Теория информации

Выбирая инструмент для работы с архивами, прежде всего, следует учитывать как минимум два фактора: эффективность, т. е. оптимальное соотношение между экономией дискового пространства и производительностью работы, и совместимость, т. е. возможность обмена данными с другими пользователями

Последняя, пожалуй, наиболее значима, так как по достигаемой степени сжатия, конкурирующие форматы и инструменты различаются на проценты, а высокая вычислительная мощность современных компьютеров делает время обработки архивов не столь существенным показателем. Поэтому при выборе программы-архиватора важнейшим критерием становится ее способность "понимать" наиболее распространенные архивные форматы.

При архивации надо иметь в виду, что качество сжатия файлов сильно зависит от степени избыточности хранящихся в них данных, которая определяется их типом. К примеру, степень избыточности у видеоданных обычно в несколько раз больше, чем у графических, а степень избыточности графических данных в несколько раз больше, чем текстовых. На практике это означает, что, скажем, изображения форматов BMP и TIFF, будучи помещенными в архив, как правило, уменьшаются в размере сильнее, чем документы MS Word. А вот рисунки JPEG уже заранее компрессированы, поэтому даже самый лучший архиватор для них будет мало эффективен. Также крайне незначительно сжимаются исполняемые файлы программ и архивы.

Программы-архиваторы можно разделить на три категории.

Программы, используемые для сжатия исполняемых файлов, причем все файлы, которые прошли сжатие, свободно запускаются, но изменение их содержимого, например русификация, возможны только после их разархивации.

Программы, используемые для сжатия мультимедийных файлов, причем можно после сжатия эти файлы свободно использовать, хотя, как правило, при сжатии изменяется их формат (внутренняя структура), а иногда и ассоциируемая с ними программа, что может привести к проблемам с запуском.

3. Программы, используемые для сжатия любых видов файлов и каталогов, причем в основном использование сжатых файлов возможно только после разархивации. Хотя имеются программы, которые "видят" некоторые типы архивов как самые обычные каталоги, но они имеют ряд неприятных нюансов, например, сильно нагружают центральный процессор, что исключает их использование на "слабых машинах".

Принцип работы архиваторов основан на поиске в файле "избыточной" информации и последующем ее кодировании с целью получения минимального объема. Самым известным методом архивации файлов является сжатие последовательностей одинаковых символов. Например, внутри вашего файла находятся последовательности байтов, которые часто повторяются. Вместо того, чтобы хранить каждый байт, фиксируется количество повторяемых символов и их позиция. Например, архивируемый файл занимает 15 байт и состоит из следующих символов:

В В В В В L L L L L А А А А А

В шестнадцатеричной системе

42 42 42 42 42 4С 4С 4С 4С 4С 41 41 41 41 41

Архиватор может представить этот файл в следующем виде (шестнадцатеричном):

01 05 42 06 05 4С 0А 05 41

Это значит: с первой позиции пять раз повторяется символ "В", с позиции 6 пять раз повторяется символ "L" и с позиции 11 пять раз повторяется символ "А". Для хранения файла в такой форме потребуется всего 9 байт, что на 6 байт меньше исходного.

Описанный метод является простым и очень эффективным способом сжатия файлов. Однако он не обеспечивает большой экономии объема, если обрабатываемый текст содержит небольшое количество последовательностей повторяющихся символов.

Более изощренный метод сжатия данных, используемый в том или ином виде практически любым архиватором, -- это так называемый оптимальный префиксный код и, в частности, кодирование символами переменной длины (алгоритм Хаффмана).

Код переменной длины позволяет записывать наиболее часто встречающиеся символы и группы символов всего лишь несколькими битами, в то время как редкие символы и фразы будут записаны более длинными битовыми строками. Например, в любом английском тексте буква Е встречается чаще, чем Z, а X и Q относятся к наименее встречающимся. Таким образом, используя специальную таблицу соответствия, можно закодировать каждую букву Е меньшим числом битов и использовать более длинный код для более редких букв.

Популярные архиваторы ARJ, РАК, PKZIP работают на основе алгоритма Лемпела-Зива. Эти архиваторы классифицируются как адаптивные словарные кодировщики, в которых текстовые строки заменяются указателями на идентичные им строки, встречающиеся ранее в тексте. Например, все слова какой-нибудь книги могут быть представлены в виде номеров страниц и номеров строк некоторого словаря. Важнейшей отличительной чертой этого алгоритма является использование грамматического разбора предшествующего текста с расположением его на фразы, которые записываются в словарь. Указатели позволяют сделать ссылки на любую фразу в окне установленного размера, предшествующего текущей фразе. Если соответствие найдено, текущая фраза заменяется указателем на своего предыдущего двойника.

При архивации, как и при компрессировании, степень сжатия файлов сильно зависит от формата файла. Графические файлы, типа TIF и GIF, уже заранее компрессированы (хотя существует разновидность формата TIFF и без компрессии), и здесь даже самый лучший архиватор мало чего найдет для упаковки. Совсем другая картина наблюдается при архивации текстовых файлов, файлов PostScript, файлов BMP и им подобных.

КОДИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ, ЗВУКА И ВИДИО

ГРАФИЧЕСКИЕ ФОРМАТЫ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Все изображения в компьютере хранятся в том или ином графическом формате (более 50 видов). Каждый из них имеет свои особенности. Если работают с графикой или пользуются цифровым фотоаппаратом, то выбор правильного формата во многом определяет качество работ.

Все графические форматы делятся на две большие группы: растровые и векторные. Файлы первой из них содержат описание каждой точки изображения. Они представляют собой прямоугольную матрицу (bitmap), состоящую из маленьких квадратиков разного цвета -- пикселей. Самыми распространенными форматами этой группы являются GIF и JPEG, использующиеся в Интернете, а также BMP (стандартный формат Windows) и TIFF, применяющийся при хранении отсканированных изображений и в полиграфии. В растровом формате хранятся фотографии, рисунки и обои Рабочего стола. Видео также является последовательностью растровых изображений.

