[数据压缩]LZW编解码算法实现与分析

目录

实验目的​​​​​​​

实验原理

实验结果

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实验目的

        掌握词典编码的基本原理，用C/C++/Python等语言编程实现LZW解码器并分析编解码算法。

实验原理

• LZW编码

        LZW的编码思想是不断地从字符流中提取新的字符串，通俗地理解为新“词条”，然后用“代号”也就是码字表示这个“词条”。这样一来，对字符流的编码就变成了用码字去替 换字符流，生成码字流，从而达到压缩数据的目的。LZW编码是围绕称为词典的转换表 来完成的。LZW编码器通过管理这个词典完成输入与输出之间的转换。LZW编码器的输 入是字符流，字符流可以是用8位ASCII字符组成的字符串，而输出是用n位(例如12位)表 示的码字流。

        具体步骤如下图

• LZW解码

        LZW解码算法开始时，译码词典和编码词典相同，包含所有可能的前缀根。

        具体步骤如下图

 

实验结果

• LZW编码文件

创建txt文件如下

​​​​​​​                经过编码，得到如下比特流文件

• LZW编码实现

1.代码实现

DecodeString函数

int DecodeString( int start, int code){
    //对当前码字的解码
	int count;
    count =start;
    while(0 <= code){
        d_stack[count] = dictionary[code].suffix;//写入d_stack
        code = dictionary[code].parent;
        count++;
    }
    return count;//返回字符串长度
}

LZWDecode函数

void LZWDecode( BITFILE *bf, FILE *fp){
    int character;//c
    int new_code;//cw
    int last_code;//pw
    int phrase_length; //字符大小
    unsigned long file_length; //文件大小

    file_length = BitsInput(bf, 4 * 8);//得到文件长度
    if (-1 == file_length){
        file_length = 0;
    }

    InitDictionary();//dictionary初始化
    last_code = -1;//码字为空

    while (0 < file_length) {
        new_code = input(bf);//读入码字
        if (new_code >= next_code) //不存在码字
        {
            d_stack[0] = character;//c存入d_stack
            phrase_length = DecodeString(1, last_code);//解码并计算字符串长度
        }
        else//存在码字
        {
            phrase_length = DecodeString(0, new_code);//解码
        }
        character = d_stack[phrase_length - 1];//第一个字符为c
        while (0 < phrase_length) {
            phrase_length--;//字符串大小
            fputc(d_stack[phrase_length], fp);//写入文件
            file_length--;//文件大小
        }
        if (MAX_CODE > next_code) {
            AddToDictionary(character, last_code);//写入dictionary
        }
        last_code = new_code;//cw=pw
    }
}

2.解码结果

对1中编码得到比特流文件进行解码得到txt文件

• 压缩效率分析 

1.压缩结果

选取了十种不同格式的文件如下

 

经过LZW编码，得到如下比特流文件 

   

 对比得到如下表格

文件格式	编码前文件大小	编码后文件大小	压缩效率(%)
txt	154字节	142字节	92.2
pdf	13KB	22KB	169.2
jpg	116KB	156KB	134.5
png	861KB	1.1MB	130.8
bmp	1.8MB	2MB	111.1
yuv	786KB	829KB	105.5
mp3	590KB	729KB	123.6
wav	1.1MB	1.2MB	109.1
avi	2.3MB	2.7MB	117.4
mp4	333KB	413KB	124.0

2.分析

        LZW编码对于数据部分重复性高的文件压缩效果较好。以txt文件为例，我进行了两次txt压缩尝试，可以发现没有重复字节的txt文件没有被压缩。对重复性文字更多的文件，压缩效率获得了显著的提高。

原文件	原文件 大小	比特流文件	编码后 大小	压缩 效率
	17字节 ​​​​​​​		38字节	223.5%
	153 字节		142 字节	92.2%

        在几种图像文件格式中，是yuv或bmp的压缩效果较好，也是因为数据部分所展示的重复的像素数据部分较多，便于LZW的压缩。