Digitális adatok tömörítése, bittérképes és vektorgrafika

Informatikai rendszer- és alkalmazás-üzemeltető technikus tananyag

1. A tömörítés fogalma

A tömörítés (compression) olyan eljárás, amelynek célja egy fájl vagy adat méretének csökkentése úgy, hogy kevesebb tárhelyet foglaljon és gyorsabban továbbítható legyen.

A tömörítés céljai:

• tárhely megtakarítása
• gyorsabb adatátvitel
• kisebb hálózati terhelés
• gyorsabb letöltés
• archiválás
• multimédiás tartalmak kezelése

Példa:

Egy 10 másodperces Full HD videó nyers formában:

• 1920×1080 pixel
• 24 bit színmélység
• 30 fps

Méret:

Egy képkocka:

1920 × 1080 × 24 bit

≈ 6 MB

30 képkocka:

≈180 MB/s

10 másodperc:

≈1,8 GB

Tömörítés nélkül a videók kezelése gyakorlatilag lehetetlen lenne.

2. A tömörítések típusai

Két fő csoport:

1. Veszteségmentes tömörítés
2. Veszteséges tömörítés

3. Veszteségmentes tömörítés

Definíció:

A tömörített adat visszaállításakor az eredeti állomány bitről bitre pontosan helyreállítható.

Eredeti: AAAAABBBBBBBBBCCCCCC

Tömörítve: 5A9B6C

Visszaállítás után:

AAAAABBBBBBBBBCCCCCC

Semmilyen adat nem vész el.

Veszteségmentes algoritmusok

Run Length Encoding (RLE)

Elv: Az ismétlődő karakterek számát tárolja.

Példa:AAAAAAAABBBBCC→8A4B2C

Felhasználás:

• egyszerű képek
• fax
• BMP
• TIFF

Előny:

• gyors

Hátrány:

• összetett képnél rossz hatásfok

Huffman-kódolás

Elv: A gyakori karakterek rövidebb kódot kapnak.

Példa:

Karakter:A=50%
B=25%
C=15%
D=10%

Kód:

A=0
B=10
C=110
D=111

Felhasználás:

ZIP
JPEG
MP3
PNG

LZW (Lempel-Ziv-Welch)

Elv: Szótár alapú tömörítés. Működés: Az ismétlődő mintákat tárolja.

Felhasználás:

• GIF
• TIFF
• ZIP

DEFLATE

Kombinálja:

• LZ77
• Huffman

Felhasználás:

• ZIP
• PNG
• GZIP

Veszteségmentes formátumok

Előnyök

• nincs adatvesztés
• archiválható
• többször menthető minőségromlás nélkül

Hátrányok

• kisebb tömörítési arány

Általában:

2:1–5:1

4. Veszteséges tömörítés

Definíció: Az algoritmus eltávolít bizonyos információkat, amelyeket kevésbé fontosnak ítél.

Visszaállításkor: nem kapjuk vissza teljesen az eredetit.

Működési alapelv

Az emberi érzékelés korlátait használja ki.

Példák: Képnél:

• a szem kevésbé érzékeli a finom színváltozásokat

Hangnál:

• egy erős hang elfedi a halk hangot

Videónál:

• két egymást követő képkocka sokszor hasonló

Előnyök

• nagyon nagy méretcsökkentés

Akár:

10:1–1000:1

Hátrányok

• minőségromlás
• többszöri mentésnél romlik

5. Képtömörítés

JPEG

Teljes neve: Joint Photographic Experts Group

Működés:

1. RGB → YCbCr átalakítás
2. Színmintavételezés
3. Diszkrét koszinusz-transzformáció (DCT)
4. Kvantálás
5. Huffman-kódolás

A legnagyobb veszteség: kvantáláskor történik.

JPEG előnyei:

• kis méret
• fotókhoz kiváló

Hátrányok:

• többszöri mentés rombolja
• éles vonalaknál hibák

Használat:

• fényképezőgépek
• web
• közösségi média

WebP

Tulajdonságok:

• veszteséges
• veszteségmentes mód is

Előny:

• kisebb méret JPEG-hez képest

HEIF/HEIC

Használat: mobiltelefonok

Előny:

• kiváló tömörítés
• kisebb méret

6. Hangtömörítés

A nyers hang rendkívül nagy.

