Bagaimana PNG lossless mengingat bahwa ia memiliki parameter kompresi?


157

File PNG dikatakan menggunakan kompresi lossless. Namun, setiap kali saya berada di editor gambar, seperti GIMP dan mencoba untuk menyimpan gambar sebagai file PNG, ia meminta parameter kompresi, yang berkisar antara 0 dan 9. Jika memiliki parameter kompresi yang mempengaruhi presisi visual dari gambar terkompresi, bagaimana cara membuat PNG lossless?

Apakah saya mendapatkan perilaku lossless hanya ketika saya mengatur parameter kompresi ke 9?


40
Kebanyakan algoritma kompresi lossless memiliki tunables (seperti ukuran kamus) yang digeneralisasi dalam slider "berapa banyak usaha yang harus dilakukan dalam meminimalkan ukuran output" slider. Ini berlaku untuk ZIP, GZip, BZip2, LZMA, ...
Daniel B

20
Pertanyaannya dapat dinyatakan secara berbeda. Jika tidak ada kualitas yang hilang dari kompresi, lalu mengapa tidak selalu menggunakan kompresi menghasilkan ukuran terkecil? Maka jawabannya adalah, karena membutuhkan lebih banyak RAM dan lebih banyak waktu CPU untuk mengompres dan mendekompresi. Terkadang Anda ingin kompresi lebih cepat dan tidak terlalu peduli dengan rasio kompresi.
kasperd

14
Kompresi PNG hampir identik dengan file ZIP. Anda dapat mengompres mereka lebih atau kurang tetapi Anda mendapatkan file yang tepat kembali ketika itu didekompresi - itulah yang membuatnya menjadi lossless.
mikebabcock

13
Sebagian besar perangkat lunak kompresi seperti Zip dan Rar memungkinkan Anda memasukkan "tingkat kompresi" yang memungkinkan Anda memilih antara file yang lebih kecil <--> dengan waktu yang lebih singkat. Itu tidak berarti perangkat lunak ini membuang data selama kompresi. Pengaturan ini (dalam GIMP, pngcrush, dll) serupa.
Salman A

2
@naxa: Tidak ada peringatan tentang seberapa png sebenarnya lossless. Itu selalu 100% lossless. Artikel ini hanya memperingatkan Anda tentang bug yang dimiliki beberapa browser lama dalam implementasi PNG mereka untuk menangani koreksi gamma. Dan itu hanya bermakna jika Anda perlu mencocokkan warna dengan warna CSS (yang tidak dikoreksi gamma).
Pauli L

Jawaban:


184

PNG tidak rugi. GIMP kemungkinan besar tidak menggunakan kata terbaik dalam hal ini. Anggap saja sebagai "kualitas kompresi", atau dengan kata lain, "tingkat kompresi". Dengan kompresi yang lebih rendah, Anda mendapatkan file yang lebih besar, tetapi membutuhkan waktu lebih sedikit untuk menghasilkan, sedangkan dengan kompresi yang lebih tinggi, Anda mendapatkan file yang lebih kecil yang membutuhkan waktu lebih lama untuk diproduksi. Biasanya Anda mendapatkan pengembalian yang berkurang (yaitu, tidak terlalu banyak penurunan ukuran dibandingkan dengan peningkatan waktu yang diperlukan) ketika naik ke tingkat kompresi tertinggi, tetapi terserah Anda.


42
Juga, kompresi PNG sebenarnya memiliki banyak parameter yang dapat disesuaikan di mana penyesuaian di kedua arah dapat mengecilkan ukuran output tergantung pada isi sumber - itu jauh lebih kompleks daripada slider "lebih baik" dan "lebih buruk" sederhana. Untuk tujuan umum, itu tidak terlalu penting, tetapi jika Anda ingin yang terkecil mutlak maka gunakan alat seperti pngcrushitu dapat membandingkan banyak variasi untuk yang sekecil mungkin.
Bob

4
Level kompresi yang lebih tinggi meningkatkan waktu kompresi, tetapi apakah itu juga mempengaruhi dekompresi ?
Nolonar

10
@Nolonar Umumnya tidak; jika ada tingkat kompresi yang lebih tinggi biasanya mengurangi waktu dekompresi karena ada lebih sedikit data yang harus dibaca dan diproses. Semakin lama waktu kompresi adalah karena melakukan pekerjaan yang lebih teliti dalam menemukan pola untuk dikompres (penyederhanaan berlebih).
lembut

