Сжатие с потерями

Сжатие данных с потерями — метод сжатия (компрессии) данных, при использовании которого распакованные данные отличаются от исходных, но степень отличия не существенна с точки зрения их дальнейшего использования. Этот тип компрессии часто применяется для сжатия аудио- и видеоданных, статических изображений, в Интернете (особенно в потоковой передаче данных) и цифровой телефонии. Альтернативой является сжатие без потерь.

Типы сжатия с потерями

Существуют две основных схемы сжатия с потерями:

• В трансформирующих кодеках фреймы изображений или звука обычно трансформируются в новое базисное пространство и производится квантование. Трансформация может осуществляться либо для всего фрейма целиком (как, например, в схемах на основе wavelet-преобразования), либо поблочно (характерный пример — JPEG). Результат затем сжимается энтропийными методами.

• В предсказывающих кодеках предыдущие и/или последующие отсчеты данных используются для того, чтобы предсказать текущий отсчет изображения или звука. Ошибка между предсказанными данными и реальными вместе с добавочной информацией, необходимой для производства предсказания, затем квантуется и кодируется.

В некоторых системах эти две техники комбинируются путём использования трансформирующих кодеков для сжатия ошибочных сигналов, сгенерированных на стадии предсказания.

Сжатие с потерями против сжатия без потерь

Преимущество методов сжатия с потерями над методами сжатия без потерь состоит в том, что первые делают возможной большую степень сжатия, продолжая удовлетворять поставленным требованиям, а именно — искажения должны быть в допустимых пределах чувствительности человеческих органов физических чувств.

Методы сжатия с потерями часто используются для сжатия аналоговых данных — чаще всего звука или изображений.

В таких случаях распакованный файл может очень сильно отличаться от оригинала на уровне сравнения «бит в бит», но практически неотличим для человека «на слух» и «на глаз» в большинстве применений.

Много методов фокусируются на физических особенностях органов чувств человека. Психоакустическая модель определяет то, как сильно звук может быть сжат без ухудшения воспринимаемого человеком качества звука. Недостатки, причинённые сжатием с потерями, которые заметны для человеческого уха или глаза, известны как артефакты сжатия.

Фотографии, записанные в формате JPEG, могут быть приняты судом в качестве доказательств несмотря на то, что изображение сжато с потерями.

Недостатки

При использовании сжатия с потерями необходимо учитывать, что повторное сжатие с потерями снижает качество, а декодирование увеличивает размер, не возвращая или не повышая качество. Поэтому для данных, которые когда-либо могут подвергнуться редактированию либо преобразованию в другие форматы (для совместимости или из‐за невозможности платить патентные отчисления за декодирование или распространение сжатых данных), следует сохранять оригинал (например сжимать оригинал без потери данных).

Методы сжатия данных с потерями (примеры)

Компрессия изображений

• Снижение глубины цвета
• Метод главных компонент
• Фрактальное сжатие
• Сжатие на основе предсказателей
  • JPEG-LS
  • ДИКМ
  • Иерархическая сеточная интерполяция
  • CALIC
• JPEG
• Вэйвлетная компрессия
  • JPEG 2000
  • DjVu
• Дифференциальное сжатие
  • Сжатие изображений на базе дифференциального анализа

Компрессия видео

• Motion JPEG
• Flash (поддерживает Motion JPEG)
• H.261
• H.263
• H.264
• H.265
• MNG (поддерживает Motion JPEG)
• MPEG-1 Part 2
• MPEG-2 Part 2
• MPEG-4 Part 2
• Ogg Theora (отличается отсутствием патентных ограничений)
• VC-1 — открытая спецификация для формата WMV (Microsoft)

Компрессия звука

Основная статья: Цифровой звук

Музыка

• MP3 — Определён спецификацией MPEG-1
• Ogg Vorbis (отличается отсутствием патентных ограничений и более высоким качеством)
• AAC, AAC+ — существует в нескольких вариантах, определённых спецификациями MPEG-2 и MPEG-4, используется, например, в Apple
• eAAC+ — формат, предлагаемый Sony, как альтернатива AAC и AAC+
• Musepack
• WMA — собственность Microsoft
• ADPCM
• ATRAC
• Dolby AC-3
• DTS
• MPEG-1 Audio Layer II
• VQF

Речь

• CELP
• G.711
• G.726
• Speex (отличается отсутствием патентных ограничений)
• iLBC (Кодек со свободными условиями лицензирования)