CD minőség:

• 44,1 kHz
• 16 bit
• sztereó

Méret: 44100×16×2 ≈1411 kbps

MP3

Teljes név: MPEG Layer III

Működési elvek: Pszichoakusztikai modell:

Eltávolítja:

• ember által nem hallható frekvenciákat
• elfedett hangokat

Bitráták:

AAC

Advanced Audio Coding

Előny:

• MP3-nál jobb minőség

Felhasználás:

• YouTube
• iPhone
• streaming

OGG Vorbis

Előny:

• nyílt szabvány

Felhasználás:

• játékok
• streaming

Opus

Modern hangkodek.

Tulajdonságok:

• beszéd
• zene
• VoIP

Használat:

• Discord
• WebRTC

Veszteségmentes hang

FLAC

Előny:

• CD minőség megmarad

Tömörítés:

kb. 40–60%

Használat:

• archiválás
• audiofil zene

7. Videótömörítés

A videó:

• képek sorozata
• hang
• metaadatok

Videókódolási alapelvek

Intraframe tömörítés

Minden képkockát külön tömörít.

Interframe tömörítés

A képkockák közti különbséget tárolja.

Példa: Kép1:

ember áll

Kép2: ember egy lépést tesz

Nem tárolja újra a teljes képet.

Csak: „az ember balra mozdult 10 pixelt”

Képkocka-típusok

I-frame

Teljes kép

P-frame

Előző képkockához viszonyított

B-frame

Előző és következő képkockát használ

Fontos videokodekek

Konténer és kodek különbsége

Kodek: hogyan tömörítjük

Konténer: hogyan tároljuk

Példa:

MP4 konténer:

• H.264 videó
• AAC hang

MKV konténer:

• H.265 videó
• FLAC hang

Konténerek

8. Bittérképes grafika

Más néven: rasztergrafika

Működés: A kép pixelekből áll.

Példa: 10×10: 100 pixel

1920×1080: 2 073 600 pixel

Jellemzők

Minden pixel:

• pozíció
• színérték

Színmélység

Előnyök

• fotókhoz ideális
• részletgazdag

Hátrányok

• nagy méret
• nagyításkor pixelesedik

Formátumok

9. Vektorgrafika

A kép matematikai objektumokból áll:

• pontok
• egyenesek
• görbék
• alakzatok

Példa:

Kör: (x−a)2+(y−b)2=r2(x-a)^2+(y-b)^2=r^2(x−a)2+(y−b)2=r2

hhh 

kkk

rrr

(x)2+(y)2=3.02(x)^2 + (y)^2 = 3.0^2(x)2+(y)2=3.02

-10-8-6-4-2246810-6-4-2246

Nem pixeleket tárol, hanem matematikai leírást.

Előnyök

• korlátlan nagyítás
• kis méret
• szerkeszthető

Hátrányok

• fotóknál nem használható jól

Formátumok

10. Bittérképes és vektorgrafika összehasonlítása

11. Gyakorlati feladatok 

1. feladat

Egy 1920×1080-as 24 bites kép méretének kiszámítása tömörítés nélkül.

Megoldás:

Méret:

1920 ×1080×24

=49 766 400 bit

≈5,93 MB

2. feladat

Sorold be:

• PNG
• JPEG
• FLAC
• MP3
• H.264
• SVG

Veszteséges / veszteségmentes?

Megoldás:

Veszteségmentes:

• PNG
• FLAC
• SVG

Veszteséges:

• JPEG
• MP3
• H.264

3. feladat

Mikor használunk:

• PNG
• JPEG
• SVG
• FLAC
• H.265

Megoldás:

PNG:

webgrafika

JPEG:

fotók

SVG:

logók

FLAC:

archiválás

H.265:

4K videó

Összefoglalás

Meg kell különböztetni:

• veszteséges és veszteségmentes tömörítés
• kodek és konténer fogalma
• bittérképes és vektorgrafika
• hang- és videótömörítési elvek
• felhasználási területek
• szabványok