1
@fluffy Jawaban LordNeckbeard memiliki kompresi tertinggi membutuhkan 5x lebih lama untuk memecahkan kode daripada yang terendah.
André Chalella

1
Untuk PNG, itu adalah sangat umum untuk memiliki waktu dekompresi lagi untuk file yang lebih baik-terkompresi. Masalahnya adalah bahwa dengan PNG, satu trik yang mungkin adalah menerapkan algoritma kompresi berulang-ulang selama file semakin kecil. Setelah ukurannya meningkat, Anda berhenti menerapkannya. Jadi sangat mungkin Anda menerapkan algoritma kompresi 5 atau 6 kali, yang berarti Anda harus mendekompres file 5 atau 6 kali untuk menampilkan gambar.
yo '

213

PNG dikompresi, tetapi tanpa kehilangan

Level kompresi adalah pertukaran antara ukuran file dan kecepatan encoding / decoding. Untuk terlalu menggeneralisasi, bahkan format non-gambar, seperti FLAC, memiliki konsep serupa.

Level kompresi berbeda, output dekode yang sama

Meskipun ukuran file berbeda, karena tingkat kompresi yang berbeda, output yang didekode sebenarnya akan identik.

Anda dapat membandingkan hash MD5 dari output yang diterjemahkan dengan ffmpegmenggunakan muxer MD5 .

Ini paling baik ditunjukkan dengan beberapa contoh:

Buat file PNG:

$ ffmpeg -i input -vframes 1 -compression_level 0 0.png
$ ffmpeg -i input -vframes 1 -compression_level 100 100.png
  • Secara default ffmpegakan digunakan -compression_level 100untuk output PNG.

Bandingkan ukuran file:

$ du -h *.png
  228K    0.png
  4.0K    100.png

Dekode file PNG dan tampilkan hash MD5:

$ ffmpeg -loglevel error -i 0.png -f md5 -
3d3fbccf770a51f9d81725d4e0539f83

$ ffmpeg -loglevel error -i 100.png -f md5 -
3d3fbccf770a51f9d81725d4e0539f83

Karena kedua hash adalah sama, Anda dapat yakin bahwa output yang di-decode (video mentah yang tidak dikompresi) persis sama.


26
+1 tidak tahu bahwa ffmpeg dapat menangani pngs.
Lekensteyn

21
@Lekensteyn Sangat bagus untuk membuat tangkapan layar . Contoh untuk melewati 30 detik dan mengambil tangkapan layar: ffmpeg -ss 30 -i input -vframes 1 output.pngJuga bagus untuk membuat video dari gambar dan sebaliknya.
Logan

Apakah ini berarti bahwa PNG perlu didekompresi setiap kali harus dibuat? Karena jika itu benar, kita harus
akshay2000

Jika Anda membaca ulang file dari disk atau cache, ya, itu harus didekompresi. Di dalam halaman yang sama cache mungkin dapat menggunakan kembali versi dekompresi.
David Mårtensson

1
@ akshay2000 Tergantung pada cara kerja program yang membuat PNG. Biasanya file dibaca dari disk, didekompresi dan buffered dalam RAM. Jadi selama itu buffered dalam RAM itu tidak perlu mendekompres gambar lagi.
xZise

24

Kompresi PNG terjadi dalam dua tahap.

  1. Pra-kompresi mengatur ulang data gambar sehingga akan lebih kompresibel oleh algoritma kompresi tujuan umum.
  2. Kompresi aktual dilakukan oleh DEFLATE, yang mencari, dan menghilangkan urutan byte duplikat dengan menggantinya dengan token pendek.

Karena langkah 2 adalah tugas yang sangat intensif waktu / sumber daya, pustaka zlib yang mendasarinya (enkapsulasi DEFLATE mentah) mengambil parameter kompresi mulai dari 1 = kompresi tercepat, 9 = kompresi terbaik, 0 = tidak ada kompresi. Di situlah rentang 0-9 berasal, dan GIMP hanya melewatkan parameter itu ke zlib. Perhatikan bahwa pada level 0 png Anda sebenarnya akan sedikit lebih besar dari bitmap yang setara.

