文件压缩原理

文章摘要：如果从这个角度处理该句子，我们最终会得到一个完全不同的字典。如果压缩程序扫描肯尼迪的这句话，它遇到的第一个冗余部分只有几个字母长。在ask not what your中，出现了一个重复的模式，即字母t后面跟一个空格——在not和what中。如果压缩程序将此模式写入字典，则每次出现“ｔ”后面跟一个空格的情况时，它会写入一个“１”。但是在这个短句中，此模式的出现次数不够多，不足以将其保留为字典中的一个条目，因此程序最终会覆盖它。程序接下来注意到的内容是ou，在your和country中都出现了它。如果这是一篇较长的文档，将此模式写入字典会节省大量空间——在英语中ou是一个十分常见的字母组合。但是在

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如果从这个角度处理该句子，我们最终会得到一个完全不同的字典。

如果压缩程序扫描肯尼迪的这句话，它遇到的第一个冗余部分只有几个字母长。在ask not what your中，出现了一个重复的模式，即字母t后面跟一个空格——在not和what中。如果压缩程序将此模式写入字典，则每次出现“ｔ”后面跟一个空格的情况时，它会写入一个“１”。但是在这个短句中，此模式的出现次数不够多，不足以将其保留为字典中的一个条目，因此程序最终会覆盖它。

程序接下来注意到的内容是ou，在your和country中都出现了它。如果这是一篇较长的文档，将此模式写入字典会节省大量空间——在英语中ou是一个十分常见的字母组合。但是在压缩程序看完整个句子后，它立即发现了一个更好的字典条目选择：不仅ou发生了重复，而且your和country整个单词都发生了重复，并且它们实际上是作为一个短语your country一起发生重复的。在本例中，程序会用your country条目覆盖掉字典中的ou条目。

短语can do for也发生了重复，一次后面跟着your，另一次跟着you，因此我们又发现can do for you也是一种重复模式。这样，我们可以用一个数字来代替15个字符（包含空格），而your country只允许我们用一个数字代替13个字符（包含空格），所以程序会用r country条目覆盖your country条目，然后再写入一个单独的can do for you条目。程序通过这种方式继续工作，挑出所有重复的信息，然后计算应该将哪一种模式写入字典。基于自适应字典的LZ算法中的“自适应”部分指的就是这种重写字典的能力。程序执行此工作的过程实际上非常复杂，您可以参考Data-Compression.com上的讨论来了解更多信息。

无论使用什么方法，这种深入搜索机制都能比仅仅挑出单词这种方法更有效率地对文件进行压缩。如果使用我们上面提取出的模式，然后用“__”代替空格，最终将得到下面这个更大的字典：

ask__
what__­
you
r__country
__can__do__for__you

而句子则较短：

“1not__2345__--__12354”

句子现在占用18个内存单元，字典占用41个单元。所以，我们将文件总大小从79个单元压缩到了59个单元！这仅仅是压缩句子的一种方法，而且不一定是最高效的方法。（看看您能找到更好的方法吗！）

那么这种机制到底有多好呢？文件压缩率取决于多种因素，包括文件类型、文件大小和压缩方案。

在世界上的大多数语言中，某些字母和单词经常以相同的模式一起出现。正是由于这种高冗余性，而导致文本文件的压缩率会很高。通常大小合适的文本文件的压缩率可以达到50%或更高。大多数编程语言的冗余度也很高，因为它们的命令相对较少，并且命令经常采用一种设定的模式。对于包含大量不重复信息的文件（例如图像或MP3文件），则不能使用这种机制来获得很高的压缩率，因为它们不包含重复多次的模式。

如果文件有大量重复模式，那么压缩率通常会随着文件大小的增加而增加。从我们的例子中就可以看出这一点——如果我们摘录的肯尼迪讲话再长一些，您会发现又多次出现了我们字典中的模式，因此能够通过每个字典条目节省更多的文件空间。此外，对于更大的文件，还可能出现具有更大普遍性的模式，从而能够创建出效率更高的字典。

此外，文件压缩效率还取决于压缩程序使用的具体算法。有些程序能够在某些类型的文件中更好地寻找到模式，因此能更有效地压缩这些类型的文件。其他一些压缩程序在字典中又使用了字典，这使它们在压缩大文件时表现很好，但是在压缩较小的文件时效率不高。尽管这一类的所有压缩程序都基于同一个基本理念，但是它们的执行方式却各不相同。程序开发人员始终在尝试建立更好的压缩机制。

有损压缩和无损压缩

我们在上文中讨论的压缩类型称为无损压缩，因为您重新创建的文件与原始文件完全相同。所有无损压缩都基于这样一种理念：将文件变为“较小”的形式以利于传输或存储，并在另一方收到它后复原以便重新使用它。

有损压缩则与此大不相同。这些程序直接去除“不必要”的信息，对文件进行剪裁以使它变得更小。这种类型的压缩大量应用于减小位图图像的文件大小，因为位图图像的体积通常非常庞大。为了了解有损压缩的工作原理，让我们看看你的计算机如何对一张扫描的照片进行压缩。

对于此类文件，无损压缩程序的压缩率通常不高。尽管图片的大部分看起来都是相同的——例如，整个天空都是蓝色的——但是大部分像素之间都存在微小的差异。为了使图片变得更小同时不降低其分辨率，您必须更改某些像素的颜色值。如果图片中包含大量的蓝色天空，程序会挑选一种能够用于所有像素的蓝色。然后，程序重写该文件，所有天空像素的值都使用此信息。如果压缩方案选择得当，您不会注意到任何变化，但是文件大小会显著减小。

当然，对于有损压缩，在文件压缩后您无法将其复原成原始文件的样子。您必须接受压缩程序对原始文件的重新解释。因此，如果需要完全重现原来的内容（例如软件应用程序、数据库和总统就职演说），则不应该使用这种压缩形式。

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