Файлы векторных форматов содержат не растровые точки, как у фотоснимка, а математические формулы, описывающие координаты кривых. Например, прямая линия представлена координатами двух точек, а окружность -- координатами центра и радиуса, поэтому достигается очень небольшой размер файла. Векторные графические форматы используют для передачи схем и рисунков, состоящих из набора линий, описываемых математическими формулами. В векторных форматах сохраняются логотипы, схематические рисунки, текст, предназначенный для вывода на печать, и другие подобные объекты.

Стандартными средствами преобразовать фотоизображение в векторный формат практически невозможно, для этого требуются специальные программы - конверторы. Наиболее распространенные расширения векторных файлов -- AI для пакета Adobe Illustrator, CDR для пакета CorelDRAW и WMF (еще один «стандартный» формат Windows).

Если отбросить устаревшие форматы PCX и TIFF, то остается всего четыре - BMP, JPEG, PNG, GIF. Скоро можно будет и GIF считать не рациональным.

Формат ВМР

BMP (Windows Device Independent Bitmap) -- это один из старейших форматов, к тому же являющийся «родным» форматом Windows. Основная область применения BMP -- хранение файлов, использующихся внутри операционной системы (например, обоев для Рабочего стола или иконок программ). Файл, сохраненный в этом формате, прочитает любой графический редактор. Файлы, сохраненные в BMP, могут содержать как 256 цветов, так и 16 700 000 оттенков. BMP - самый простой (если не сказать примитивный) графический формат. Записанный в нем файл представляет собой массив данных, содержащий информацию о цвете каждого пиксела, т. е. изображение размером 1024x768 точек с глубиной цвета 24 бита будет занимать 1024x768x3= 2 359 296 байт (без учета служебной информации об объеме и имени файла, составляющей еще несколько сот байт). Основной недостаток формата, ограничивающий его применение, -- большой размер BMP-файлов. Конечно, можно попробовать сохранить изображение в формате BMP со сжатием, однако это часто вызывает проблемы при работе с некоторыми графическими пакетами. Даже при нынешних емкостях жестких дисков хранить коллекцию 2,5-Мбайт графических файлов крайне обременительно. Да и передача графики в формате BMP по сети (по крайней мере, без сжатия с помощью различных архиваторов) -- обременительно. 10--20 лет назад возможности «железа» были намного скромнее, поэтому вопрос о разработке методов сжатия графической информации до приемлемых размеров стоял очень остро.

От формата LZW к формату GIF

Как и BMP, GIF (CompuServe Graphics Interchange Format) является одним из старейших форматов. В 1977 г. израильские математики А. Лемпел и Я. Зив разработали новый класс алгоритмов сжатия без потерь, получивший название метод Лемпела--Зива. Одновременно с самим алгоритмом, именуемым LZ77 (по первым буквам фамилий ученых и последним цифрам года создания), свет увидела статья, где излагались общие идеи данного метода. Впоследствии появилась усовершенствованная версия продукта -- LZ78. Многие специалисты стремились доработать его; наибольшее распространение получил вариант LZW, написанный Т. Уэлчем, сотрудником фирмы Unisys, в 1983 г. Он отличался от своего прародителя более высоким быстродействием. В 1985 г. Unisys запатентовала LZW. Этот алгоритм универсален и может использоваться для сжатия информации любого вида. Однако успешнее всего он справляется с графическими изображениями.

В 1987 г. компания CompuServe разработала на основе алгоритма LZW графический формат GIF (Graphic Interchange Format), позволивший эффективно сжимать изображения с глубиной цвета до 8 бит, а по тем временам 256 оттенков считалось огромным количеством. Он был разработан для передачи растровых изображений по сетям.

В 1989 г. CompuServe выпустила усовершенствованную версию формата, названную GIF89a. В нее были добавлены две функции, которые и по сей день обеспечивают формату популярность в Интернете (GIF позиционируется прежде всего как сетевой формат). Во-первых, был добавлен альфа-канал, где может храниться маска прозрачности, во-вторых, GIF стал анимированным, т. е. в один файл можно поместить несколько изображений, которые будут сменять друг друга через заданный интервал времени. Таким образом, GIF начал поддерживать прозрачность и анимацию. Файлы GIF содержат информацию в сжатом виде, что позволяет заметно уменьшить их размер, особенно если в них есть большие пространства, закрашенные одним цветом. Можно назначить один или несколько цветов прозрачными. Помимо этого GIF может хранить сразу несколько изображений, которые будут отображаться последовательно одно за другим. Объединив эти возможности, можно получить мини-мультфильмы, носящие название «анимированные GIF». Такие изображения можно встретить в оформлении интернет-сайтов, хотя в последнее время все большее количество дизайнеров предпочитают пользоваться технологией Flash.

Еще одна полезная особенность формата -- чересстрочная развертка. Во время загрузки изображения сначала показываются первая строка, пятая, десятая и т. д., а затем -- вторая, шестая, одиннадцатая. Таким образом создается эффект постепенного проявления картинки на экране. Это позволяет увидеть и оценить изображение еще до завершения загрузки, что особенно выгодно при работе с файлами внушительных размеров.

Область применения GIF известна всем -- это изображения с резкими цветовыми переходами и бизнес-графика (логотипы, кнопки, элементы оформления и т. п.). А вот для тех картинок, где важно постепенное изменение оттенков (например, для фотографий), данный формат подходит меньше всего. Первая причина таких ограничений -- небольшая по современным меркам максимальная глубина цвета изображения. Для фото 8 бит явно недостаточно. Вторая -- не всегда корректное преобразование файлов с плавными цветовыми переливами в палитру 256 цветов и менее. Третья причина ограниченности сферы применения GIF заключается в особенностях метода сжатия информации. Данные об изображении записываются построчно. В итоге все операции происходят с массивом строк высотой в один пиксел (каждая строка обрабатывается отдельно). Следствие этого -- не только крайняя неэффективность сжатия фотографий и любых других изображений, содержащих мало однотонных областей, но и зависимость его результата от расположения объектов. Главный недостаток GIF заключается в том, что изображение может содержать 256 цветов. Это слишком мало для большинства современных задач.

