软件工程师一直在开发新的方法，将大量数据拟合到一个小空间中。当我们的硬盘很小的时候，这是真的，互联网的出现使它变得更加重要。文件压缩在连接我们的过程中扮演着重要的角色，它让我们能够发送更少的数据，这样我们就可以更快地下载，并在繁忙的网络上建立更多的连接。

那么它是如何工作的呢？

要回答这个问题，需要解释一些非常复杂的数学，当然这超出了我们在本文中所能涵盖的范围，但是您不需要确切地理解它是如何在数学上工作的，就可以理解基础知识。

最流行的文本压缩库依赖于两种压缩算法，同时使用这两种算法可以获得非常高的压缩比。这两种算法是“LZ77”和“哈夫曼编码”，哈夫曼编码是非常复杂的，我们在这里不详细讨论。首先，它使用一些花哨的数学来为单个字母分配较短的二进制代码，在这个过程中缩小了文件大小。如果您想了解更多，请查看这篇关于代码如何工作的文章，或者这篇Computerphile的解释文章。

另一方面，LZ77相对简单，这就是我们在这里要讨论的。它试图删除重复的单词，并用一个较小的“关键字”来代替它们。

以这篇短文为例：

LZ77算法将查看此文本，意识到它将“howtogeek”重复三次，并将其更改为：

然后，当它想读回文本时，它会用“howtogeek”替换（h）的每个实例，使我们回到原来的短语。

我们称这种压缩为“无损”压缩——输入的数据与输出的数据相同。什么也没丢。

实际上，LZ77不使用键列表，而是用内存中的链接替换第二个和第三个匹配项：

所以现在，当它到达（h）时，它将回顾“howtogeek”并阅读它。

如果你对更详细的解释感兴趣，这段来自Computerphile的视频非常有用。

这是一个理想化的例子。实际上，大多数文本都是用只有几个字符的键来压缩的。例如，单词“the”即使出现在“there”、“their”和“then”这样的单词中，也会被压缩。通过重复的文本，可以得到一些疯狂的压缩比。把这个单词“howtogeek”的文本文件重复100次。原始文本文件的大小为3KB。不过，压缩后只需要158字节。压缩率接近95%。

很明显，这是一个非常极端的例子，因为我们只是一遍又一遍地重复同一个词。在一般实践中，使用压缩格式（如ZIP）对主要是文本的文件进行压缩，可能会得到大约30-40%的压缩。

顺便说一句，这个LZ77算法适用于所有二进制数据，而不仅仅是文本，尽管文本通常更容易压缩，因为大多数语言使用了多少重复的单词。例如，像汉语这样的语言可能比英语更难压缩。

图像和视频压缩是如何工作的？

视频和音频压缩的工作原理非常不同。与文本不同的是，文本可以进行无损压缩，并且不会丢失任何数据，而图像可以进行所谓的“有损压缩”，即丢失一些数据。压缩的越多，丢失的数据就越多。

这就是人们上传、分享和截屏多次的那些看起来可怕的jpeg的原因。每次压缩图像时，都会丢失一些数据。

下面是一个例子。这是我拍的一张截图，根本没有被压缩。

然后，我把截图在Photoshop上运行了多次，每次都以低质量JPEG格式导出。结果是这样的。

看起来很糟，对吧？

好吧，这只是最坏的情况，每次以0%的JPEG质量导出。为了比较，这里有一个50%的质量JPEG，这是几乎无法区分的源PNG图像，除非你把它放大，仔细看看。

此图像的PNG大小为200KB，但此50%质量的JPEG仅为28KB。

那么它是如何节省这么多空间的呢？好吧，JPEG算法是一项伟大的工程。大多数图像存储一个数字列表，每个数字代表一个像素。

JPEG不做这些。取而代之的是，它用一种叫做离散余弦变换的东西来存储图像，这种变换是以不同强度叠加在一起的正弦波的集合。它使用了64个不同的方程式，但其中大部分都没有被使用。这就是Photoshop和其他图像应用程序中JPEG的质量滑块选择要使用多少个公式的原因。然后应用程序使用哈夫曼编码进一步减小文件大小。

这使得jpeg具有极高的压缩比，根据质量的不同，可以将多兆字节的文件压缩到几千字节。当然，如果你用得太多，你会得到这样的结果：

那形象太可怕了。但是少量的JPEG压缩会对文件大小产生很大的影响，这使得JPEG对于网站上的图像压缩非常有用。你在网上看到的大多数图片都经过压缩以节省下载时间，特别是对于数据连接不好的移动用户。事实上，所有关于如何极客的图片都被压缩了，以使页面加载更快，而且你可能从未注意到。

视频压缩

视频的工作原理与图像有点不同。你可能会认为他们会用JPEG压缩每一帧视频，他们当然会这么做，但是有一个更好的方法来压缩视频。

我们使用一种叫做“帧间压缩”的方法，它计算每一帧之间的变化并只存储这些变化。所以，举个例子，如果你在一个视频中有一个相对静止的镜头，它占用了几秒钟的时间，就会节省很多空间，因为压缩算法不需要存储场景中所有不变的东西。帧间压缩是我们拥有数字电视和网络视频的主要原因。如果没有它，视频将达到数百千兆字节，超过2005年YouTube推出时的平均硬盘大小。

另外，由于帧间压缩最适合静止视频，这就是为什么彩色纸屑会破坏视频质量。

注意：GIF不能做到这一点，这就是为什么动画GIF通常非常短和小，但仍然有一个相当大的文件大小。

关于视频，另一件要记住的事情是它的比特率——每秒允许的数据量。例如，如果您的比特率是200kb/s，您的视频将看起来非常糟糕。质量随着比特率的提高而提高，但是在每秒几兆字节之后，你得到的回报就越来越小。

这是从水母的视频中拍摄的缩放帧。左边的是3Mb/s，右边的是100Mb/s。

文件大小增加了30倍，但质量没有多大提高。一般来说，YouTube视频的速度大约为2-10Mb/s，这取决于你的连接，因为更多的视频可能不会被注意到。

这个演示在实际视频中效果更好，所以如果你想亲自查看，你可以下载这里使用的相同比特率测试视频。

音频压缩

音频压缩的工作原理与文本和图像压缩非常相似。当JPEG从图像中删除你看不到的细节时，音频压缩也会对声音进行同样的处理。你可能不需要听到吉他在弦上的吱吱声，如果实际的吉他是非常，非常响亮。

MP3也使用比特率，从48和96 kbps的低端（低端）到128和240 kbps（相当不错）到320 kbps（高端音频），你可能只会听到非常好的耳机（和耳朵）的区别。

也有用于音频的无损压缩编解码器，主要的是FLAC，它使用LZ77编码来提供完全无损的音频。有些人发誓FLAC的完美音质，但随着MP3的流行，似乎大多数人要么说不出来，要么不介意的区别。