Принципы и форматы упаковки данных аудио- и видеосигналов

Всего 15 лет тому назад многоцветные цифровые изображения с высоким разрешением обрабатывались на профессиональных графических станциях, откуда они в таком виде, как правило, не уходили дальше архива на магнитной ленте. Сегодня передача высококачественного изображения на большие расстояния по каналам связи и его хранения в памяти миниатюрной цифровой камеры стали привычным делом. Как многое в технике идея сжатия визуальной информации давно уже реализована матушкой природой в живых существах, населяющих Землю, в том числе и в нас с вами. Ресурсы нашего мозга были бы очень быстро исчерпаны, если бы мы воспринимали изображение просто как совокупность импульсов от сетчатки глаза.

Например, глядя на лес, мы не замечаем очертание каждого дерева, однако впоследствии можно узнать конкретный лес или подробно описать его знакомым. Лес состоит из деревьев, на каждом из которых есть листья. Зная, как выглядит «среднестатистическое дерево» и «среднестатистический» лист, мы строим в своем сознании соответствующую модель «среднестатистического» леса. В качестве информации об определенном лесном массиве мы запоминаем различие между усредненной моделью в нашем представлении и реально наблюдаемым лесом: там листва рано пожелтела, там дерево согнулось, а там необычно высокое дерево. При необходимости по этим данным можно даже по памяти нарисовать картину. Вот это и есть один из видов сжатия графической информации.

Способы представления изображений в компьютере, используемые на практике сегодня, делятся на два основных типа: векторные и растровые.

При векторном представлении изображение передается в виде информации о наборе геометрических фигур, их цвете и взаимном расположении. Описание векторной графики, как правило, очень компактно, но далеко не каждое изображение можно представить набором геометрических фигур. Невозможно представить в векторной форме фотографии с плавным цветовыми переходами. Поэтому фотографии, а также рисунки с нечеткими границами объектов представляют в виде, когда изображение равномерно делится на точки — растр. Недостатком растрового изображения является большой объем информации — здесь-то и требуются высокоэффективные методы сжатия. На практике часто используется комбинированных вариант — растровое изображение входит в состав векторного как один из элементов.

В персональных компьютерах основным стандартом без сжатия является BMP (Bitmap). Для хранения несжатых изображений в таких областях, как компьютерная графика, издательское дело и цифровая фотография, используется один из вариантов формата TIFF (опция «без сжатия»), который наряду с набором чисел, поставленных в соответствие пикселям, содержит дополнительную информацию, необходимую при работе с изображением.

Методы сжатия информации, в том числе графический, делятся на два класса: с потерями и без потерь. В первом случае при упаковке из исходной информации удаляются мелкие и несущественные детали изображения, которые, как правило, не воспроизводятся человеческим глазом. Во втором случае исходные данные можно восстановить в исходном виде (среди таких методов алгоритм RLE, серия алгоритмов LZ).