Namun, level 9 hanyalah "terbaik" yang akan dicoba zlib, dan masih merupakan solusi kompromi .
Untuk benar-benar merasakan hal ini, jika Anda ingin menghabiskan daya pemrosesan 1000x lebih banyak pada pencarian yang lengkap, Anda bisa mendapatkan kepadatan data 3-8% lebih tinggi menggunakan zopfli bukan zlib.
Kompresi masih lossless, itu hanya representasi data DEFLATE yang lebih optimal. Ini mendekati batas pustaka yang kompatibel dengan zlib, dan karenanya merupakan kompresi "terbaik" sesungguhnya yang mungkin dicapai menggunakan PNG.


2
Catatan: Waktu dekompresi adalah sama terlepas dari tingkat kompresi, atau jumlah iterasi saat menggunakan zopflipng.
Adria

16

Motivasi utama untuk format PNG adalah untuk menciptakan pengganti GIF yang tidak hanya gratis tetapi juga perbaikan di atasnya dalam semua hal. Akibatnya, kompresi PNG benar-benar lossless - yaitu, data gambar asli dapat direkonstruksi dengan tepat, sedikit demi sedikit - sama seperti pada GIF dan sebagian besar bentuk TIFF.

PNG menggunakan proses kompresi 2-tahap:

  1. Pra-kompresi: pemfilteran (prediksi)
  2. Kompresi: DEFLATE (lihat wikipedia )

Langkah precompression disebut filtering, yang merupakan metode mengubah data gambar secara reversibel sehingga mesin kompresi utama dapat beroperasi lebih efisien.

Sebagai contoh sederhana, pertimbangkan urutan byte meningkat secara seragam dari 1 menjadi 255:

1, 2, 3, 4, 5, .... 255

Karena tidak ada pengulangan dalam urutan, itu memampatkan sangat buruk atau tidak sama sekali. Namun modifikasi sepele dari urutan - yaitu, meninggalkan byte pertama saja tetapi mengganti setiap byte berikutnya dengan perbedaan antara itu dan pendahulunya - mengubah urutan menjadi set yang sangat kompresibel:

1, 1, 1, 1, 1, .... 1

Transformasi di atas adalah lossless, karena tidak ada byte yang dihilangkan, dan sepenuhnya reversibel. Ukuran terkompresi dari seri ini akan jauh berkurang, tetapi seri asli masih dapat disusun kembali dengan sempurna.

Gambar-data aktual jarang sesempurna itu, tetapi pemfilteran memang meningkatkan kompresi dalam gambar skala abu-abu dan warna, dan dapat membantu pada beberapa gambar palet juga. PNG mendukung lima jenis filter, dan pembuat enkode dapat memilih untuk menggunakan filter yang berbeda untuk setiap baris piksel dalam gambar:

gambar

Algoritma ini bekerja pada byte, tetapi untuk piksel besar (misalnya, 24-bit RGB atau 64-bit RGBA) hanya byte yang sesuai yang dibandingkan, artinya komponen merah dari warna-piksel ditangani secara terpisah dari komponen piksel hijau dan biru.

Untuk memilih filter terbaik untuk setiap baris, pembuat enkode harus menguji semua kemungkinan kombinasi. Ini jelas tidak mungkin, karena bahkan gambar 20-baris akan membutuhkan pengujian lebih dari 95 triliun kombinasi, di mana "pengujian" akan melibatkan penyaringan dan kompresi seluruh gambar.

Tingkat kompresi biasanya didefinisikan sebagai angka antara 0 (tidak ada) dan 9 (terbaik). Ini merujuk pada pengorbanan antara kecepatan dan ukuran, dan berkaitan dengan berapa banyak kombinasi filter baris yang akan dicoba. Tidak ada standar mengenai tingkat kompresi ini, sehingga setiap editor gambar dapat memiliki algoritma sendiri untuk berapa banyak filter untuk mencoba ketika mengoptimalkan ukuran gambar.

Level kompresi 0 berarti filter tidak digunakan sama sekali, yang cepat tetapi boros. Level yang lebih tinggi berarti semakin banyak kombinasi yang dicoba pada baris gambar dan hanya yang terbaik yang dipertahankan.

Saya akan menebak bahwa pendekatan paling sederhana untuk kompresi terbaik adalah secara bertahap menguji-kompres setiap baris dengan setiap filter, simpan hasil terkecil, dan ulangi untuk baris berikutnya. Ini sama dengan menyaring dan mengompresi seluruh gambar lima kali, yang mungkin merupakan trade-off yang wajar untuk gambar yang akan dikirim dan didekodekan berkali-kali. Nilai kompresi yang lebih rendah akan melakukan lebih sedikit, sesuai kebijakan pengembang alat.

