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lunedì 19 settembre 2016

Differenze Tra Compressione Lossy e Lossless: Vantaggi e Svantaggi

La compressione audio permette di ridurre le dimensioni di un file audio.
La struttura fisica di un CD e la memorizzazione dei dati è descritta nel Red Book, redatto da Sony e Philips nel 1980, anno in cui cominciò la vendita dei CD.
La capacità standard per un CD Audio è di 747 MB, tuttavia le tracce salvate sul CD sono in formato .CDA (pesanti pochi byte perchè in realtà non contengono la traccia in sè ma soltanto riferimenti sulla durata della traccia audio vera e propria contenente la codifica digitale del file audio).
Un codec è un programma invece che si occupa di codificare e decodificare digitalmente un segnale (tipicamente audio o video) perché possa essere salvato su un supporto di memorizzazione o richiamato per la sua lettura.
I codec effettuano anche una compressione (e decompressione in lettura) dei dati ad esso relativi, in modo da poter ridurre lo spazio di memorizzazione occupato a vantaggio dell'usabilità dell'audio/video.
Per realizzare una compressione si fa ricorso alla riduzione delle frequenze da riprodurre (in alcuni codec audio vengono soppresse le frequenze non udibili dall’orecchio umano) o alla eliminazione delle ridondanze.
In primo luogo la compressione, oltre a ridurre lo spazio per l'archiviazione del file, aumenta anche la velocità di trasferimento ovviamente.
I difetti di sistemi di questo tipo sono maggiore difficoltà di lettura/scrittura dei files e generalmente una diminuzione della qualità dell'audio.


BITRATE
Riguardo i formati audio, ad ogni secondo è associato un certo contenuto informativo e quindi una certa sottosequenza di cifre binarie.
Il numero di cifre binarie che compongono queste sottosequenze è detto bitrate (cifre binarie impiegate per immagazzinare un secondo di informazione).
Questo può essere costante per tutta la durata del file o variare all’interno di esso.
Il bitrate si esprime in kilobit per secondo (kbps) e varia da 32kbps (il minimo) a 320kbps (il massimo).
La compressione, diminuendo la lunghezza globale del file, diminuirà di conseguenza la lunghezza media delle sottosequenze ossia diminuirà il bitrate medio.
Il bitrate medio diventa dunque in questi casi l’indice dell’entità della compressione.
Ad esempio se il file di origine possedesse un bitrate di 256 Kbps e il file compresso possedesse un bitrate medio di 128 Kbps, allora avremmo ridotto di un fattore pari a 2.
CBR (Costant BitRate) il bitrate rimane costante in ogni frame e questo significa che l’encoder utilizzerà sempre la stessa quantità di bit per codificare ogni passaggio musicale.
In pratica i passaggi più complessi avranno una qualità inferiore di quelli semplici visto che saranno codificati con un numero sempre uguale di bit, mentre ne servirebbero di più per i passaggi complessi e di meno per quelli semplici.
L'ABR (Average BitRate) è una modalità che ha una resa superiore al CBR e consiste in una sorta di bitrate “variabile”.
L’encoder codificherà i passaggi che lo necessitano con più bit e quelli più semplici con meno, cercando di mantenere nell’intero file il bitrate medio impostato.
Infine il VBR (Variable BitRate) è una modalità dove c’è un bitrate realmente variabile.
Impostando un indice di qualità e un bitrate massimo e minimo l’encoder codificherà ogni frame utilizzando il bitrate più appropriato (il bitrate aumenta/diminuisce a seconda della "complessità" della musica).


TIPI DI COMPRESSIONE
I tipi di compressione sono sostanzialmente due: algoritmi Lossless e Lossy.
Come suggerisce il nome, la compressione Lossless conserva i dati originali in modo da poterne riottenere una copia esatta, mentre la compressione Lossy provoca alcuni cambiamenti rispetto ai dati originali.
Una compressione Lossy effettua un compromesso fra la perdita d’informazione e la dimensione del file finale, mentre una Lossless deve bilanciare la dimensione del file finale con i tempi di esecuzione dell’algoritmo.


