Кіріспе
Деректерді қысу әдісі, деректердің көлемін азайту үшін кейбір деректерді жою немесе өзгерту арқылы қолданылады. Ақпараттық технологияда жоғалтулы қысу немесе қайта келтірілмейтін қысу – мазмұнды көрсету үшін шамамен есептеулер мен деректердің бір бөлігін жоюды пайдаланатын деректерді қысу әдістерінің класы. Бұл техникалар деректерді сақтау, өңдеу және тарату үшін олардың көлемін азайтуға арналған. Осы беттегі мысықтың суретінің әртүрлі нұсқалары жоғары дәлдіктегі шамалаудың қалайша көбірек егжей-тегжейлі ақпарат жойылған сайын, суреттің сапасын нашарлататынын көрсетеді. Бұл деректерді бұзбайтын жоғалтусыз қысудан (қайта келтірілетін деректерді қысудан) өзгеше. Жоғалтулы қысуды пайдалану арқылы деректерді азайту мүмкіндігі жоғалтусыз әдістерге қарағанда әлдеқайда жоғары. Сапалы жоғалтулы қысу технологиясы соңғы пайдаланушыға нашарлау байқалмайынша файлдың көлемін айтарлықтай азайтады. Пайдаланушы байқаған жағдайда да деректерді одан әрі азайту қажет болуы мүмкін (мысалы, нақты уақыт байланысы үшін немесе деректерді беру немесе сақтау қажеттілігін қысқарту үшін). Ең көп қолданылатын жоғалтулы қысу алгоритмі – дискретті косинус түрлендіруі (DCT), оны алғаш 1974 жылы Насир Ахмед, Т. Натаражан және К. Р. Рао жариялаған. Жоғалтулы қысу көбінесе мультимедиа деректерін (аудио, бейне және суреттерді) қысу үшін қолданылады, әсіресе стриминг медиа және интернет-телефония сияқты салаларда. Керісінше, мәтін және деректер файлдары үшін, мысалы банк деректері мен мәтіндік мақалалар үшін жоғалтусыз қысу көбінесе қажет. Кейіннен қосымша көшірмелерді жасау үшін пайдаланылатын жоғалтусыз негізгі файлды жасау пайдалы болуы мүмкін. Бұл жаңа қысылған көшірмелерді жоғалған бастапқы файлға сүйенбей жасауға мүмкіндік береді, бұл қосымша артефакттар мен қажетсіз ақпарат жоғалтудың алдын алады.
In information technology, lossy compression or irreversible compression is the class of data compression methods that uses inexact approximations and partial data discarding to represent the content. These techniques are used to reduce data size for storing, handling, and transmitting content. The different versions of the photo of the cat on this page show how higher degrees of approximation create coarser images as more details are removed. This is opposed to lossless data compression (reversible data compression) which does not degrade the data. The amount of data reduction possible using lossy compression is much higher than using lossless techniques. Well designed lossy compression technology often reduces file sizes significantly before degradation is noticed by the end user. Even when noticeable by the user, further data reduction may be desirable (e. g., for real time communication or to reduce transmission times or storage needs). The most widely used lossy compression algorithm is the discrete cosine transform (DCT), first published by Nasir Ahmed, T. Natarajan and K. R. Rao in 1974. Lossy compression is most commonly used to compress multimedia data (audio, video, and images), especially in applications such as streaming media and internet telephony. By contrast, lossless compression is typically required for text and data files, such as bank records and text articles. It can be advantageous to make a master lossless file which can then be used to produce additional copies from. This allows one to avoid basing new compressed copies off of a lossy source file, which would yield additional artifacts and further unnecessary information loss.
