Введение

Ветвь теории информации, которая закладывает теоретические основы для сжатия данных с потерями. Теория скорости-искажения – важная ветвь теории информации, которая обеспечивает теоретическую базу для сжатия данных с потерями; она решает задачу определения минимального количества бит на символ, измеряемого как скорость R, которое необходимо передать по каналу, чтобы источник (входной сигнал) мог быть приблизительно восстановлен на приемнике (выходной сигнал) без превышения ожидаемого искажения D.

Введение

Теория скорости-искажения предоставляет аналитическое выражение, определяющее степень сжатия, достижимую при использовании методов сжатия с потерями. Многие существующие методы сжатия аудио, речи, изображений и видео используют преобразования, квантование и процедуры распределения битрейта, основанные на общей форме функций скорости-искажения. Теория скорости-искажения была разработана Клодом Шенноном в его основополагающей работе по теории информации. В рамках теории скорости-искажения скорость обычно понимается как количество бит на один образец данных, подлежащих хранению или передаче. Понятие искажения остаётся предметом дискуссий. В наиболее простом случае (который, как правило, и используется) искажение определяется как математическое ожидание квадрата разности между входным и выходным сигналами, то есть среднеквадратичная ошибка. Однако, поскольку большинство методов сжатия с потерями применяются к данным, предназначенным для восприятия человеком (прослушивание музыки, просмотр изображений и видео), метрика искажения предпочтительно должна моделироваться на основе человеческого восприятия и, возможно, эстетических соображений: подобно использованию вероятности при сжатии без потерь, метрики искажения в конечном итоге можно отождествить с функциями потерь, используемыми в байесовской оценке и теории принятия решений. В области сжатия аудио модели восприятия (и, следовательно, метрики искажения, основанные на восприятии) относительно хорошо разработаны и регулярно используются в таких методах сжатия, как MP3 или Vorbis, однако их часто сложно интегрировать в теорию скорости-искажения. В сжатии изображений и видео модели человеческого восприятия развиты в меньшей степени, и их применение в основном ограничивается матрицами взвешивания (квантования, нормализации) JPEG и MPEG.

Функции искажения

Функции искажения измеряют цену представления символа приближенным символом. Типичными функциями искажения являются расстояние Хэмминга и среднеквадратичная ошибка.

Связь теории скорости-извращения с пропускной способностью канала

Предположим, мы хотим передать информацию об источнике пользователю с искажением, не превышающим D. Теория скорости искажения сообщает нам, что как минимум битов/символ информации от источника должно достигнуть пользователя. Мы также знаем из теоремы кодирования каналов Шеннона, что если энтропия источника равна H битов/символ, а пропускная способность канала равна C (где ), то битов/символ будет потеряно при передаче этой информации по данному каналу. Чтобы у пользователя была хоть какая-то возможность восстановления с максимальным искажением D, необходимо, чтобы информация, потерянная при передаче, не превышала максимально допустимую потерю в битов/символ. Это означает, что пропускная способность канала должна быть не меньше, чем .