小科普：電腦圖像文件為什么要壓縮？

    泡泡網顯卡頻道4月23日 圖像和視頻的壓縮技術應用廣泛，每天刷微博的圖片，盜版回來的小電影，無一不用壓縮技術。

壓縮的必要性

    某天陳老師要錄動作大片，經過長期艱苦奮斗，他制成了這樣一段視頻：畫面大小1000×1000pixel，24位真彩色，每秒30幀，時長2小時。
如果不進行任何壓縮，存儲這段視頻需要1000*1000*24*30*60*120=5.184 ×1012 bit ≈ 648GB的空間。(2014年4月5日,500GB硬盤最低價格是299元~)
用4M寬帶下載這部大片，最少需要360小時 = 15天。

    可見，要保障人民群眾的切身利益，壓縮技術非常有必要。

    壓縮的可能性

    就單幅圖像而言，壓縮的可能性是顯而易見的。

    如上面三幅小圖，圖a每個形狀里面都填充著相同的顏色，圖b每一行的顏色是相同的，更過分的圖c整幅圖只填充了一種顏色。

    壓縮前：第1個點灰色，第2個點灰色，第3個點灰色，第4個點灰色，第5個點灰色，第6個點灰色......第89個點灰色，第90個點黑色......

    最簡單的壓縮后：第1到89個點灰色，第90個點黑色。

常見的壓縮標準

    JPEG是廣泛使用的照片存儲格式，它適應人的視覺，用更多的數據來存儲人眼敏感的圖像低頻部分，用很少的數據存儲人眼不關心的高頻部分。維基百科有很詳盡的講解http://zh.wikipedia.org/wiki/JPEG   

    JPEG 2000是基于小波變換的圖像壓縮標準，可以獲得比JPEG更大的壓縮比，通常它被認為是未來取代JPEG的標準。

圖像壓縮的基本套路

圖像壓縮基本按照以下流程進行：

原圖像 -> 映射 -> 量化 -> 符號編碼 -> 存儲/傳輸 -> 符號解碼 -> 反映射 -> 圖像

    映射(Mapper)：對原圖像進行變換，使之更容易被壓縮。(比如傅里葉變換)
量化(Quantizer)：量化是壓縮的主要圖像，主要也是它引入誤差的。比如有一個以2為單位的量化器，看到原圖像值是17，將它除2向下取整，量化得到8；圖像還原的時候，用8×2=16得到還原值，與真實值相差了1。

    符號編碼(Symbol encoder)：圖像已經變換量化完了，該為存儲和傳輸作準備了。符號編碼可以進一步地壓縮文件大小：

    將重復出現次數多的數據，用簡短的符號進行編碼；出現次數少的數據，用較長的符號進行編碼；后面的哈夫曼(Huffman)編碼會詳細講到~

JPEG的壓縮套路

    鑒于圖像壓縮的每個步驟都能有不同的方法，所以有必要制定統一的標準，使得圖像在每臺電腦每部手機中都能正常使用。

JPEG是其中一個標準，它的壓縮套路如下：

原圖像 -> 分解成一個個小圖像 -> 變換 -> 量化 -> 符號編碼 -> 壓縮后的圖像

    分解圖像：JPEG會將一幅大圖像分解成8×8的小圖像。至于為什么是8×8呢，嗯，歡迎各位同學劇透；

    變換：JPEG使用DCT變換(離散余弦變換)，類似傅里葉變換，不過它是取實部。(不由感慨，學好“信號與系統”也是很有必要的...)

    量化：JPEG通過各種除法來進行量化，不過對于不同重要程度的信息，它所除的數的大小會有所不同；

符號編碼：JPEG使用常見的哈夫曼(Huffman)編碼。

圖像還原，就是反過來進行這些步驟。

    JPEG的實現方法比較簡單，小朋友們在家也能模仿。也因為簡單高效，所以JPEG的應用范圍相當廣泛。■