Як та навіщо стискаються дані?

Завдання № 1

Виконай дії:

1. Ознайомся із алгоритмом № 1.

2. У робочому зошиті створи таблицю 1 за зразком та запропонуй двійковий код для кожної команди.

3. дай відповіді на запитання:

Скільки біт знадобилося для кодування однієї команди? Чому саме така кількість?

Алгоритм № 1

1. Увімкни світлодіод

2. Перейди праворуч

3. Перейди праворуч

4. Увімкни світлодіод

5. Перейди праворуч

6. Перейди вниз

7. Увімкни світлодіод

8. Перейди ліворуч

9. Перейди ліворуч

10. Увімкни світлодіод

11. Перейди ліворуч

12. Перейди вниз

13. Увімкни світлодіод

14. Перейди праворуч

15. Перейди праворуч

16. Увімкни світлодіод

17. Перейди праворуч

18. Перейди вниз

19. Увімкни світлодіод

20. Перейди ліворуч

21. Перейди ліворуч

22. Увімкни світлодіод

23. Перейди ліворуч

24. Перейди вниз

4. Полічи інформаційний обсяг запису даного алгоритму у двійковому коді.

5. Порівняй алгоритм № 1 із алгоритмом № 2.

6. У робочому зошиті створи таблицю 2 за зразком та запропонуй двійковий код для кожної команди алгоритму № 2.

7. дай відповідь на запитання:

Скільки біт знадобилось для кодування однієї команди?

8. Полічи інформаційний обсяг алгоритму № 2. Порівняй інформаційний обсяг алгоритму № 1 та алгоритму № 2. Зроби висновки.

Алгоритм № 2

Завдання № 2

Ознайомся в рубриці «Запитання-відповіді» із методом стиснення даних RLE та поясни, як із ряда 1 було отримано ряд 2?

ЗАКОДУЄМО?

У середовищі Makecode допиши поданий код, так щоб micro:bit демонстрував послідовне ввімкнення світло-діодів у відповідності до описаної у завданні 1 задачі.

Завдання № 3

Розшифруй повідомлення:

Дай відповідь на запитання:

Яке повідомлення (зашифроване чи розшифроване) довше?

Склади словесний алгоритм стиснення повідомлень даним методом.

Завдання № 4

Ознайомся із двома кодовими таблицями.

ворона проворонила вороненя. символ	Код символу
в	0000
о	0001
р	0011
а	0010
н	0100
п	0101
и	0110
л	0111
е	1000
я	1100

Словникова	Код
одиниця	символу
ворон	000
а	001
про	011
еня	100
ил	111

Запиши два варіанти повідомлення «Ворона проворонила вороненя», спираючись на подані в таблиці коди.

визнач коефіцієнт стиснення.

Завдання № 5

дізнайся в мережі Інтернет, що об'єднує зображені програми і чим вони різняться.

доповни цей список.

Завдання № 6

Розглянь подані вікна. виконай завдання та дай відповіді на запитання.

Порівняй довжину двійкового коду повідомлення до та після стиснення. Спробуй описати алгоритм стиснення, який тут застосовувався.

визнач формат даних в архіві та заархівованого файлу.

Який процес почнеться, якщо натиснути на файл в архіві два рази лівою клавішею миші?

Які дії можна виконати з поданим архівом?

Який коефіцієнт стиснення отримано в результаті архівування файлу?

ЗАПИТАННЯ-ВІДПОВІДІ

Навіщо стискати інформацію?

Сьогодні стиснення інформації є досить важливою процедурою, без якої дані просто не вмістилися б на наявних носіях. Навіть якщо будь-який користувач може придбати сучасний накопичувач даних, варто зазначити, що з кожним роком обсяг інформації зростає. всього 10 років тому обсяг стандартного відеофільму не перевищував 700 МБ. Сьогодні обсяг фільмів у HD-якості може досягати декількох десятків гігабайт.

У яких випадках виникає необхідність стиснення даних?

Пересилання даних електронною поштою.

Часто бувають ситуації, коли потрібно переслати великі файли. Завдяки стисненню можна істотно зменшити їх розмір. Особливо це важливо для пересилання інформації через мобільні пристрої.

Публікація на інтернет-сайтах і порталах.