COMPRESSIONE LOSSLESS
La compressione Lossless indica un algoritmo che conserva integralmente, attraverso le varie fasi di compressione/decompressione, tutte le informazioni originarie del file sorgente.
Gli algoritmi più famosi che fanno uso di tecniche "Lossless" sono, la codifica di Huffman e l'algoritmo LZW (Lempel-Ziv-Welch) utilizzato nella compressione di file GIF.
L'efficienza di questi algoritmi si aggira solitamente attorno a rapporti di compressione dell'ordine del 70% al massimo, ovvero i dati compressi occuperanno il 30% della lunghezza originale.
Concludendo, possiamo dire che la compressione Lossless è comunemente usata per la compressione di dati, quali applicazioni eseguibili, testo o database, che devono essere ripristinati nello stato originale.
E per l'audio? I formati Lossless cercano di diminuire lo spazio occupato dalla traccia senza andare a toccare il suono; la % di compressione sarà decisamente inferiore rispetto ai Lossy, ma non ci sarà perdita di qualità.
Se riconvertito partendo dal formato Lossless, il suono sarà identico a prima.
Se ho un file Lossless posso passare ad un Lossy perdendo qualche informazione (in base al tipo di file) e guadagnando spazio.
Tra i principali formati Lossless abbiamo: WAV (o WAVE), FLAC (Free Lossless Audio Codec), APE (Monkey Audio), LA (Lossless Audio).


COMPRESSIONE LOSSY
Per comprimere dati come il suono o le immagini, dove una perdita di qualità potrebbe non essere notata viene usata la compressione Lossy.
Gli algoritmi di compressione Lossy quindi, sacrificano parte dei dettagli contenuti, ad esempio in un'immagine, in favore di un maggiore rapporto di compressione.
L'immagine ricostruita decomprimendo il file inganna l'occhio, ma contiene notevoli differenze (impercettibili però).
Da alcuni studi sull'occhio, si è stabilito che quest'ultimo non è in grado di distinguere due immagini in bianco e nero che abbiano, la prima profondità 6 (64 grigi) e la seconda profondità 8 (256 grigi).
Un altro tipo di differenza non riscontrabile riguarda la luminosità e il colore di un pixel, è stato dimostrato che l'occhio umano è molto più sensibile alla luminosità.
Solitamente, a causa del degrado introdotto nell'immagine alla stima dell'efficienza di un algoritmo "Lossy" si associa anche una stima di questo degrado.
In particolare ciò si nota con l'algoritmo JPEG che permette di stabilire anche la qualità finale dell'immagine.
Ed è proprio JPEG il primo vero standard che ha introdotto una codifica Lossy delle immagini.
Salvando una foto in un formato "pesante" (tipo una .Bitmap o .RAW) potremmo trovarci con una foto di 20 MB per giochi di luce e colori non apprezzati dall'occhio umano (senza considerare i problemi nel dover caricare ad esempio 5-6 di queste foto su un social network).
Per l'audio vale lo stesso discorso: verranno eliminate frequenze impercettibili ovvero le alte frequenze (a meno di non avere impianti sonori d'avanguardia).
La Lossy permette compressioni maggiori rispetto alla Lossless, ma a scapito della qualità sonora come si sarà capito
La riconversione, partendo dai formati Lossy, non permette di riportare la traccia audio al livello di qualità originale.
E questo in quanto non consente di ripristinare le frequenze “tagliate”.
In realtà esistono software che permettono di ripristinare alcune di queste alte frequenze, ma logicamente più di tanto non è possibile fare.
Ecco perchè non ha senso provare ad aumentare la qualità sonora di un mp3 (un 128 Kbps di Bitrate portato a 320, vedrebbe aumentare solo la sua dimensione, non certo la qualità dell'audio).
Detto in parole povere un Lossy non potrà mai diventare un LossLess: i dati persi sono persi, irrimediabilmente.
Principali formati Lossy: Mp3, WMA (Windows Media Audio), OGG (Vorbis), AAC (Advanced Audio Coding), AC3 (Dolby Digital).


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