Compressione: qualità o dimensione? “...questo è il problema” (terza parte)

In questo articolo continuiamo a parlare di compressione allargando il discorso al tipo lossy.

Introduzione

Nell'articolo precedente abbiamo detto che la compressione di tipo lossless è reversibile, cioè che un file A compresso in un archivio X (ad esempio un archivio di tipo RAR), una volta estratto sarà identico al file A di partenza.

  File A -> compressione -> Archivio X -> estrazione -> File A

Parliamo ora di un altro tipo di compressione. Un tipo di compressione in cui il file originale e il file compresso non sono più identici ma simili, cioè la dimensione del file compresso è diminuita in quanto ora è più povero di dati rispetto al file originale, e quello che ha perso non può più essere recuperato. Parliamo di compressione di tipo lossy

La compressione lossy

In quali circostanze una compressione con perdita di dati può essere utile?

Compressione lossy su file audio

Il formato audio .MP3 è l’esempio che tutti abbiamo sotto gli occhi di come una traccia audio originale, che solitamente è una traccia presa da un CD Audio, possa essere “impoverita” di dati dalla compressione di tipo lossy fino ad ottenere un file molto più piccolo, che tuttavia, una volta ascoltato, risulterà per la maggior parte degli orecchi quasi identico all’originale.
Come è possibile che un file audio originale in formato WAV grande 50 Mb possa essere uguale all’equivalente file MP3 di 2 Mb? Semplice: nel file MP3 sono rimaste solo quelle informazioni audio che servono all’orecchio umano medio per percepire simile le due sorgenti sonore. Alla base della logica applicata alla compressione di tipo lossy ci sono gli studi di una scienza, la psicoacustica, che in poche parole, studia il limitato spettro dei suoni che l'orecchio umano è in grado di percepire rispetto al suono esterno naturale.

Riassumendo: mentre chi produce i CD Audio originali cerca di fornire il suono HiFi, cioè il più fedele possibile rispetto alla sorgente (cioè il suono prodotto dai musicisti/cantanti), la compressione di tipo lossy (e l’MP3, in questo caso) si concentra solo su ciò che un orecchio medio riesce a sentire, e sacrifica tutto il resto.

Compressione lossy su file immagine 

Quello che è l’MP3 per l’audio lo è il JPEG per le immagini.
Anche in questo caso la compressione di tipo lossy si basa sullo studio della percezione delle immagini da parte dell’occhio medio.
Le normali fotocamere digitali applicano già una compressione di tipo lossy producendo dei file in formato JPEG. In altre parole della immagine originale la fotocamera mantiene solo le informazioni che il nostro occhio può percepire e non “ciò che ha visto il suo sensore”.
In alcuni casi, tuttavia, il formato JPEG non è sufficiente.
Le macchine fotografiche professionali sono in grado di salvare le immagini in un altro formato: il RAW. Il formato RAW (termine inglese che significa: grezzo, crudo, non elaborato) scrive fedelmente tutto ciò che il sensore è stato in grado di registrare. Tutte queste informazioni sono particolarmente utili in fase di ritocco fotografico o di elaborazione dell'immagine (per esempio con Photoshop).
Come per l’audio un file WAV è enormemente più grande del corrispettivo file MP3, così il file RAW è decisamente più grande del corrispettivo file JPEG.

Quando la compressione sacrifica la qualità

Terminiamo questo articolo con una riflessione.
Il nostro cervello è uno strumento meraviglioso: il nostro occhio guarda una sequenza di immagini statiche inviate su uno schermo ad una certa frequenza l’una dall’altra, e il nostro cervello elabora il movimento fluido di una film; oppure il nostro occhio vede sullo schermo dei piccoli quadratini che accostano differenti colori e il nostro cervello elabora una sfumatura; oppure il nostro orecchio ascolta da una radiolina gracchiante quattro violini striduli che suonano e il nostro cervello ci fa sentire una sinfonia. Questi sono solo alcuni esempi di come il nostro cervello sia in grado di “correggere” gli errori che i nostri sensi raccolgono, o filtrare una informazione rispetto al rumore che l'accompagna, o riempire i vuoti di una informazione “povera” e frammentata.

Quando tuttavia il rumore è troppo, quando le informazioni raccolte sono troppo poche, quando la frammentazione è eccessiva, anche il cervello inizia a fare fatica. Il risultato è la perdita del flusso delle informazioni.
Per fare un esempio proviamo ad aumentare la compressione di una immagine JPEG: noteremo che ad una diminuzione della dimensione del file compresso, le linee curve, che prima erano lisce, ora sono diventate seghettate; e le sfumature ora sono diventate chiazze quadrate di colore (effetto quadrettatura).