Кстати, алгоритм LZW используется и в формате-TIFF. Однако он по качеству сжатия значительно уступает формату GIF, хотя и поддерживает большее количество цветов в палитре.

Формат JPEG

Форматы на основе LZW не справлялись с эффективной обработкой фотографий, и потому появилась идея сжатия с потерей качества. Суть его заключается в том, что часть малозаметных для глаза деталей изображения опускается, а восстановленный после сжатия цифровой массив не полностью соответствует оригиналу. Таким образом, можно добиться довольно большой степени сжатия данных -- в 10--20 раз вместо двукратного, производимого без потерь.

В 1991 г. группа Joint Photographic Experts Group, опирающаяся на более чем полувековой опыт исследований в области человеческого зрения, представила первую спецификацию формата JPEG. Через три года она была признана индустриальным стандартом кодирования неподвижных изображений, зарегистрированным как ISO/IEC 10918-1. Впоследствии JPEG лег в основу стандарта сжатия видео MPEG.

JPEG (Joint Photographic Experts Group) на сегодняшний день является одним из наиболее популярных форматов. Всеобщего признания он достиг благодаря одноименному алгоритму сжатия, который показал отличные результаты в соотношении размер/качество.

JPEG сжимает файлы весьма оригинальным образом: он ищет не одинаковые пиксели, а вычисляет разницу между соседними квадратами размером 9x9 пикселей.

Информация, не заслуживающая внимания, отбрасывается, а ряд полученных значений усредняется. В результате получают файл в десятки или сотни раз меньшего размера, чем BMP. Естественно, чем выше уровень компрессии, тем ниже качество.

С помощью формата JPEG лучше всего хранить фотографии и другие похожие на них изображения. Скриншоты, схемы и чертежи лучше хранить в формате TIFF, поскольку при сохранении в JPEG неизбежно появятся помехи и «шумы».

Если обрабатывают файл в графическом редакторе, то сохранять его в JPEG нужно лишь после выполнения всех действий по редактированию. В противном случае с каждым сохранением его качество будет ухудшаться, что в конце концов приведет к «размазыванию» изображения.

Процесс обработки графической информации алгоритмом JPEG очень напоминает сжатие звуковых данных в формате МРЗ:

1. Исходное изображение делится на блоки размером 16x16 пикселов. Дальнейшие операции выполняются над каждым из них по отдельности, что дает существенный выигрыш в скорости по сравнению с тем случаем, когда картинка обрабатывается как единый массив.

2. Переход к более подходящему для сжатия способу представления цветов. Привычная модель RGB переводится в YCbCr, где Y -- сигнал яркости, а Сb и Сг -- насыщенность синего и красного соответственно. Такой способ представления цветов будет предпочтительнее и с точки зрения восприятия изображения человеческим глазом. Как известно, зрительная информация воспринимается с помощью сенсоров двух типов: палочек и колбочек. Первые анализируют яркостную составляющую изображения, вторые -- цвет. Палочек в 20 раз больше, чем колбочек, и, следовательно, глаз более восприимчив к изменению яркости, чем цвета.

Если учесть эту особенность человеческого зрения, то из матриц значений насыщенности синего и красного следует отбрасывать все четные строки и столбцы. Таким образом теряется 75% информации о распределении цветов. Матрица отчетов о яркости не изменяется, а делится на четыре части, образуя блоки 8x8.

3. Выполняется дискретное косинусное преобразование (Discrete Cosine Transform, DCT), предложенное В. Ченом в 1981 г. Оно сходно с преобразованием Фурье, только у DCT несколько ниже вероятность возникновения ошибки. Применение этого чисто математического приема объясняется тем, что в реальных изображениях соседние блоки достаточно похожи (коэффициент корреляции -- 0,9--0,98). DCT преобразует информацию о цвете и яркости каждого пиксела в информацию о скорости изменения этих величин. Это преобразование является обратимым, и, значит, по новой матрице может быть восстановлена исходная с точностью до погрешности данного метода. DCT позволяет значительно сократить объем данных и размер получаемого файла.

В результате DCT графическое изображение описывается двухмерной функцией, показывающей скорости изменения яркости и цвета. Причем для большинства фотографий характерны плавные, мягкие переходы этих параметров на соседних участках. Как выявили исследования, для корректного восприятия таких изображений глазу важнее низкочастотные компоненты матрицы DCT (плавные переходы), а высокочастотные (резкая смена оттенков и яркости) уже не столь существенны. Поэтому последние кодируются с меньшей детальностью, а при превышении определенной пороговой величины, зависящей от выбранного качества сжатия, вообще принимаются равными нулю. Следовательно, при кодировании файлов с низким качеством резкие цветовые переходы смазываются, а изображение становится несколько мозаичным.

4. Кодирование полученных величин методом Хаффмана -- последний этап. Оно заключается в присваивании часто повторяющимся элементам обрабатываемой информации самых коротких кодовых последовательностей, а редко встречающимся -- более длинных.

Вследствие этого размер получаемого файла несколько уменьшается.

Такой достаточно сложный алгоритм сжатия графической информации позволил формату JPEG обрабатывать фотографические изображения с большой эффективностью и неплохим качеством. Правда, область применения данного формата лишь фотографиями и ограничивается.

Формат PNG

PNG (Portable Network Graphics) обязан своим появлением на свет формату GIF, а точнее, его коммерческому статусу. Дело в том, что GIF основан на запатентованном алгоритме LZW, принадлежащем фирме Unisys, которая в первые годы существования GIF не предъявляла никаких претензий фирме CompuServe, разработавшей этот формат. Но стремительное развитие Интернета в 1993--1994 гг. внесло свои коррективы во взаимоотношения компаний. И из корыстных целей Unisys инициировала судебный процесс против CompuServe. Решение суда обязывало разработчиков ПО, в котором используется формат GIF, платить фирме Unisys лицензионные отчисления. Таким образом, GIF стал платным.