Selain filter, level kompresi juga dapat memengaruhi level kompresi zlib yang merupakan angka antara 0 (tanpa Deflate) dan 9 (Deflate maksimum). Bagaimana level 0-9 yang ditentukan memengaruhi penggunaan filter, yang merupakan fitur optimisasi utama PNG, masih bergantung pada pengembang alat.

Kesimpulannya adalah bahwa PNG memiliki parameter kompresi yang dapat mengurangi ukuran file dengan sangat signifikan, semua tanpa kehilangan bahkan satu piksel pun.

Sumber:

Dokumentasi Wikipedia Portable Network Graphics
libpng Bab 9 - Kompresi dan Penyaringan


1
Saya tidak berpikir pengaturan level kompresi mengubah penggunaan filter. Pengaturan level 1-9 mungkin hanya memilih level kompresi zlib 1-9, dan level 0 berarti algoritma deflate tidak digunakan sama sekali. Sebagian besar implementasi mungkin tidak mengubah filter per baris, tetapi cukup gunakan filter Path sepanjang waktu.
Pauli L

@ PauliL: Saya tidak setuju, karena di semua perbandingan perangkat lunak kompresi PNG, ada perbedaan yang sangat besar antara ukuran gambar yang dihasilkan. Jika semua produk menggunakan parameter yang sama untuk pustaka yang sama, maka semua ukuran seharusnya sama, dan juga kecepatan.
harrymc

Apakah Anda memiliki tautan ke perbandingan seperti itu?
Pauli L

@ PauliL: Pencarian cepat muncul dengan perbandingan ini .
harrymc

@ PauliL: Anda mungkin benar bahwa tingkat kompresi zlib dipengaruhi oleh tingkat kompresi PNG. Saya telah memodifikasi jawaban saya, meskipun tidak ada alat kompresi yang mendokumentasikan apa yang mereka lakukan sebenarnya. Mungkin penjelasan untuk alat dengan hasil ukuran terburuk adalah bahwa mereka tidak menggunakan filter sama sekali, hanya kompresi zlib.
harrymc

5

OK, saya terlambat untuk hadiah itu, tapi ini jawaban saya.

PNG selalu lossless . Menggunakan algoritma Deflate / Inflate, mirip dengan yang digunakan dalam program zip.

Algoritma Deflate mencari urutan byte berulang dan menggantikannya dengan tag. Pengaturan level kompresi menentukan berapa banyak upaya yang digunakan program untuk menemukan kombinasi optimal dari urutan byte, dan berapa banyak memori yang disediakan untuk itu. Ini adalah kompromi antara waktu dan penggunaan memori vs ukuran file terkompresi. Namun, komputer modern sangat cepat dan memiliki cukup memori sehingga jarang perlu menggunakan selain pengaturan kompresi tertinggi.

Banyak implementasi PNG menggunakan pustaka zlib untuk kompresi. Zlib memiliki sembilan level kompresi, 1-9. Saya tidak tahu bagian dalam Gimp, tetapi karena memiliki pengaturan tingkat kompresi 0-9 (0 = tanpa kompresi), saya akan menganggap pengaturan ini hanya memilih tingkat kompresi zlib.

Algoritma Deflate adalah algoritma kompresi tujuan umum , belum dirancang untuk mengompresi gambar. Tidak seperti kebanyakan format file gambar lossless lainnya, format PNG tidak terbatas pada itu. Kompresi PNG mengambil keuntungan dari pengetahuan bahwa kita mengompresi gambar 2D . Ini dicapai dengan filter yang disebut .

(Filter sebenarnya adalah istilah yang agak menyesatkan di sini. Itu sebenarnya tidak mengubah konten gambar, itu hanya kode itu berbeda. Nama yang lebih akurat akan menjadi delta encoder.)

Spesifikasi PNG menentukan 5 filter berbeda (termasuk 0 = tidak ada). Filter menggantikan nilai piksel absolut dengan perbedaan dari piksel sebelumnya ke kiri, atas, diagonal, atau kombinasi keduanya. Ini secara signifikan dapat meningkatkan rasio kompresi. Setiap garis pindai pada gambar dapat menggunakan filter yang berbeda. Encoder dapat mengoptimalkan kompresi dengan memilih filter terbaik untuk setiap baris.