Процедура стиснення проводиться для зменшення обсягу документів, які використовуються для публікації на різних інтернет-ресурсах. Це дозволяє значно заощадити трафік.

Економія вільного місця на диску.

Коли немає можливості додати в систему нові пристрої для зберігання інформації, можна використати процедуру стиснення для економії вільного простору на диску.

У багатьох інших випадках.

За якими критеріями оцінюють процеси та результати стиснення даних?

Стиснення інформації — процес, що має досить давню історію, набагато давнішу, ніж історія розвитку обчислювальної техніки. Під час цього процесу форма подання інформації стає компактнішою. Основними технічними характеристиками процесів стиснення і результатів їх роботи є:

ступінь стиснення (різниця між нестиснутими та стиснутими даними);

Коефіцієнт стиснення визначається як відношення обсягу вихідних даних до обсягу стиснутих. Його можна обчислити за формулою:

де

— коефіцієнт стиснення;

— обсяг вихідних даних;

— обсяг стиснутих даних.

Таким чином, що вище коефіцієнт стиснення, то ефективнішим вважається алгоритм, за яким виконують стиснення.

швидкість стиснення;

якість стиснення (величина, яка показує, наскільки стиснуті дані можна стиснути ще більше в результаті застосування цього ж або іншого алгоритму).

Існує два основних типи стиснення даних: з втратами (lossy) і без втрат (lossless).

Стиснення без втрат простіше для розуміння. Його основною властивістю є те, що зі стиснутих даних можна відновити точну копію початкових даних. І навпаки — стиснення з втратами не гарантує можливості відновити ті самі вихідні дані. Це здається недоліком, але для певних типів даних, таких як зображення і звук, відмінність між відновленими і вихідними даними може бути несуттєвою. У загальному випадку алгоритми стиснення з втратами забезпечують вищий коефіцієнт стиснення, ніж алгоритми стиснення без втрат (в іншому випадку їх не варто було б використовувати взагалі). Для прикладу можна порівняти призначений для зберігання зображень формат із втратами JPEG з форматом без втрат GIF. Безліч форматів потокового аудіо і відео, які використовуються в мережі Інтернет для завантаження мультимедійних даних, є алгоритмами стиснення з втратами.

Які існують алгоритми стиснення даних без втрат?

Без втрат

Метод стиснення RLE (Run-length encoding) або кодування повторень — це, напевно, найбільш простий алгоритм стиснення даних, у якому символи, що повторюються, замінюються на один символ і число його повторів.

Наприклад, рядок «aaaabbbccd» після кодування повторень перетворюється на рядок «4a3b2c1 d», тобто, замість 10 символів, ми отримуємо 8.

Основним недоліком цього алгоритму є його вкрай низька ефективність на послідовностях символів, які не повторюються. Наприклад, якщо розглянути послідовність «АБАБАБ»

(6 байт), то після застосування алгоритму RLE вона перетвориться в «1А1Б1А1Б1А1Б» (12 байт). для вирішення проблеми символів, які не повторюються, існують інші методи.

Наприклад, в основу алгоритму лем-пеля-Зіва покладено принцип кодування лексичних одиниць групами байт фіксованої довжини. Результат кодування зводиться в таблицю, утворюючи так званий словник. в основі алгоритму хаффмана покладено досить просту ідею: замість того, щоб кодувати всі символи бітовими послідовностями однакової довжини, раціональніше ті символи, що трапляються частіше, кодувати коротшими послідовностями бітів, а більш рідкісні символи — довшими. У результаті, як правило, повідомлення виходить коротшим, тобто стискається.

Перелік форматів стиснення без втрат:

1. Універсальні:

1.1. Zip;

1.2. 7-Zip;

1.3. RAR;

1.4. GZip

1.5. PAQ та ін.

2. Аудіо:

2.1. FLAC (Free Lossless Audio Codec);

2.2. Monkey's Audio (APE);

2.3. TTA (True Audio);

2.4. TTE;

2.5. LA (LosslessAudio);

2.6. RealAudio Lossless;

2.7. WavPack та ін.

3. Зображення:

3.1. BMP;

3.2. GIF;

3.3. PNG;

3.4. TIFF;

3.5. JPEG 2000.

4. відео:

4.1. CorePNG;

4.2. FFV1;

4.3. H.264/MPEG-4 AVC.

які існують методи стиснення даних із втратами?