По традиции любому коммерческому программному продукту рано или поздно будет предложена бесплатная альтернатива. Примерами в данном случае могут служить операционные системы Windows и Linux или форматы сжатия звука МРЗ и OGG, причем этот список можно продолжать довольно долго. GIF также не суждено было удержать статус безальтернативного формата. Днем рождения PNG можно считать 4 января 1995 г., когда Т. Боутелл предложил в ряде конференций Usenet создать свободный формат, который был бы не хуже GIF. И уже через три недели после публикации идеи были разработаны четыре версии нового формата. Вначале он имел название PBF (Portable Bitmap Format), а нынешнее имя получил 23 января 1995 г. Уже в декабре того же года спецификация PNG версии 0.92 была рассмотрена консорциумом W3C, а с выходом 1 октября 1996 г. версии 1.0 PNG был рекомендован в качестве полноправного сетевого формата.

К моменту создания PNG глубина цвета 8 бит, предоставляемая GIF, перестала удовлетворять современным требованиям. Среди предложений довести глубину цвета до 24, 48 и даже до 64 бит был выбран первый вариант.

Как показало время, данное решение оказалось рациональным и отвечающим современным запросам. В заголовке файла формата PNG хранится описание всей палитры. Подстроившись таким образом под реальное количество цветов, можно получить достаточно компактный файл на выходе. Формат PNG имеет массу достоинств, выгодно отличающих его от конкурентов. Самое главное из них -- предварительная фильтрация обрабатываемых данных, поскольку большинство алгоритмов сжатия рассчитаны на одну вполне определенную модель информации. Например, формат JPEG «заточен» для изображений с плавными цветовыми переходами, a GIF -- с большим количеством однотонных областей. И чем больше структура картинки отличается от эталона, тем ниже эффективность сжатия. Порой изменение всего нескольких бит приводит к тому, что алгоритм начинает работать очень хорошо или, наоборот, очень плохо. Тем временем формат PNG стабильнее воспринимает такие трансформации, и высокий коэффициент сжатия достигается практически для любого рода изображений путем преобразования информации в вид, наиболее приемлемый для обработки.

Формат PNG очень удобен для создания элементов оформления вебстраниц благодаря наличию более совершенного альфа-канала, чем у GIF. Число его уровней доведено до 254 (в большинстве форматов альфа-канал ограничивается всего двумя слоями), а прозрачность каждого из них может варьировать от 0 до 100%. Таким образом, PNG предоставляет веб-дизайнерам очень мощное и удобное средство для построения сложных

многослойных изображений. Единственный тип рисунков, где PNG не может потеснить GIF на вебстраницах, -- небольшие кнопки и «смайлики» размером до 700--800 байт в формате GIF. За счет служебной информации и описания палитры такие файлы в формате PNG занимают на 10--30% больше места, да и анимированные картинки этот формат не поддерживает. Кстати, статичные «смайлики» чаще используются на страницах журналов, нежели во Всемирной паутине.

Будучи форматом следующего поколения PNG обладает еще несколькими приятными новшествами по сравнению со «старичками» JPEG и GIF. Во-первых, это несколько модифицированный вариант чересстрочной развертки. В отличие от GIF, где не до конца загруженное изображение отображается крупными строками, в формате PNG такой файл показывается большими точками, т. е. развертку следовало бы называть не чересстрочной, а «чересточечной», хотя первый вариант -- уже устоявшийся (произошел от английского interlace).

Во-вторых, нельзя не отметить встроенную в формат гамма-коррекцию. При переносе графического файла с одного компьютера на другой изображение может выглядеть светлее или темнее, чем в оригинале. Ситуация обостряется тогда, когда на компьютерах установлены различные ОС (MS Windows и Linux) или когда машины построены на базе разных платформ (например, PC и Macintosh). Соотношение между цифровой информацией и реально наблюдаемыми на мониторе цветами называется гаммой.

Встроенная в формат PNG гамма-коррекция работает следующим образом: данные о настройках дисплея, видеоплаты и ПО (информация о гамме) записываются в файл, при переносе которого на другой компьютер вид PNG-изображения не изменится.

Формат TIFF

Формат TIFF (Tagged Image File Format) наиболее распространен среди тех пользователей, которые превыше всего ставят качество изображения. Именно TIFF используется в издательствах, поскольку при сохранении изображения в этом формате не происходит потерь качества. К тому же этот формат поддерживают практически все программы как PC, так и Macintosh.

В принципе, TIFF -- это наиболее универсальный формат, обеспечивающий среднюю степень сжатия файла. Храня работы в TIFF, можно быть уверенным, что при просмотре файла вы увидите именно то изображение, которое сохраняли. За качество придется расплачиваться достаточно большим объемом файлов. Наиболее актуально это для владельцев цифровых фотоаппаратов, которые сохраняют фотографии на компактные карты памяти. Однако если хотят получить фотографии, которые потом можно будет обработать в Photoshop, сохраняют работы в TIFF.

Формат RAW

Существует еще один формат, о котором хотелось бы упомянуть, -- RAW. Его название созвучно английскому слову «raw» («сырой»). Действительно, при сохранении в RAW изображение записывается в самом что ни на есть сыром виде -- как последовательность байтов, содержащих цветовую информацию о каждом пикселе. Цветовые значения описываются в шестнадцатеричном формате, где О = черный и 255 = белый. При таком способе записи объем файлов оказывается не просто большим, а огромным. Однако именно формат RAW получил популярность среди профессиональных фотографов.

Использование формата RAW в цифровой фотографии позволяет избежать искажений, вызываемых неверными настройками фотокамеры

Дело в том, что цветовой баланс изображения, сохраняемого на карту памяти, во многом зависит от настроек цифрового фотоаппарата, и в первую очередь от установки баланса белого. Если цветовой баланс задан неверно, «вытянуть» фотографию в графическом редакторе будет очень сложно, поскольку при коррекции одного цвета неизбежно «поплывут» другие. При использовании формата RAW цветовой баланс, установленный на фотоаппарате, не будет иметь никакого значения. Вы получите наиболее точную фотографию, которую можно легко обработать на PC.