Untuk detail format file PNG, lihat Spesifikasi PNG .

Karena jumlah kombinasi yang hampir tak terbatas, tidak mungkin untuk mencoba semuanya. Oleh karena itu, berbagai jenis strategi telah dikembangkan untuk menemukan kombinasi yang efektif. Kebanyakan editor gambar mungkin bahkan tidak mencoba untuk mengoptimalkan filter baris demi baris tetapi hanya menggunakan filter tetap (kemungkinan besar Paeth).

Program command line pngcrush mencoba beberapa strategi untuk menemukan hasil terbaik. Ini dapat secara signifikan mengurangi ukuran file PNG yang dibuat oleh program lain, tetapi mungkin butuh sedikit waktu pada gambar yang lebih besar. Lihat Sumber Forge - pngcrush .


3

Tingkat kompresi dalam hal lossless selalu hanya memperdagangkan sumber daya enkode (biasanya waktu, terkadang juga RAM) vs. bitrate. Kualitas selalu 100%.

Tentu saja, kompresor lossless TIDAK PERNAH dapat menjamin kompresi yang sebenarnya. Data acak tidak dapat dimampatkan, tidak ada pola untuk ditemukan dan tidak ada kesamaan. Teori informasi Shannon dan semua itu. Inti dari kompresi data lossless adalah bahwa manusia biasanya bekerja dengan data yang sangat non-acak, tetapi untuk transmisi dan penyimpanan, kita dapat memampatkannya menjadi bit sesedikit mungkin. Semoga sampai sedekat mungkin dengan kompleksitas Kolmogorov yang asli.

Apakah itu zip atau data generik 7z, gambar png, audio flac, atau video h.264 (dalam mode lossless), itu adalah hal yang sama. Dengan beberapa algoritma kompresi, seperti lzma (7zip) dan bzip2, memiringkan pengaturan kompresi akan meningkatkan waktu CPU DECODER (bzip2) atau lebih sering hanya jumlah RAM yang dibutuhkan (lzma dan bzip2, dan h.264 dengan lebih banyak frame referensi) . Seringkali decoder harus menyimpan lebih banyak keluaran yang didekodekan dalam RAM karena mendekode byte berikutnya dapat merujuk ke byte yang diterjemahkan banyak megabita yang lalu (mis. Frame video yang paling mirip dengan satu dari setengah detik yang lalu akan dikodekan dengan referensi ke 12 frame kembali ). Hal yang sama dengan bzip2 dan memilih ukuran blok besar, tetapi itu juga lebih lambat terurai. lzma memiliki kamus ukuran variabel, dan Anda dapat membuat file yang membutuhkan 1.


Hmmm saya melihat implementasi untuk menarik kendali motor stepper drive dan langsung menuju untuk memberikan kompresi lossless yang terjamin. Pengkodean Manchester mudah dikalahkan jika Anda memiliki sumber clock beresolusi tinggi.
Yosua

@ Yosua: Menggunakan format penyimpanan fisik berkepadatan lebih tinggi tidak sama dengan kompresi data ...
SamB

0

Pertama, PNG selalu lossless. Paradoks yang jelas adalah karena fakta bahwa ada dua jenis kompresi yang mungkin (untuk semua jenis data): lossy dan lossless.

Kompresi lossless meremas data (yaitu ukuran file) menggunakan berbagai trik, menjaga semuanya dan tanpa membuat perkiraan apa pun. Akibatnya, ada kemungkinan kompresi lossless tidak akan benar-benar dapat mengompres semuanya. (Secara teknis data dengan entropi tinggi bisa sangat sulit atau bahkan tidak mungkin untuk dikompresi untuk metode lossless.) Kompresi lossy mendekati data nyata, tetapi perkiraannya tidak sempurna, tetapi "membuang" presisi ini memungkinkan biasanya kompresi yang lebih baik.

Berikut ini adalah contoh sepele dari kompresi lossless: jika Anda memiliki gambar yang terbuat dari 1.000 piksel hitam, alih-alih menyimpan nilai hitam 1.000 kali, Anda dapat menyimpan hitungan (1000) dan nilai (hitam) sehingga mengompresi 1000 piksel " image "menjadi hanya dua angka. (Ini adalah bentuk kasar dari metode kompresi lossless yang disebut run-length encoding).

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.