Concludendo: le estreme conseguenze della compressione di tipo lossy è la degradazione della qualità della informazione, degradazione che la rende, alla fine, del tutto inutilizzabile.

Di cosa abbiamo parlato:

• Compressione lossy: riduzione dello spazio di uno o più file da parte di una applicazione basata sulla perdita dei dati meno significativi.
• HiFi:  acronimo di High Fidelity (alta fedeltà).
• RAW: termine inglese per indicare che i dati sono stati raccolti con la maggiore fedeltà possibile rispetto ad campione originale e senza ulteriori elaborazioni o ottimizzazioni.
• file WAV: file audio di tipo HiFi.
• file MP3: file audio compresso con metodo lossy.
• file RAW: file immagine di tipo RAW.
• file JPEG: file immagine compressa con metodo lossy.

Compressione: mettere a dieta un file chiudendo una “zip” (seconda parte)

In questo articolo continuiamo a parlare di compressione lossless, presentando alcune applicazioni per Windows.

Introduzione

Il costo della compressione/estrazione, in termini di tempo e risorse utilizzate dalla applicazione di compressione lossless, sarà sempre di più un prezzo piccolo da pagare a fronte degli enormi vantaggi in termini di risparmio di spazio sui supporti di memoria e banda nelle operazioni di carico/scarico dei file da internet.

Ma ora conosciamo da vicino una applicazione di compressione lossless così famosa da occupare un posto nel linguaggio informatico comune con l'espressione “zippare un file” (che è diventato sinonimo di comprimere un file): il WinZip.

Mi presento: sono WinZip

WinZip (dove Win è un diminutivo di Windows, il noto sistema operativo di Microsoft) è una applicazione che può essere chiamata anche familiarmente Zip. Il tipo di file, che produce l'applicazione, ha come estensione .zip ed è un archivio, nel senso che può contenere sia un file singolo che una intera struttura di directory e sotto-directory. Un archivio zip non è utilizzabile direttamente ma può essere gestito solo dalla applicazione WinZip o da Windows, se dispone di una gestione integrata.

Famoso perché?

Il rapporto di compressione è il rapporto tra la dimensione del file compresso rispetto alla dimensione del file originale (per esempio un rapporto del 75% indica che la dimensione dell'archivio compresso è un quarto rispetto al file originale).
L'applicazione WinZip è diventata famosa perché è facile da utilizzare e ha un buon rapporto tra tempo di compressione/estrazione, e un ottimo rapporto di compressione (in inglese ratio).

Ma comprimere o estrarre è solo l’inizio

WinZip può fare molto di più:

• Pezzi più piccoli: può spezzare un archivio compresso in più file di dimensione fissa (in inglese split, italianizzato: splittare). Questa possibilità è molto utile se l’archivio compresso non ci sta in una singola chiavetta USB, e ne servono due o più. Una volta riuniti i singoli file zip in una cartella, WinZip è in grado di estrarre il contenuto senza necessità di riunire i file spezzati (in inglese join, italianizzato: fare il join dei file).
• Protezione del contenuto con password: può criptare con password il contenuto dell’archivio compresso in modo che non sia possibile né estrarre il contenuto né accedere ai dati criptati senza conosce la password. Il nostro archivio compresso diventa quindi, a tutti gli effetti, una cassaforte di informazioni.

Il re è moto: lunga vita al RAR

Tuttavia WinZip ha lasciato il posto ad altre applicazioni di compressione che migliorano i tempi di compresione/estrazione e il rapporto di compressione.
WinRar è un esempio ma chissà che cosa ci riserverà il futuro.

ISO: la comodità di un archivio senza compressione

Spendiamo una parola per il tipo di file ISO.
Un file di tipo ISO ha le stesse caratteristiche di un archivio compresso, ma con un rapporto di compressione dello 0%. Quale è la sua utilità?
Il formato ISO è utilissimo nei casi in cui vogliamo fare una fotografia esatta dei dati contenuti in un disco (per esempio un CD o un DVD). Il file risultante non solo conterrà i file e la struttura di directory della sorgente, ma sarà proprio una immagine 1:1 della sorgente. Per questo motivo il file ISO viene comunemente chiamato immagine ISO.
Una volta creata una immagine ISO può essere utilizzata per ricreare una o più copie esatte della la fonte dati di partenza (DVD 1 -> immagine ISO -> masterizzatore -> DVD 2, 3, 4, ecc.). Inoltre, non essendo compressa, il contenuto potrà essere accessibile direttamente da alcuni programmi (per esempio un lettore multimediale).
In fine segnaliamo che WinRar è in grado di aprire ed estrarre una immagine ISO.

