Сохранение растрового изображения в файле

Для сжатия изображения можно воспользоваться вариантом метода кодирования длины серий ‑ RLE-кодированием (от английского Run-Length Encoding).

RLE-кодирование позволяет компактно кодировать длинные последовательности одинаковых байтов. Упакованная последовательность состоит из управляющих байтов, за каждым из которых следуют один или несколько байтов данных. Управляющий байт расшифровывается так: если старший бит равен единице, то следующий за ним байт данных нужно повторить столько раз, сколько указывают оставшиеся семь битов. Если же старший бит управляющего байта равен нулю, то следующие байты данных (в количестве, равном этому байту), надо взять без изменения.

Эту идею сжатия изображения использует BMP-формат (Windows Device Independent BitMap – аппаратно независимый растровый формат Windows). Файлы, содержащие изображение в формате BMP имеют расширение.bmp (или.dib). Но в картинке, полученной, скажем, сканированием фотографии, пейзажа, иллюстрации, повторяющихся по цвету пикселей будет мало. Поэтому BMP-файлы обычно очень велики по размеру, их обычно используют только при работе с приложениями Windows.

Для формата «три байта на пиксель» более широкое применение имеет формат GIF (Graphic Interchange Format). Используемый в нем метод заключается в уменьшении количества цветовых оттенков пикселя до 256, в результате цвет каждого пикселя представляется одним байтом вместо трех. С помощью таблицы, называемой цветовой палитрой, каждому оттенку ставится в соответствие некоторое количество красного, зеленого и синего цвета. Стоит изменить соотношения RGB и меняется изображение, построенное из индексированных цветов – цветов, составляющих палитру. Доступны все 2²⁴ цветов, но в каждый момент на экране отображается не более 256 цветов палитры. Обычно один из цветов палитры в формате GIF воспринимается как «прозрачный», т.е. он не изменяет цвет фона, на который нанесен. Это бывает очень удобно при такой анимации, когда множество картинок перемещается по неподвижному фону. Соответственно, формат получил широкое распространение в компьютерных играх. Файлы, содержащие изображение в формате GIF имеют расширение.gif.

Эффективным методом сжатия фотографий является формат JPEG (Joint Photographic Experts Group – название ассоциации в рамках организации ISO). В его режиме «без потерь» экономия достигается посредством запоминания различий между последовательными пикселями, а не яркости каждого пикселя в отдельности. Файлы при этом остаются велики. Большинство существующих приложений использует другой стандартный метод формата JPEG – режим «базовых строк». В этом режиме каждый пиксель представляется одним компонентом яркости и двумя компонентами цвета. Человеческий глаз более чувствителен к изменениям яркости, чем цвета. Формат JPEG в режиме «базовых строк» сохраняет яркость пикселя, но усредняет по соседним пикселям цвета, записывая цвет для блоков, состоящих из нескольких пикселей. Совокупность всех приемов формата JPEG позволяет получать цветные изображения приемлемого качества, уменьшая в двадцать раз объем исходного изображения формата «три байта на пиксель». Файлы, содержащие изображение в формате JPEG имеют расширение.jpg.

В настоящее время в области сжатия данных проводятся интенсивные исследования.

Компромисс между качеством сжатия и скоростью восстановления

За высокое качество сжатия данных, как правило, приходится платить большими затратами времени на восстановление исходной информации.

Например, при распаковке фильма, алгоритмы, дающие очень высокое качество, могут оказаться неприменимыми из-за больших затрат времени на распаковку каждого кадра. В этом случае критичным является время распаковки. Иногда информацию надо упаковывать в режиме реального времени, как, например, при записи изображения с видеокамеры в память компьютера. В этом случае важна скорость упаковки, может быть в ущерб качеству. Всегда приходится искать компромисс между качеством упаковки и скоростью процесса упаковки и распаковки.

Упаковка звука

Из всех видов информации звук хуже всего поддается сжатию, так как звуковые сигналы обладают малой избыточностью. Упаковка основывается на том факте, что если интенсивность раздражителя меняется в геометрической прогрессии, то интенсивность человеческого восприятия меняется в арифметической прогрессии.

Применительно к звуку это означает, что если повышать громкость звука в 2, 4, 8 и т.д. раз, то человеческое ухо будет воспринимать это как линейное увеличение интенсивности. Т.е. изменение громкости от 1 до 2 столь же заметно человеку, как и изменение громкости от 100 до 200. А изменение от 100 до 101 практически не ощущается. Заметим, что log 2 – log 1 = log 200 – log 100 = log 2. Поэтому при упаковке звука значение амплитуды звука заменяют логарифмом этого значения, округляют и упаковывают полученные значения, что позволяет сжать информацию в два раза. Действительно, при 8-ми битном кодировании звука амплитуда не превосходит 2⁷, значит, log₂ A не превосходит 7 и может быть закодирован тремя двоичными разрядами. Еще один разряд на знак амплитуды и получается четыре разряда.