Сравнительная характеристика графических форматов

На первый взгляд, у всех описанных форматов сходное предназначение: добиться уменьшения размера графического файла до разумных пределов, чтобы его было удобно хранить на жестком диске и передавать через сеть. Но алгоритмы сжатия у каждого из них настолько различаются, что и сферы использования GIF, JPEG и PNG оказались разными. И чтобы выяснить оптимальные области применения этих форматов, был проведен анализ с участием достаточно большого количества тестовых изображений.

Фотографические изображения. Как оказалось, найти где-либо картинку фотографического качества -- задача не из легких даже для владельцев цифровой фотокамеры, поскольку она сохраняет снимки в формате JPEG, да и конвертировать JPEG в GIF или PNG было бы не совсем корректно. Но удалось решить ее довольно элегантным способом: в сканер была навалена куча мусора и преобразована в цифровую форму. Получившийся «шедевр» размером 2530x3490 точек с глубиной цвета 24 бита, занимающий 25,2 Мбайт, сжимался в форматах JPEG и PNG (вследствие неспособности сохранять изображения с палитрой, включающей более 256 цветов, GIF задействован не был).

Как и следовало ожидать, в данном случае формат JPEG с подобранным экспериментальным путем качеством в 70% намного опередил конкурентов. При минимальной потере качества сжатие более чем в 25 раз достойно похвалы. Причем отличия между оригиналом и сжатым файлом можно заменить, только если сильно увеличить изображение. PNG справился с задачей намного хуже. Последним пришел к финишу универсальный алгоритм сжатия информации, реализованный в программе WinRAR 3.20, который был включен в тест из любопытства.

Наиболее интересные результаты дало сжатие изображения, переведенного в палитру 256 цветов (8,42 Мбайт в формате BMP), благодаря чему в состязании смог участвовать GIF. И на этот раз в лидеры вышел JPEG, но, вопреки предположениям, размер файла получился несколько большим, чем при сжатии той же картинки, но с глубиной цвета 24 бита. Вероятно, увеличение размера файла вызвано огрублением цветовых переходов при переводе в палитру 8 бит. Среди форматов GIF и PNG последний оказался явным фаворитом, однако сжатие изображения архиватором дало просто поразительный результат: RAR-алгоритм превзошел по степени сжатия форматы, специально предназначенные для обработки изображений.

Помимо худшего показателя сжатия у GIF проявилась и еще одна отрицательная черта. Несмотря на то что изображение было заранее переведено в палитру 256 цветов, при конвертировании файла в этот формат произошла определенная потеря качества. И без того грубые цветовые переходы стали еще более выделяющимися, а само изображение несколько посветлело.

Эксперименты над небольшим фрагментом того же графического файла привели к практически идентичным результатам. Все закономерности остались неизменными, а коэффициенты сжатия у различных форматов лишь немного отличались от предыдущего примера.

Электрическая схема. Это изображение с малым количеством цветов, содержащее преимущественно однотонные области и резкие цветовые переходы. Казалось бы, здесь формат GIF должен камня на камне не оставить от конкурентов. Но и тут ситуация сложилась не в пользу детища CompuServe. Явным аутсайдером стал JPEG. Даже при 100%-ном качестве (204 Кбайт) в глаза бросается некоторое осветление закрашенных областей (серого и желтого). При установке же 6%-го качества, когда размер рисунка сопоставим с объемами файлов в форматах PNG и GIF, изображение сильно «поплыло». А вот тот факт, что PNG-файл занимает на 20% меньше места, чем аналогичная картинка в формате GIF, заставляет задуматься об эффективности последнего. И опять здесь удивил WinRAR, сжавший схему почти в 2 раза лучше все того же GIF.

«Полосатые» рисунки. Весьма показательный пример, выявляющий главный недостаток LZW-алгоритма, примененного в формате GIF. Рисунок, состоящий из горизонтальных полос, занимает в формате GIF почти в 4 раза меньше места, чем то же изображение, повернутое на 90°. Предварительная фильтрация информации, реализованная в PNG, сделала этот формат свободным от данного недостатка. Помимо большей степени сжатия по сравнению с GIF различие в размере «полосатых» файлов составило всего 10%. Но самыми компактными снова оказались ВМР-файлы, упакованные архиватором. А разница в 2 (!) байта между изображениями с горизонтальными и вертикальными полосами просто поражает.

Снимок с экрана. В нем присутствовали достаточно сложные многоцветные элементы и все 256 цветов палитры. Результат: изображение в формате PNG на 40% меньше GIF-файла.

«Смайлик». Пожалуй, единственная на ближайшее время гарантия «неприкосновенности» формата GIF -- огромная популярность различных графических «смайликов» на широких сетевых просторах, в частности на форумах и в чатах. Порой бывает гораздо легче передать яркую эмоцию с помощью маленькой картинки, нежели сделать это словом и даже целым предложением. Да и по компактности получаемого файла GIF в данном случае вне конкуренции.

Выводы: Результаты сравнительного анализа основных графических форматов оказались достаточно предсказуемыми. В области хранения фотоизображений явным лидером, если не сказать монополистом, стал формат JPEG. Он обеспечивает отличное качество картинки при малых размерах файла. Для других целей этот формат совершенно непригоден.

При всей своей популярности GIF, алгоритм сжатия этого формата абсолютно устарел. Более молодой PNG превосходит GIF и по качеству сжатия практически всех изображений. Убогая на нынешний день глубина цвета 8 бит не позволяет хранить в GIF фотографии (некорректная цветопередача -- GIF «шалит» с палитрой, портя картинку). Формат PNG годится, например, для промежуточных версий подлежащих редактированию фотоизображений, когда ВМР-файлы занимают слишком много места, а каждое последующее сохранение в JPEG приводит к потере качества.

