Мы уже разобрались с тем, как оцифровывается звук. Одна из проблем — если качественно его оцифровывать, то нам нужно очень много данных, а это значит большие файлы, большой расход места на диске, дорогие флешки, много трафика в интернете. Хочется, чтобы файлики были поменьше.
Для этого используется сжатие — различные алгоритмы, которые творят с данными свою магию и на выходе получаются данные меньшего объёма.
Сжатие с потерями и без потерь
Есть два принципиальных вида сжатия — с потерями и без.
Сжатие с потерями означает, что в процессе мы лишились части информации. Алгоритмы сжатия с потерями стараются сделать так, чтобы мы потеряли только те данные, которые нам не слишком важны.
Представьте, что сжатие с потерями — это краткий пересказ произведения из школьной программы: школьнику не так важны описания природы и авторский стиль, ему главное сюжет. Краткий пересказ сохранил только важное, но передал это намного быстрее.
Сжатие без потерь — это когда мы уменьшаем размер файла, при этом не теряя в качестве. Для этого используются интересные математические приёмы и кодирование. Главная мысль — чтобы при раскодировании все данные остались на месте.
Алгоритмы сжатия без потерь
Есть два основных варианта: алгоритм Хаффмана или LZW. LZW используется повсеместно, но объяснить его довольно сложно, он неинтуитивный и требует целой лекции. Гораздо приятнее объяснить алгоритм Хаффмана.
Алгоритм Хаффмана берёт файл, разбивает его на фрагменты, с которыми ему удобно работать, а потом смотрит, насколько часто встречается каждый фрагмент. Самые частые слова этот алгоритм обозначает коротким кодом, а самые редкие — кодом подлиннее. Так как самые частые слова занимают теперь гораздо меньше места, то и готовый файл становится меньше.
Но есть и минус: иногда нужно хранить эту таблицу соответствий слов и кода прямо в этом же файле, а она может сама по себе получиться большой. Чаще всего алгоритм Хаффмана применяется для сжатия текстовых файлов и видео без потерь.
Вот пример: берём песню Beyonce — All The Single Ladies. Там есть два таких пассажа:
All the single ladies
All the single ladies
All the single ladies
Now put your hands up
...
If you like it then you shoulda put a ring on it
If you like it then you shoulda put a ring on it
Don't be mad once you see that he want it
If you like it then you shoulda put a ring on it
Здесь 281 знак. Мы видим, что некоторые строчки повторяются. Закодируем их:
ТАБЛИЦА СЖАТИЯ
\a\ All the single ladies
\b\ Now put your hands up
\c\ If you like it then you shoulda put a ring on it
\d\ Don't be mad once you see that he want it
ТЕКСТ ПЕСНИ
\a\ \a\ \a\ \b\
…
\c\ \c\ \d\ \c\
Вместе таблицей сжатия этот текст теперь занимает 187 знаков — мы сжали текст почти на треть благодаря тому, что он довольно монотонный.
Сжатие без потерь на примере аудио
В среднем минута несжатого аудио занимает 10 мегабайт. Это довольно много: если у вас, например, часовая запись концерта, то она будет занимать полгигабайта. С другой стороны, в этой записи захвачены все нюансы звука, есть много высоких частот и вообще красота.
Для таких ситуаций используют сжатие без потерь: оно уменьшает файл в 2–3 раза, не искажая звук. Алгоритмы, которые сжимают аудио, называются кодеками. FLAC и Apple Lossless — два популярных кодека для сжатия аудио без потерь.
Сравните сами размер и качество двухминутного аудио:
Оригинал — без сжатия, формат WAV, 23 мегабайта
Сжатие без потерь — формат FLAC с теми же параметрами, что и WAV, 10 мегабайт
Где ещё применяется сжатие без потерь
В архиваторах. Задача программ-архиваторов — упаковать выбранные файлы так, чтобы архив занимал как можно меньше места, при этом не повреждая то, что внутри. Например, текстовая версия «Войны и мира» может занимать 4 мегабайта, а заархивированная — 100 килобайт, в 40 раз меньше.
В программировании. Есть специальные упаковщики, которые берут готовую программу и оптимизируют код так, чтобы он занимал меньше места, но сохранил свою работоспособность. Например:
- Удаляют комментарии
- Сокращают до минимума названия переменных и функций
- Удаляют символы, которые нужны были человеку для удобочитаемости
Что дальше
В следующей части разберём, как работает сжатие с потерями и почему благодаря этому у нас есть ТикТок и Ютуб.