Ассоциация Motion Picture Expert Group (MPEG), входящая в состав ISO, разработала методы сжатия звуковой информации, позволяющие сжимать данные в 12 раз (формат MP3) http://www.n-audio.com/articles/format-2.htm

Нотная запись

Описанный способ кодирования звуковой информации универсален, он позволяет представить любой звук, преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки ‑ нотную запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. А вы уже знаете, что для "перевода" символьной информации в понятную компьютеру форму достаточно иметь таблицу соответствия между символами этого языка и их двоичными кодами.

В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии. А, кроме того, качество звучания зависит исключительно от возможностей синтезатора или звуковой платы компьютера, с помощью которых это происходит.

Форматы звуковых файлов

Формат AU. Этот простой и распространенный формат на системах Sun и NeXT (в последнем случае, правда, файл будет иметь расширение SND). Файл состоит из короткого служебного заголовка (минимум 28 байт), за которым непосредственно следуют звуковые данные. Широко используется в Unix-подобных системах и служит базовым для Java-машины.

Формат WAVE (WAV). Стандартный формат файлов для хранения звука в системе Windows. Является специальным типом другого, более общего формата RIFF (Resource Interchange File Format); другой разновидностью RIFF служат видеофайлы AVI. Файл RIFF составлен из блоков, некоторые из которых могут, в свою очередь, содержать другие вложенные блоки; перед каждым блоком данных помещается четырехсимвольный идентификатор и длина. Звуковые файлы WAV, как правило, более просты и имеют только один блок формата и один блок данных. В первом содержится общая информация об оцифрованном звуке (число каналов, частота дискретизации, характер зависимости громкости и т.д.), а во втором — сами числовые данные. Каждый отсчет занимает целое количество байт (например, 2 байта в случае 12-битовых чисел, старшие разряды содержат нули). При стереозаписи числа группируются парами для левого и правого канала соответственно, причем каждая пара образует законченный блок — для нашего примера его длина составит 4 байта. Такая, казалось бы, излишняя структурированность позволяет программному обеспечению оптимизировать процесс передачи данных при воспроизведении, но, как в подобных случаях всегда бывает, выигрыш во времени приводит к существенному увеличению размера файла.

Формат MP3 (MPEG Layer3). Это один из форматов хранения аудиосигнала, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео. Природа получения данного формата во многом аналогична уже рассмотренному нами ранее сжатию графических данных по технологии JPEG. Поскольку произвольные звуковые данные обратимыми методами сжимаются недостаточно хорошо, приходится переходить к методам необратимым: иными словами, базируясь на знаниях о свойствах человеческого слуха, звуковая информация “подправляется” так, чтобы возникшие искажения на слух были незаметны, но полученные данные лучше сжимались традиционными способами. Это называется адаптивным кодированием и позволяет экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человека деталях звучания. Приемы, применяемые в MP3, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику, но зато обеспечивают очень значительный эффект сжатия звуковой информации. Успехи технологии MP3 привели к тому, что ее применяют сейчас и во многих бытовых звуковых устройствах, например, плеерах и сотовых телефонах.

Формат MIDI. Название MIDI есть сокращение от Musical Instrument Digital Interface, т.е. цифровой интерфейс для музыкальных инструментов. Это довольно старый (1983 г.) стандарт, объединяющий разнообразное музыкальное оборудование (синтезаторы, ударные, освещение). MIDI базируется на пакетах данных, каждый из которых соответствует некоторому событию, в частности, нажатию клавиши или установке режима звучания. Любое событие может одновременно управлять несколькими каналами, каждый из которых относится к определенному оборудованию. Несмотря на свое изначальное предназначение, формат файла стал стандартным для музыкальных данных, которые при желании можно проигрывать с помощью звуковой карты компьютера безо всякого внешнего MIDI-оборудования. Главным преимуществом файлов MIDI является их очень небольшой размер, поскольку это не детальная запись звука, а фактически некоторый расширенный электронный эквивалент традиционной нотной записи. Но это же свойство одновременно является и недостатком: поскольку звук не детализирован, то разное оборудование будет воспроизводить его по-разному, что в принципе может даже заметно исказить авторский музыкальный замысел.

Формат MOD. Представляет собой дальнейшее развитие идеологии MIDI-файлов. Известные как “модули программ воспроизведения”, они хранят в себе не только “электронные ноты”, но и образцы оцифрованного звука, которые используются как шаблоны индивидуальных нот. Таким способом достигается однозначность воспроизведения звука. К недостаткам формата следует отнести большие затраты времени при наложении друг на друга шаблонов одновременно звучащих нот.

Темы для докладов

• Алгоритм сжатия RLE.
• Алгоритм сжатия Хаффмана.
• Алгоритмы сжатия с применением адаптивного словаря.
• Передача информации. Коды с исправлением ошибок.
• Форматы звуковых файлов.
• ФорматJPEG графических файлов.