 до 2400 dpi (dots per inch - точек на дюйм). Наиболее часто - 300 dpi. Если взять лист бумаги 21/29 см с изображением и отсканировать его в RGB Truecolor, то несжатое изображение будет занимать ~27300000 байтов или 26 Мбайт. Обычно в базах данных применяют изображения порядка от 320x240 до 640x480. Но и они занимают 76 до 900 Кбайт. А что, если таких изображений сотни, тысячи? В данном разделе рассмотрим методы сжатия. Они применительны для любых массивов данных, а не только для изображений. О методах сжатия, характерных только для изображений узнаем немного позже. Будем рассматривать статическое сжатие, то есть массив данных для сжатия целиком сформирован. Методы сжатия статического часто подразделяют на последовательное и энтропийное. Последовательное сжатие использует в работе наличие повторяющихся участков. Энтропийное используется с целью сокращения к минимуму избыточности информации. Последовательное применение этих методов позволяет получить хороший результат.

Последовательное сжатие.

Наиболее часто применяют метод RLE, суть которого рассмотрим на изображении. Почти в любом изображении, особенно в компьютерных рисунках, встречаются последовательности одинаковых байтов. Например, в участке изображения, в котором нарисована часть неба, идут подряд несколько значений голубого цвета. Для участка вида: ККККККККЗЗЗЗСЗССССССССС , где К- красный, З - зеленый, С - синий цвета, будет закодирован как (8,К),(4,З),С,З,(10,С). В скобках - пары количество повторений, значение байта. Вот как данный метод применяется в формате PCX. Декодирование: если код принадлежит множеству [192..255], то вычитаем из него 192 и получаем количество повторений следующего байта. Если же он меньше 192, то помещаем его в декодируемый поток без изменений. Оригинально кодируются единичные байты в диапазоне [192..255] - двумя байтами, например, чтобы закодировать 210 необходимо, представить его как (193, 210). Данный метод дает выигрыш в среднем в 2 раза. Однако для отсканированных изображений, содержащих плавные цветовые переходы (то есть повторяющиеся цепочки почти не встречаются), данный метод может преподнести сюрприз - размер массива с закодированным изображением будет больше исходного.

Наиболее распространены в настоящее время модификации алгоритма LZ (по имени их авторов - Лемпела и Зива). По сравнению с RLE сделан шаг вперед - будем искать в исходном материале не последовательности одинаковых видов, а повторяющихся цепочек символов. Повторяющие цепочки в кодированном сообщении хранятся как ссылка на первое появление данной цепочки. Например, в цепочке КЗСЗБСКЗСЗБ начиная с 7 символа, идет цепочка КЗСЗ, которую мы можем заменить ссылкой на 1-ый символ. Рассмотрим наиболее распространенные реализации алгоритма LZ:

1. LZ77 - при работе выдает тройки вида (A, B, C), где A - смещение (адрес предыдущей цепочки B байтов которой совпадают с кодируемой цепочкой), B - длина цепочки, C - первый символ в кодируемом массиве, следующий за цепочкой. Если совпадение не обнаружено то создается тройка вида (0, 0, С), где C - первый символ кодируемой цепочки. Недостаток такого подхода очевиден - при кодировании «редких» байтов мы «сжимаем» один байт в три. Преимущество - простота реализации, большая скорость декодирования.
2. LZSS - создает при работе вектора вида (флаг, C) и (флаг, A, B). Если битовый флаг=0, то следующий за ним C трактуется, как единичный байт и выдается в декодируемый массив. Иначе, когда флаг=1, то в декодируемый массив выдается цепочка длиною B по смещению A. LZSS кодирует намного более эффективно, по сравнению с LZ77, так как использует битовые флаги и мало проигрывает при кодировании одиночных символов. При кодировании строится словарь встречающихся цепочек в виде двоичного упорядоченного дерева. Скорость и простота алгоритма декодирования массива у LZSS также высока.
3. LZMX (упрощенный LZM) - данный алгоритм предназначен для скоростного кодирования и по эффективности уступает LZSS, заметно обгоняя его по скорости работы. При работе кодер LZMX формирует несколько векторов вида:
1. (0, A, несжатый поток) - где 00 -2х битовый флаг признака данного блока, A (7 битов с диапазоном в [1..127]) - длина следующего за ним несжатого потока в байтах..
2. (0, 0000000, A, B) - где, A - количество повторяющего байта B. То есть код RLE.
3. (1, A, B) - где A(7 битов с диапазоном в [1..127]) - длина декодируемой цепочки, B - ее смещение.

Для быстрого поиска повторяющихся цепочек используется хеш. Индекс - 12 битовый, вычисляется как [ (a*4) xor (b*2) ] xor c, где a, b, c - первые символы цепочки. Индекс дает смещение в массиве ранее встреченной цепочки с теми же первыми символами. Использование хеша и дает высокую скорость кодирования. Декодирование также имеет большую скорость - читается бит - флаг, если он есть 0 и следующие за ним 7 битов также ноль, читаем следующие два байта - A и B и копируем в выходной массив байт B A - раз: если при флаге=0 следующие 7 битов=A больше нуля, то в выходной массив копируем A байтов следующих за A. И, наконец, если флаг установлен в единицу, то читаем A и следующий за ним байт B и копируем в выходной массив цепочку длиною A байт со смещения B.

Существуют и другие модификации алгоритма LZ (LZW, LZS, LZ78 ...). Общее свойство LZ - высокая скорость декодирования. Общая проблема - эффективность поиска кодируемых цепочек. Модификация данного алгоритма используется в графическом формате GIF.