Түрлері
Цифрлық деректердің көптеген түрлерін оларды сақтау үшін қажетті компьютерлік файлдың мөлшерін немесе оны тарату үшін қажетті өткізу қабілетін азайтатын тәсілмен сығымдауға болады, бастапқы файлдағы толық ақпаратты жоғалтпай. Мысалы, суретті нүктелер массиві ретінде қарастырып, әр нүктенің түсі мен жарықтығы анықталады. Егер суретте бір түсті аймақ болса, оны "қызыл нүкте, қызыл нүкте, (197 рет), қызыл нүкте" дегеннің орнына "200 қызыл нүкте" деп айту арқылы жоғалтусыз сығымдауға болады. Бастапқы деректер белгілі бір көлемде ақпаратты қамтиды және барлық ақпаратты сақтай алатын файлдың ең төменгі шегі болады. Негізгі ақпарат теориясы осы деректердің мөлшерін азайтудың абсолютті шегі бар екенін көрсетеді. Деректер сығымдалғанда, оның энтропиясы артады, бірақ ол шексіз өсе алмайды. Мысалы, сығылған ZIP файлы бастапқысынан кіші болады, бірақ бірдей файлды қайта-қайта сығысу оның мөлшерін нөлге дейін азайта алмайды. Көптеген сығымдау алгоритмдері одан әрі сығымдаудың мәніссіз екенін және тіпті деректердің мөлшерін арттыратынын анықтай алады. Көп жағдайда файлдар немесе дерек ағынында қажеттіден артық ақпарат болады. Мысалы, сурет ең үлкен көлемде көрсетілгенде көзге көрінетіннен артық егжей-тегжейлі болуы мүмкін; сондай-ақ, дыбыс файлында өте жоғары дыбыс кезінде көптеген егжей-тегжейлі мәліметтердің қажеті болмайды. Адамның қабылдауына ең жақын болатын жоғалтулы сығымдау әдістерін әзірлеу күрделі міндет. Кейде идеал – түпнұсқамен бірдей қабылдауды қамтамасыз ететін, мүмкіндігінше көп сандық ақпаратты жоятын файл; ал кейде сапаның сезілетін жоғалуы қанағаттанарлық келісім болып есептеледі. Кейбір қолданыстарда, мысалы медициналық бейнелерді сығымдауда, "жоғалту" сөзінің теріс мағынасын болдырмау үшін "қайтымсыз" және "қайтымды" терминдері "жоғалтулы" және "жоғалтусыз" терминдерінен артық көрінеді. Жоғалтудың түрі мен мөлшері суреттердің пайдалылығына әсер етуі мүмкін. Сығымдаудың артефактілері немесе жағымсыз әсерлері анық байқалуы мүмкін, бірақ нәтиже мақсатқа сай болуы мүмкін. Немесе жоғалтулы сығылған суреттер "көрнекі жоғалтусыз" болуы мүмкін, ал медициналық суреттер жағдайында диагностикалық тұрғыдан қабылданатын қайтымсыз сығымдау (DAIC) қолданылуы мүмкін.
Трансформациялау коды
Жоғалтулы сығылыстың кейбір түрлерін трансформациялық кодтаудың қолданылуы ретінде қарастыруға болады, ол цифрлық кескіндер, цифрлық аудио сигналдар және цифрлық бейне үшін қолданылатын деректерді сығыстыру түрі. Трансформация әдетте жақсырақ (нақтырақ) кванттауды қамтамасыз ету үшін қолданылады. Қолданба туралы білім, жоюға болатын ақпаратты таңдау үшін пайдаланылады, соның арқасында жолақтық ені төмендейді. Қалған ақпарат түрлі әдістер арқылы сығылуы мүмкін. Шығыс декодталғанда, нәтиже бастапқы кіріске толық сәйкес келмеуі мүмкін, бірақ қолданбаның мақсатына жеткілікті жақын болуы күтіледі. Жоғалтулы сығылыстың ең көп таралған түрі – трансформациялық кодтау әдісі, дискретті косинус трансформациясы (DCT), алғаш рет 1974 жылы Насыр Ахмед, Т. Натаражан және К. Р. Рао жариялаған. DCT – бұл ең көп қолданылатын жоғалтулы сығылыстың түрі, ол танымал кескіндерді сығыстыру форматтарында (мысалы, JPEG), бейне кодтау стандарттарында (мысалы, MPEG және H.264/AVC) және аудионы сығыстыру форматтарында (мысалы, MP3 және AAC) қолданылады. Аудио деректері үшін трансформациялық кодтаудың танымал түрі – перцепциялық кодтау, ол шикі деректерді ақпараттық мазмұнды дәлірек көрсететін доменге түрлендіреді. Мысалы, дыбыс файлын уақыт бойынша амплитуда деңгейі ретінде көрсетудің орнына, оны уақыт бойынша жиілік спектрі ретінде көрсетуге болады, бұл адамның дыбыс қабылдауына сәйкес келеді. Деректерді азайту (сығылу, жоғалтулы немесе жоғалтусыз) трансформациялық кодтаудың басты мақсаты болғанымен, ол басқа мақсаттарға да мүмкіндік береді: деректерді бастапқы көлемдегі кеңістік үшін дәлірек бейнелеуге болады. Мысалы, егер аналогты немесе жоғары ажыратымдылықтағы цифрлық мастердан бастаса, белгілі бір мөлшердегі MP3 файлы WAV немесе AIFF форматындағы сығылмаған аудиодан жақсы бейнелеуді қамтамасыз етуі керек. Бұл себебі, сығылмаған аудио файл мөлшерін тек биттік жылдамдықты немесе тереңдікті төмендету арқылы ғана азайта алады, ал аудионы сығымдау биттік жылдамдықты және тереңдікті сақтай отырып, мөлшерін азайтуға мүмкіндік береді. Бұл сығымдалу ең маңызды емес деректерді жоғалтуға айналады, емес, барлық деректерді бірдей жоғалтуға. Сонымен қатар, трансформациялық кодтау деректерді өңдеу немесе басқаша түзету үшін жақсы доменді қамтамасыз етуі мүмкін. Мысалы, аудионы теңестіру шикі уақыт доменінен гөрі жиілік доменінде (мысалы, басты күшейту) табиғи түрде көрінеді. Осы тұрғыдан алғанда, перцепциялық кодтау деректерді жою туралы емес, керісінше, деректерді жақсырақ бейнелеу туралы. Тағы бір пайдалану – кері үйлесімділік және жұмсақ деградация: түсті теледидарда түсті кодтау, жарықтылық-хроматикалық трансформация домені арқылы (мысалы, YUV) ақ-қара теледидарлар жарықтылықты көрсетеді, ал түстік ақпаратты елемейді. Тағы бір мысал – хромалық суб-сынау: NTSC-де қолданылатын YIQ сияқты түс кеңістіктерін пайдалану компоненттердің ажыратымдылығын адамның қабылдауына сәйкес төмендетуге мүмкіндік береді. Адамдар ақ-қара (люма) үшін ең жоғары ажыратымдылыққа ие, сары және жасыл сияқты орта спектрлі түстер үшін төменгі ажыратымдылыққа және қызыл және көк түстер үшін ең төменгі ажыратымдылыққа ие. Сондықтан NTSC әр сканерлеу жолында шамамен 350 пиксел люма, сарыға қарсы 150 пиксел жасыл және көкке қарсы 50 пиксел көрсетеді, бұл әр компонентке адамның сезімталдығына пропорционалды.
Салыстыру
Жоқтайтын әдістердің артықшылығы – кейбір жағдайларда жоғалтқысыз әдістерге қарағанда әлдеқайда кішігірім қысылған файл жасау мүмкіндігі, әрі қолданыс талаптарын сақтау. Жоқтайтын әдістер көбінесе дыбыс, кескіндер немесе бейнелерді қысу үшін қолданылады. Себебі мұндай деректер адам қабылдауына арналған, онда сана кішкентай қателерді немесе үйлесімсіздіктерді оңай толтырып, байқамайды – идеалды жағдайда жоқтайтын қысу сезімге келмейді (байқаусыз болады), бұл ABX тесті арқылы тексеріледі. Жоқтайтын қысуды қолданатын дерек файлдары көлемі бойынша кішірек болғандықтан, сақтау және Интернет арқылы жіберуге арзан, бұл Netflix сияқты бейнестріминг қызметтері мен Spotify сияқты аудиостріминг қызметтері үшін өте маңызды.