Для нефотографических изображений GIF используется в 95% случаев (в оставшихся 5% применяется PNG). А ведь GIF -- единственный платный графический формат, к тому же сильно уступающий по возможностям своему бесплатному конкуренту. Ничем, кроме силы привычки и лени веб-дизайнеров, данный факт объяснить нельзя. Между тем формат PNG наряду с лучшим алгоритмом сжатия может похвастаться многоуровневым альфа-каналом и гамма-коррекцией. Впрочем, популярность PNG растет с каждым днем. Очевидно, что GIF способен удерживаться на плаву за счет одной своей особенности: в нем позволительно создавать анимированные изображения. Хотя кто знает, может быть, анимированная версия PNG появится уже завтра, a GIF навсегда уйдет в историю.

Очень показательны результаты обработки изображений архиватором WinRAR. Этот постоянно развивающийся, универсальный метод сжатия достаточно сильно оторвался от форматов сжатия графики без потерь. Значит, и графическим форматам есть куда развиваться. Не исключаю, что появится новый, более совершенный формат, основанный на лучшем методе сжатия и имеющий все необходимые функции. Но пока этого не произошло, можно смело говорить, что GIF по-прежнему нужен миру. А что будет дальше, покажет время.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИДЕОФАЙЛОВ И ВИДЕОПЛЕЕРОВ

Операционная система Windows может работать с большим количеством видеофайлов различных форматов, что объясняется многообразием алгоритмов компрессии цифрового видео. Многие из них принадлежат разным производителям и основаны на разных принципах. Например, самый популярный на сегодня стандарт MPEG используется для записи DVD-фильмов и дисков с фильмами в формате DivX, a RealVideo используется для живой телевизионной трансляции в Интернете. Например, телекомпания CNN одной из первых стала вещать в Сети.

Большинство видеофайлов сжаты с использованием стандарта MPEG-4 (сжатие - устранение избыточности цифровой информации).

История стандарта MPEG-4 началась с работы группы экспертов (Motion Picture Experts Group), no аббревиатуре которой и сложились современные названия стандартов, а также расширения многих других видеофайлов. Файлы с расширением AVI, которые используют этот кодек, не имеют постоянных параметров, так как существуют в двух ипостасях: без компрессии и файлы, сжатые, например, кодеком DivX, которые также имеют расширение AVI. Кодек - это программа для кодирования - декодирования потока данных.

Несовершенный человеческий глаз не всегда может уловить визуальную разницу между файлами, сжатыми по тому или иному алгоритму. Она, несомненно, существует, и качество картинки ухудшается в зависимости от области применения кодека. Форматы, используемые в Интернете (наиболее распространенный -- RealVideo), обладают небольшим размером файла и самым низким качеством. Поэтому, не особенно загружая канал связи, можно посмотреть последний выпуск теленовостей на сайте выбранной телекомпании.

Залог успешного просмотра видеофайлов на компьютере -- это наличие современного программного видеоплеера. В Windows XP по умолчанию это Windows Media Player, причем в комплект его поставки уже входят несколько встроенных кодеков. Установка двух-трех плееров обеспечивает гарантированное воспроизведение видеофайлов различных типов, потому что политика некоторых разработчиков делает их форматы в других программах недоступными.

Рассмотрим популярные форматы файлов и видеоплееры, которые они могут проигрывать. Каждый из них обеспечивает воспроизведение не только файлов в собственном формате, но и почти всех видеофайлов ближайших конкурентов. Особняком здесь стоит только Real Player, потому что данные в формате RealVideo и RealAudio (файлы с расширением RM, RA, RAM) может воспроизводить только этот плеер.

Формат компрессии DivX (технология компрессии от DivXNetworks): модификация MPEG-4, использует высокую степень компрессии с приемлемым качеством.

Формат компрессии RealVideo (собственный формат компании RealNetworks): RealVideo, использует очень высокую степень сжатия видео для прямой трансляции в Интернете.

Формат компрессии Windows Media (собственный формат файлов Microsoft): аналогичен MPEG-4, собственный формат фирмы Microsoft.

Программный видеоплеер Windows Media Player: типы воспроизводимых файлов WMV, ASF, AVI. MPEG, MPG, IVF, M1V, МР1, МР2, VOB и др.

Программный видеоплеер Real Player: типы воспроизводимых файлов RM, RA, RAM, MPG, MPEG, AVI, ASF, MID, MOV и др.

Программный видеоплеер Quick Time Player: типы воспроизводимых файлов QT, MOV, PNG, AVI, FIX, MPG, MPEG, MP1, MK и др.

В комплекте Windows имеется программный пакет для домашнего видеомонтажа Movie Maker. В нем реализованы все основные этапы работы с цифровым видео: захват, монтирование и сохранение (отправление в Интернет) видеофайлов. Существует достаточно много и других профессиональных программ. Их обычно начинают применять, когда компьютер превращается в домашнюю видеостудию: с приобретением ТВ-тюнера, цифровой видеокамеры, Firewire - оборудования или специальных плат видеозахвата.

Firewire - это стандарт обмена данными между периферийными устройствами.

Видеомонтаж - программная обработка видеоматериала.

Захват видеосигнала: перенос аналогового или цифрового сигнала на жесткий диск ПК.

КОДИРОВАНИЕ ЗВУКА

Для сохранения звука пользуются специальными программами -- кодаками. Хотя качество результата у всех кодаков разное, принцип работы у них один.

Поклонники того или иного кодека не могут прийти к единому мнению, какой же из них лучше. Объясняется это просто: помимо таких объективных параметров, как размер файла и качество кодирования звука, существуют и субъективные факторы -- восприятие каждого человека индивидуально.

Существует два основных стандарта, которые используют любители музыки во всем мире: МРЗ и WMA. Если стандарт WMA разрабатывается исключительно фирмой Microsoft, то кодек для сжатия цифрового звука в стандарте МРЗ может создать любой программист. В результате это привело к появлению большого количества алгоритмов кодирования. В условиях конкурентной борьбы за качество МРЗ-файлов на первое место вышел проект нескольких программистов -- Lame.