Di cosa abbiamo parlato:

• Zippare un file: espressione in gergo informatico per dire “comprimere un file”.
• WinZip: applicazione di compressione/estrazione dati.
• .ZIP: tipo di file zip, cioè un archivio compresso dalla applicazione WinZip.
• rapporto di compressione (inglese: ratio): rapporto in percentuale tra dimensione del file compresso e quello originale.
• Spezzare un file o splittare (inglese: split): azione di una applicazione che è in grado di spezzare un file in tanti file più piccoli e a dimensione fissa.
• riunire i file spezzati o fare il join (inglese: join): azione di una applicazione che, partendo da un file splittato in più file, è in grado di riunire i pezzi e ripristinare il file originale.
• .RAR: un archivio compresso dalla applicazione WinRar.
• .7Z: un archivio compresso dalla applicazione 7-Zip.
• .ISO: tipo di file che contiene una fotografia esatta dei dati contenuti in un disco (es. CD, DVD, ecc.). L'immagine ISO è comoda perché tutti i dati sono contenuti in un unico file non compresso.

Compressione: Ottimizzazione dello spazio e la nuova pirofila (prima parte)

Cosa è la compressione

La signora Carla è appena rientrata dal negozio dove ha comprato una nuova pirofila. Sistema la spesa e poi apre l’armadio dove tiene le cose della cucina. Dopo un rapida occhiata capisce che non c’è abbastanza spazio per la nuova pirofila. Decide quindi di ottimizzare lo spazio per farcela stare.
Per prima cosa tira fuori tutto il contenuto dell’armadio, poi separa le cose in base alla forma (rotonda, quadrata, rettangolare, ecc.) e inizia ad incastrare gli oggetti in modo che i più grossi contengano oggetti più piccoli. Gli oggetti flessibili vengono infilati negli spazi vuoti ma, alla fine, la nuova pirofila non ci sta ancora e, inoltre, gli oggetti sono così ben incastrati, l’uno dentro all’altro, che:

1. Il marito non troverà più niente e dovrà essere sempre la signora ad estrarre le cose;
2. per tirare fuori gli oggetti ci vorrà più tempo di prima.

A questo punto la signora decide di sacrificare qualche cosa e inizia a pensare a cosa buttare senza sentirne la mancanza. La signora decide di buttare 3 piatti perché, dal momento che la tavola di casa è al massimo per 8 persone (tenendo un piatto nel caso uno si dovesse rompere), gli altri 3 del servizio da 12 sono superflui e nessuno si accorgerà della loro mancanza. Tolti i piatti la pirofila entra nell’armadio e la signora è felice.
Con questo racconto abbiamo parlato di compressione, cioè ottimizzazione dello spazio e di due fasi:

1. la compressione senza perdita di dati
2. la compressione con perdita di dati non significativi

La compressione senza perdita di dati (lossless)

La compressione è una operazione che viene fatta da un'applicazione (la signora Carla) senza perdita dei dati originali (in iglese lossless). Il risultato della compressione è un file particolare: un archivio compresso, cioè un file che in realtà è come una cartella che può contenere al suo interno uno o più file o, addirittura, una struttura di sotto cartelle e file. Come l’armadio anche l’archivio compresso non è immediatamente disponibile ma dovrà essere di nuovo l’applicazione che ha compresso a estrarre i file e renderli fruibili (così come il marito non troverà niente ma dovrà chiedere e attendere che la signora Carla tiri fuori le cose dall’armadio). La compressione ha un costo per il computer in termini di tempo e risorse utilizzate dalla applicazione di compressione.

La compressione con perdita di dati (lossy)

La perdita dei dati (in inglese lossy) è una operazione irreversibile (i piatti nella spazzatura non saranno più utilizzabili) e viene messa in atto da una applicazione (la signora Carla) sui dati ritenuti superflui e la cui mancanza non pregiudica l’utilità del file (se la signora Carla avesse sacrificato un pezzo di pirofila invece, la pirofila ci sarebbe stata nell’armadio ma non sarebbe più stata utilizzabile).
Nella compressione la seconda fase, che prevede la perdita dei dati, è accettabile solo per file con contenuto audio o visivo. Ma questa è un’altra storia.

Di cosa abbiamo parlato:

• Compressione: ottimizzazione dello spazio di uno o più file da parte di una applicazione.
• Estrazione: operazione inversa alla compressione.
• Archivio compresso: file che per essere fruibile deve essere estratto dallo stessa applicazione o da una sua versione specializzata solo nella estrazione.
• Lossless: tipo di compressione senza perdita di dati.
• Lossy: tipo di compressione con perdita di dati.