Перевага методів стиснення із втратами над методами стиснення без втрат полягає в тому, що перші істотно перевершують ступінь стиснення, задовольняючи поставлені вимоги. Методи стиснення із втратами часто використовуються для стиснення звуку або зображень (у такому випадку їх називають кодеками). Стиснутий таким методом файл може сильно відрізнятися від оригіналу, якщо

порівнювати окремі біти, але практично не відрізняється для людського вуха або ока. Тобто такі методи враховують особливості будови органів чуттів людини.

Наприклад, кодек MP3 — це кодек третього рівня, розроблений командою MPEG, ліцензований формат файлу для зберігання аудіоінформації.

У форматі MP3 використовується алгоритм стиснення з втратами. Принцип стиснення полягає в зниженні точності деяких частин звукового потоку, яке вухо людини майже не сприймає. даний метод називають кодуванням сприйняття. При цьому на першому етапі будується діаграма звуку у вигляді послідовності коротких проміжків часу, потім на ній видаляється інформація, непомітна людському вуху. Інформація, яка залишається, зберігається в компактному вигляді. даний підхід схожий на метод стиснення зображень у форматі JPEG.

Приклад відео з різнем ступенем стиснення:

http://bit.do/fSPXV

Сьогодні багато мультимедійного контенту пересилається через різноманітні месенджери, які для швидкості передавання даних автоматично їх стискають. Якщо користувач має бажання передати дані без стиснення, для цього потрібно або відповідно налаштувати месенджер, або скористатися командою «відправити файл без стиснення» (мінус такого способу в тому, що отримувач не зможе попередньо переглянути надіслане йому зображення. Спершу йому потрібно скачати файл).

Наприклад, стандартно вайбер відправляє фотографії та картинки у зниженій якості. Щоб зображення виглядали краще, користувачу потрібно натиснути «додатково» та перейти у розділ «Параметри» — «Мультимедійні файли та пам'ять» — «Якість фото», в якому обрати замість «хороша» значення «відмінна».

Що таке програми-архіватори?

При збереженні, резервному копіюванні інформації тощо, якої б місткості не були ваші диски, завжди бажано стиснути файли так, щоб вони займали якомога менше місця. Найпростіше це зробити за допомогою програм-архіваторів.

Архіватор — комп'ютерна програма, що здійснює стиснення даних в один файл архіву для легшого передавання або компактного його зберігання.

Додаткові переваги архівування:

Створення одного файлу архіву замість декількох файлів даних. Це дуже зручно, зокрема, для електронного листування. Можливість відновлення інформації з архіву після технічних проблем із пристроями, програмами, після вірусних атак (за умови, що вірус не зачепив власне архівний файл).

Назви поширених програм для архівації: ARK, ZIP, WinZIP, PeaZip, 7-Zip (7z), TAR, GZIP, BZIP2, COMPRESS, ARJ, WinRAR.

Які операції можна виконувати над архівами?

створення нового архіву; додавання файлів у архів; видобування файлів з архіву; оновлення файлів в архіві;

створення саморозпаковуваних архівів (англ. self-extract archive) тобто тих, що можуть розпаковуватися навіть без програм-архіваторів; створення багатотомного архіву; захист архіву паролем від несанкціонованого доступу; перегляд вмісту без попереднього видобування; пошук файлів і даних всередині архіву; перевірка на віруси в архіві до розпаковування; вибір і налаштування коефіцієнту стиснення.

Які формати мають файли архівів?

RAR

«Рідний» формат архіватора WinRAR, який, на жаль, не є безкоштовним.

Формат забезпечує високий коефіцієнт, але не найкращу швидкість стиснення. Утім, в архіваторі WinRAR ці параметри можна варіювати.

ZIP

Мабуть, найпоширеніший формат архівів. Його підтримує, зокрема,

ОС Windows, тобто ZIP-архіви можна відкривати у Windows як звичайні папки.

7z

Сучасний формат, що підтримується безкоштовним архіватором 7-Zip. Для багатьох типів даних забезпечує найкраще співвідношення між коефіцієнтом і швидкістю стиснення.