Сезімталдық әсерлері
Аудио инженерлік кітапханасы жүргізген зерттеуде төменгі бит жылдамдығы (112 кбит/с) MP3 сияқты жоғалтулы қысылу форматтарының тембрлік және эмоционалдық ерекшеліктерге ерекше әсер ететіні анықталды, олар теріс эмоцияларды күшейтеді және оң эмоцияларды әлсіретеді. Зерттеу сондай-ақ трубаның қысылудан ең көп, ал валторнаның ең аз әсер көретінін көрсетті.
Ашықдық
Пайдаланушы жоғалтумен сығылған файлды алған кезде (мысалы, жүктеу уақытын қысқарту үшін), алынған файл бастапқы файлдан биттік деңгейде айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін, бірақ көптеген жағдайларда адамның көзі немесе құлағы үшін көзге көрінбейді немесе естілмейді. Көптеген сығылу әдістері адам физиологиясының ерекшеліктеріне назар аударады, мысалы, адам көзінің белгілі бір толқын ұзындығындағы жарықты ғана қабылдайтынын ескереді. Психоакустикалық модель дыбыстың сезімдік сапасын нашарлатпай жоғары сығылу қалай жүзеге асырылатынын сипаттайды. Жоғалтумен сығылу салдарынан адамның көзіне немесе құлағына байқалатын ақаулар сығылу артефактілері деп аталады.
Транскодтау және өңдеу
Жоғалтулы сығылыстың (формалды түрлендіру) маңызды бір ескертусі – жоғалтулы сығылған файлдарды өңдеу қайта кодтау кезінде цифрлық ақпараттың жоғалуына себеп болады. Мұны болдырмау үшін жоғалтулы файлдарды тек (жоғалтусыз) түпнұсқалардан ғана жасау керек, ал JPEG орнына шикі сурет форматындағы суреттер сияқты түпнұсқа файлдардың (көшірмелерін) ғана өңдеуге болады. Егер жоғалтулы сығылған деректер декодталса және жоғалтусыз сығылса, нәтижесінің көлемі жоғалтулы сығылған деректердің көлемімен салыстырылатын болуы мүмкін, бірақ жоғалған деректерді қалпына келтіруге болмайды. Түпнұсқаны сақталмай жоғалтулы түрлендіруді қолдануды шешкен жағдайда, болашақта бағдарламалық қамтамасымен немесе құрылғылармен үйлесімділікке жету үшін (форматты өзгерту) немесе сығылған файлдарды декодтау немесе тарату үшін патенттік төлемдерден қашу үшін форматты түрлендіру қажет болуы мүмкін.
Жоғалған файлдарды өңдеу
Қысылған деректерді декодтау және қайта қысусыз тікелей өзгерту арқылы, сапасы төмендемейтіндей етіп жоғалтулы қысылған файлдарды өңдеуге болады. Кейде файл мөлшерін одан да күшті қысылғандай етіп азайту, бірақ одан артық мәліметтерді жоғалтпай өңдеу де мүмкін.
Метадеректер
ID3 тегтері, Vorbis түсініктемелері немесе Exif ақпараты сияқты метадеректерді түпкілікті деректерді өзгертпей өзгертуге немесе жоюға болады.
