计算机速成课 第二十一集 压缩

1. 压缩的好处

• 文件小一点，能存大量文件，传输也会快一些
• 把数据占用的空间压得更小，用更少的位（bit）来表示数据

2. 游程编码（Run-length Encoding）

• 消除冗余：减少重复信息
• 适合经常出现相同值的文件
• 属于「无损压缩」

3. 无损压缩（lossless compression）

• 没有损失/丢失任何数据
• 可以轻易恢复到原来的数据
• 解压缩后，数据和压缩前完全一样
• 另一种无损压缩：用更紧凑的方式表示数据块
  • 举例 “别忘了变厉害” 简写为 DFTBA （笔者注：Don't forget to be awesome）
  • 字典编码: 需要一个字典：存储「代码」和「数据」间的对应关系，属于「无损压缩」
  • 举例：紧凑代码（compact codes）
• 音频格式：WAV, FLAC

4. 霍夫曼树（Huffman Tree）

• 1950 年，麻省理工学院的学生大卫·霍夫曼，发明的一种高效编码方式
• 算法方式
  • 核心：变成一棵树，按频率排列，频率低的在下面
  • 把树变成字典
• 「消除冗余」和「用更紧凑的表示方法」，这两种方法通常会组合使用。几乎所有无损压缩格式都用了它们，比如：GIF, PNG, PDF, ZIP

5. 有损压缩

• 有些人类看不到的数据被清除，不影响阅读
• 举例：
  • 人的耳朵只能收听到一定频率，例如超声波是听不到的。
  • 如果录音乐，超声波数据都可以扔掉
  • 你在电话里的声音和现实中不一样，压缩音频是为了让更多人能同时打电话
  • 如果网速变慢了，压缩算法会删更多数据，进一步降低声音质量，所以 Skype 通话有时听起来像机器人
• 有损音频压缩
  • 用不同精度编码不同频段
  • 听不出什么区别，不会明显影响体验
  • 举例：压缩音频文件 MP3，比无损压缩 WAV, FLAC 能小 10 倍甚至更多，省了很多空间

6. 感知编码(perceptual coding)

• 定义：删掉人类无法感知的数据的方法
• 它依赖于人类的感知模型，模型来自「心理物理学」领域
• 它是各种「有损压缩图像格式」的基础，最著名的是 JPEG
• 视觉系统
  • 像听力一样，人的视觉系统也不是完美的
  • 更善于看到尖锐对比，比如物体的边缘，但看不出颜色的细微变化
  • 视频只是一长串连续图片，所以图片的很多方面也适用于视频
  • 更高级的视频压缩格式：找出帧和帧之间相似的补丁，然后用简单效果实现，比如移动和旋转，变亮和变暗，

7. 时间冗余

• 视频里不用每一帧都存相同的像素（例如主持人的背景板），可以只存变了的部分
• 这是利用了帧和帧之间的相似性

8. MPEG-4 视频编码

• 常见标准，可以比原文件小 20 倍道 200 倍

9. 总结：

• 压缩对大部分文件类型都有用
• 学习压缩非常重要，因为可以高效存储图片、音乐、视频