Кодек Lame

Кодек Lame используют с 1998 году, когда с развитием Интернета между пользователями начался активный обмен файлами с данными и возникла проблема передачи звука через Сеть.

Многие фирмы стали разрабатывать программы для кодирования аудиосигнала с наименьшими потерями в качестве. Группа специалистов (MPEG), входящая в состав Международной организации стандартов (ISO), еще в конце 80-х годов разработала стандарт MPEG, на основе которого был создан современный стандарт сжатия звука MPEG 1.0 Audio Layer III -- впоследствии он стал известен как МРЗ. Так как изначально утилиты для создания МРЗ-файлов распространялись за деньги, программисты стали искать способ бесплатно использовать алгоритмы работы кодека. Так среди многих других проектов появился кодек Lame, постепенно получивший огромную популярность. Основной особенностью Lame стало то, что разработчики сделали акцент на улучшении алгоритма специальной психоакустической модели. Принцип ее действия заключается в том, что из звукового файла удаляются те частоты, которые человеческое ухо воспринимать не в состоянии.

При кодировании цифрового звука (файлы с расширением WAV) основным параметром, влияющим на качество результата, является величина битрейта. Если использовать максимальное значение этого параметра, то получают звук, наиболее соответствующий оригиналу. Примерно до 2000 года широко использовалось значение битрейта 128 Кбит/с, а затем, с возросшей пропускной способностью современных каналов связи, наиболее распространенным стал битрейт 192 Кбит/с.

Еще один параметр, который может существенно улучшить качество звука, -- функция VBR, позволяющая кодировать информацию с переменным битрейтом в зависимости от характера сигнала. Например, если в музыке присутствуют различные высокочастотные звуки (качественно сжать которые труднее всего), кодек принимает решение использовать для них самый высокий битрейт 320 Кбит/с.

Кодек WMA фирмы Microsoft

Кодек WMA был разработан фирмой Microsoft как стандарт хранения сжатой аудиоинформации в операционной системе Windows. Microsoft не стала пользоваться разработками организации MPEG, поэтому стандарт WMA является закрытым для использования другими разработчиками.

Microsoft стремится максимально использовать коммерческий потенциал WMA и поэтому защищает музыку в этом формате от нелегального копирования: WMA-файлы нельзя переконвертировать в файлы с расширением WAV.

Тем не менее популярность WMA растет. Это связано с тем, что при том же качестве звука, что и у стандарта МРЗ (по заявлению самой Microsoft), этот кодек позволяет получить меньший размер файла. Такой результат достигается за счет использования более низкого значения параметров битрейта, чем у МРЗ-файлов.

В последней, девятой, версии кодека создатели значительно переработали психоакустическую модель кодирования аудиоинформации, однако на максимальных значениях битрейта кодек от Microsoft до сих пор не может сравниться по качеству с кодеком Lame.

Выбор кодека для звука

При выборе кодека нужно руководствоавться двумя соображениями: если нужно получить файлы как можно меньшего размера -- используют кодек от Microsoft, а если цель -- получить максимальное качество звука, невзирая на размер файлов, выбирают Lame.

Другие кодеки для звука

Программистам и компаниям хочется сделать кодек, который станет всеобщим стандартом. Однако до сих пор ни один разработанный формат, отличный от WMA и МРЗ, не смог получить широкого распространения. Это произошло по двум причинам: либо кодек не очень хорошо сжимал аудиофайлы, либо программное обеспечение для его использования было полностью платным. Список кодеков, пытавшихся заменить МРЗ, достаточно велик:

ААС -- улучшенный вариант стандарта MPEG по соотношению «размер файла/качество звука». Не получил особого распространения, потому что при кодировании аудиофайлов сильно загружает ресурсы компьютера.

Liquid Audio -- коммерческий кодек, в котором содержание файла шифруется для пресечения нелегального копирования. Несмотря на то, что этот кодек по качеству результата превосходит МРЗ, отсутствие бесплатных программ для кодирования файлов помешало распространению этого формата.

МРЗрго -- кодек, разработанный фирмой Tomson Multimedia. Был призван улучшить качество формата МРЗ на низких битрейтах. Особой популярности не получил из-за достаточно высокой цены и узкой области применения.

OGG Vorbis -- этот сравнительно недавно появившийся кодек стоит особняком среди всех перечисленных форматов. Получаемые с его помощью файлы как по качеству, так и по размеру значительно превосходят стандарт МРЗ, что дает разработчикам право надеяться на то, что в будущем файлы с расширением OGG станут единственным средством хранения и распространения музыки через Интернет. Однако ни один современный портативный МРЗ-плеер не умеет воспроизводить файлы в этом формате -- так же, как и большинство программных мультимедийных проигрывателей. TwinVQ -- стандарт, разработанный фирмой Yamaha. Предназначался для кодирования звука с очень низким битрейтом и более высоким качеством, чем МРЗ. Не пользовался популярностью из-за больших требований к системным ресурсам как при воспроизведении музыки в этом формате, так и при кодировании файлов.

ФОРМАТ PDF

Часто документ Word «разваливается» на компьютере с другой версией операционной системы или MS Office, так что приходится приводить его в изначальный вид, восстанавливая потерянное форматирование. Но этого можно избежать.

Назначение формата PDF

Portable Document Format или просто PDF, был создан специально для ликвидации проблем с отображением информации в файлах. В чем же его преимущество? Во-первых, документ, сохраненный в формате PDF, будет одинаково выглядеть в любой операционной системе: в Windows XP, в Windows 95, и в Linux. Во-вторых, PDF использует качественные алгоритмы сжатия: если объем файла Word, содержащего пару картинок, вряд ли получится меньше мегабайта, то точно такой же PDF вполне уместится в 300-400 Кбайт. В-третьих, PDF умеет встраивать в себя все используемые в документе шрифты -- будь то рукописные, готические или славянская вязь, так что можно забыть о тех случаях, когда какого-либо шрифта не оказывается на компьютере. В-четвертых, в формат PDF можно преобразовать любой электронный документ. А для прочтения и печати PDF понадобится бесплатная программа Acrobat Reader.