Төменгі үлгілеу/сығылған бейнелеудің масштабталуы
Бірде суреттелген бастапқы сигналдың ажыратымдылығын және оның қысылған бейнелеуі үшін қолданылатын деректер мөлшерін қайта кодтамай, төмендетуге немесе басқаша өзгертуге ниетті болуы мүмкін, мысалы, биттік жылдамдықтарды азайту арқылы, бірақ бұл мүмкіндік барлық жүйелерде қолдау таппайды, себебі барлық кодектер деректерді маңызды емес бөлшектерді жай ғана жоюға мүмкіндік беретін форматта кодтамайды. Бұл мүмкіндікке ие белгілі жүйелерге JPEG 2000 (тұрақты суреттер үшін) және H.264/MPEG 4 AVC негізіндегі масштабталатын бейне кодтау (видео үшін) жатады. Мұндай схемалар ескі жүйелер үшін де стандартталған, мысалы, прогрессивті кодтаумен JPEG суреттері, MPEG 2 және MPEG 4 Part 2 видеосы, бірақ бұл алдыңғы схемалар нақты қолданыста шектеулі сәттілікке жетті. Көп жағдайда, берілгеннен төмен ажыратымдылықтағы немесе төмен сападағы бейнелеуді жасау үшін бастапқы сигналды кодтау немесе қысылған бейнелеуді декодтап, қайта кодтау (транскодтау) қажет, бірақ соңғысы деректердің жоғалуына әкелуі мүмкін. Басқа бір тәсіл – бастапқы сигналды бірнеше әртүрлі биттік жылдамдықтармен кодтап, содан кейін қолдану үшін біреуін таңдау (мысалы, интернеттен ағынмен жіберу кезінде – RealNetworks-тің "SureStream" қызметі сияқты – немесе Apple iTunes Store-дағы сияқты әртүрлі жүктемелерді ұсыну) немесе бірнешеуін тарату, олардың ішінде сәтті қабылданған ең жақсысы қолданылады (мысалы, иерархиялық модуляцияның әртүрлі іске асырылуларында). Осыған ұқсас техникалар мип-карталарда, пирамидалық бейнелеулерде және күрделі масштабты кеңістік әдістерінде қолданылады. Кейбір аудио форматтары жоғалтулы формат пен жоғалтусыз түзетудің комбинациясын ұсынады, олар біріктірілген кезде бастапқы сигналды қалпына келтіреді; түзетуді жойып, кішкентай, жоғалтулы қысылған файлды қалдыруға болады. Мұндай форматтарға MPEG 4 SLS (жоғалтусыз), WavPack, OptimFROG DualStream және DTS HD Master Audio (жоғалтусыз XLL режимінде) жатады.
Басқа деректер
Зерттеушілер мәтінді жоғалтумен қысуды сөздік көмегімен ұзақ сөздерді қысқа сөздермен алмастыру арқылы немесе генеративтік мәтін әдістерін қолдану арқылы жүзеге асырды, бірақ бұл әдістер кейде жоғалтумен байланысты деректерді түрлендіру санатына да жатады.
Жарық деңгейін төмендету
Жоғалтулы сығылудың ең көп таралған түрі – кескіннің ажыратымдылығын төмендету, мысалы, кескінді масштабтау, әсіресе азайту. Сонымен қатар, кескіннің "аз ақпаратты" бөліктерін, мысалы, тігістерді кесу арқылы жоюға болады. Гаусс бұдырауы сияқты көптеген медиа түрлендірулер, жоғалтулы сығылу сияқты, қайтымсыз: түрлендірілген сигналдан бастапқы сигналды қалпына келтіру мүмкін емес. Дегенмен, көбінесе олардың көлемі бастапқыдан өзгеше болмайды және бұл сығылудың бір түрі емес. Ажыратымдылықты төмендетудің практикалық қолданысы бар, мысалы, NASA-ның New Horizons ғарыш кемесі жоғары ажыратымдылықтағы суреттерді жібермес бұрын Плутон мен Харонға жақыннан түсірілген кішкентай суреттерін жіберді. Баяу байланыс үшін тағы бір шешім – кескінді кезең-кезеңмен құрастыратын кескін араластыруды (Image interlacing) пайдалану. Осылайша, толық және масштабталған нұсқаларды жасамай, төменгі ажыратымдылықтағы түпкілікті кескінді көру үшін жартылай жіберу жеткілікті.