Формат файлу архіву	Архіватор
.arj	ARJ
.bz2	BZIP2
.gz	GZIP
.rar	WinRAR
.tar	TAR
.z	COMPRESS
.zip	ZIP, PKZIP, WinZIP
.7z	7-ZIP

Як створити резервну копію файлів?

Більшість ОС мають у своєму складі засоби створення резервних копій даних. Ці програми, зазвичай, здійснюють копіювання даних для відновлення ОС на тому самому або іншому диску, також створюють архіви файлів користувача.

для створення резервних копій файлів у ОС Windows необхідно:

1) Відкрити вікно налаштувань архівування і відновлення файлів (Пуск

Панель керування

Резервне копіювання та відновлення).

2) Вибрати посилання «настроювання резервного копіювання»

(для першого запуску резервного копіювання) або посилання «Змінити параметри для наступних».

3) Указати пристрій, на який буде записано архівний файл.

4) Указати перелік папок з файлами, що будуть включені до резервної копії.

5) Змінити, за потреби, розклад здійснення автоматичного резервного копіювання.

6) Розпочати процес створення архіву даних користувача вибором кнопки «Зберегти настройки та запустити резервне копіювання».

Для створення резервних копій у ОС Linux слід відкрити вікно системних параметрів (Панель запуску

системні параметри) та в групі «системна» запустити програму «Резервні копії». У вікні програми можна вибрати папки, що будуть включені до резервних копій, розміщення сховища для резервних копій, налаштувати параметри автоматичного резервування тощо. За допомогою кнопки «відновлення» можна розпочати відновлення даних зі збереженої раніше резервної копії даних.

як створити резервну копію даних пристрою Android і відновити їх?

Ви можете створювати резервні копії контенту, даних і налаштувань телефона в обліковому записі Google. Цю інформацію можна відновити на тому самому або іншому телефоні Android.

Процес відновлення даних відрізняється залежно від телефона і версії Android. Не можна відновити резервну копію новішої версії Android на телефоні зі старішою версією.

Ви можете налаштувати на телефоні автоматичне зберігання резервних копій даних. Один із алгоритмів увімкнення резервного копіювання:

1) На телефоні Android потрібно встановити додаток Google One.

2) Знайти розділ «створіть резервну копію даних телефона»

та натиснути «докладніше» (обрати потрібні налаштування,

за необхідності дозвольте сервісу «Резервна копія» з Google One створювати резервні копії зображень і відео через Google Фото). 3) Натиснути «Увімкнути».

Резервне копіювання Google One може тривати до 24 годин. Коли дані буде збережено, під вибраними типами даних з'явиться статус «Увімкнено».

ПЕРЕВІР СЕБЕ

1. Назви відомі тобі архіватори та формати архівних файлів.

2. Наведи приклади ситуацій, у яких виникає необхідність стиснення даних.

3. Для чого потрібні резервні копії даних? Наведи приклади ситуацій, у яких резервна копія даних допоможе вирішити проблему.

4. Виконай.

a) Створи папки «Тексти», «Зображення», «Аудіо»;

b) знайди на комп'ютері або в Інтернеті файли текстів, зображень та аудіо і скопіюй їх у відповідні папки;

c) стисни окремо кожну папку, проаналізуй результати стиснення даних, знайди коефіцієнти стиснення;

d) стисни всі архіви, з'єднавши їх в один, проаналізуй результати стиснення даних, знайди коефіцієнт стиснення;

e) розархівуй загальний архів, до архіву «Зображення» додай ще два файли із зображеннями;

f) зроби висновки щодо того, дані яких типів стискаються краще, а яких — гірше. Спробуй пояснити чому.

5. Поясни, яким чином можна стиснути дані.

6. У методі стиснення Хафмана частіші символи кодуються коротшими послідовностями бітів, а рідкісніші — довшими. Спробуй пояснити, чому не можна закодувати всі символи коротшими бітовими послідовностями, ніж у вихідних даних.

Закодуй рядок даних «SSSSOOOEEERROOOAAYYYYYDDDDOEUU UUUWWWWJJJORRUUUUUUUUUUXXXKHHHHHHMMMMMMGGGL LLLLLLJJJJ» методом RLE.

 

 

Це матеріал з підручника Інформатика 9 клас Коршунова 2022