Создание PDF-файла

Сделать PDF просто. Первое, что необходимо, -- программа Adobe Acrobat Professional, желательно последней версии 6.0. На практике все происходит очень просто, а во всех приложениях Microsoft Office и продуктах Adobe это можно сделать одним нажатием кнопки.

После инсталляции пакета Acrobat Professional в этих программах появится новая Панель инструментов, изначально она содержит три кнопки.

Открывают файл, который нужно преобразовать в PDF-формат, нажимают кнопку Convert to Adobe PDF на вышеуказанной Панели инструментов. В открывшемся окне указывают желаемое Имя создаваемого в формате PDF файла и Путь (месторасположение), где он будет находиться. Нажимают ОК, и через некоторое время новый файл будет готов и автоматически откроется для просмотра. Не сложнее этот процесс и во многих других программах. После установки Acrobat Professional в системе появляется новый виртуальный принтер под названием Adobe PDF --можно увидеть его ярлычк, открыв папку Принтеры через Панель управления. Он называется виртуальным, потому что реально не существует и используется именно для создания PDF-файлов. Поэтому печатают на нем тоже виртуально, но результат при этом будет вполне реальным. Открывают программу, из документа которой нужно получить PDF, и выбирают опцию Файл -> Печать. Далее открывают список доступных принтеров, выбирают Adobe PDF и нажмают ОК. После этого задают имя нового файла и его месторасположение, и через несколько секунд он будет готов.

Дополнительные настройки при создании PDF-файла

Кликают по значку принтера Adobe PDF правой кнопкой мыши и выбирают Настройку печати. Все самое полезное размещено на вкладке Adobe PDF Settings.Можно выбрать шаблон, по которому будут создаваться файлы: High Quality (для создания PDF с высоким разрешением и повышенным качеством) или Smallest file size (для уменьшения объема файла). А можно создать собственные шаблоны, нажав на кнопку Edit.

Здесь же можно задать настройки безопасности. Можно установить отсутствие защиты (None) или предписать программе спрашивать об опциях безопасности при каждом создании PDF (Reconfirm security for each job) -- в этом случае необходимо нажать расположенную рядом кнопку Edit и задать пароль, которым будет блокироваться доступ к новым файлам. Там же скрываются такие полезные функции, как парольный запрет некоторых возможностей работы с файлом: можно разрешить открытие файла, но запретить его печать или сохранение в др

3. Эффективное кодирование

При кодировании каждая буква исходного алфавита представляется различными последовательностями, состоящими из кодовых букв (цифр).

Если исходный алфавит содержит m букв, то для построения равномерного кода с использованием k кодовых букв необходимо удовлетворить соотношение m k_q , где q - количество элементов в кодовой последовательности.

Поэтому

Для построения равномерного кода достаточно пронумеровать буквы исходного алфавита и записать их коды как q - разрядные числа в k-ичной системе счисления.

Например, при двоичном кодировании 32 букв русского алфавита используется q = log₂32 = 5 разрядов, на чем и основывается телетайпный код.

Кроме двоичных кодов, наибольшее распространение получили восьмеричные коды.

Пусть, например, необходимо закодировать алфавит, состоящий из 64 букв. Для этого потребуется q = log₂64 = 6 двоичных разрядов или q = log₈64 = 2 восьмеричных разрядов. При этом буква с номером 13 при двоичном кодировании получает код 001101, а при восьмеричном кодировании 15.

Обще признанным в настоящее время является позиционный принцип образования системы счисления. Значение каждого символа (цифры) зависит от его положения - позиции в ряду символов, представляющих число.

Единица каждого следующего разряда больше единицы предыдущего разряда в m раз, где m - основание системы счисления. Полное число получают, суммируя значения по разрядам:

где i - номер разряда данного числа; l - количество рядов; а_i - множитель, принимающий любые целочисленные значения в пределах от 0 до m-1 и показывающий, сколько единиц i - ого ряда содержится в числе.

Часто используются двоично-десятичные коды, в которых цифры десятичного номера буквы представляются двоичными кодами. Так, например, для рассматриваемого примера буква с номером 13 кодируется как 0001 0011. Ясно, что при различной вероятности появления букв исходного алфавита равномерный код является избыточным, т.к. его энтропия (полученная при условии, что все буквы его алфавита равновероятны): log_km = H₀

всегда больше энтропии H = log m данного алфавита (полученной с учетом неравномерности появления различных букв алфавита, т.е. информационные возможности данного кода используются не полностью).

Например, для телетайпного кода Н0 = log_k m = log₂32 = 5 бит, а с учетом неравномерности появления различных букв исходного алфавита Н 4,35 бит. Устранение избыточности достигается применением неравномерных кодов, в которых буквы, имеющие наибольшую вероятность, кодируются наиболее короткими кодовыми последовательностями, а более длинные комбинации присваиваются редким буквам. Если i-я буква, вероятность которой Р_i, получает кодовую комбинацию длины q_i, то средняя длина комбинации

Считая кодовые буквы равномерными, определяем наибольшую энтропию закодированного алфавита как q_ср log m, которая не может быть меньше энтропии исходного алфавита Н, т.е. q_ср log m Н.

Отсюда имеем

При двоичном кодировании (m=2) приходим к соотношению q_ср Н, или

Чем ближе значение q_ср к энтропии Н, тем более эффективно кодирование. В идеальном случае, когда q_ср Н, код называют эффективным.

Эффективное кодирование устраняет избыточность, приводит к сокращению длины сообщений, а значит, позволяет уменьшить время передачи или объем памяти, необходимой для их хранения.

При построении неравномерных кодов необходимо обеспечить возможность их однозначной расшифровки. В равномерных кодах такая проблема не возникает, т.к. при расшифровке достаточно кодовую последовательность разделить на группы, каждая из которых состоит из q элементов. В неравномерных кодах можно использовать разделительный символ между буквами алфавита (так поступают, например, при передаче сообщений с помощью азбуки Морзе).