Способы сжатия без потерь с потерями

Алгоритмы сжатия данных без потерь

Часть первая – историческая.

Введение

История

Иерархия алгоритмов:

Хотя сжатие данных получило широкое распространение вместе с интернетом и после изобретения алгоритмов Лемпелем и Зивом (алгоритмы LZ), можно привести несколько более ранних примеров сжатия. Морзе, изобретая свой код в 1838 году, разумно назначил самым часто используемым буквам в английском языке, “e” и “t”, самые короткие последовательности (точка и тире соотв.). Вскоре после появления мейнфреймов в 1949 году был придуман алгоритм Шеннона — Фано, который назначал символам в блоке данных коды, основываясь на вероятности их появления в блоке. Вероятность появления символа в блоке была обратно пропорциональна длине кода, что позволяло сжать представление данных.
Дэвид Хаффман был студентом в классе у Роберта Фано и в качестве учебной работы выбрал поиск улучшенного метода бинарного кодирования данных. В результате ему удалось улучшить алгоритм Шеннона-Фано.
Ранние версии алгоритмов Шеннона-Фано и Хаффмана использовали заранее определённые коды. Позже для этого стали использовать коды, созданные динамически на основе данных, предназначаемых для сжатия. В 1977 году Лемпель и Зив опубликовали свой алгоритм LZ77, основанный на использования динамически создаваемого словаря (его ещё называют «скользящим окном»). В 78 году они опубликовали алгоритм LZ78, который сначала парсит данные и создаёт словарь, вместо того, чтобы создавать его динамически.

Проблемы с правами

Алгоритмы LZ77 и LZ78 получили большую популярность и вызвали волну улучшателей, из которых до наших дней дожили DEFLATE, LZMA и LZX. Большинство популярных алгоритмов основаны на LZ77, потому что производный от LZ78 алгоритм LZW был запатентован компанией Unisys в 1984 году, после чего они начали троллить всех и каждого, включая даже случаи использования изображений в формате GIF. В это время на UNIX использовали вариацию алгоритма LZW под названием LZC, и из-за проблем с правами их использование пришлось сворачивать. Предпочтение отдали алгоритму DEFLATE (gzip) и преобразованию Барроуза — Уилера, BWT (bzip2). Что было и к лучшему, так как эти алгоритмы почти всегда превосходят по сжатию LZW.
К 2003 году срок патента истёк, но поезд уже ушёл и алгоритм LZW сохранился, пожалуй, только в файлах GIF. Доминирующими являются алгоритмы на основе LZ77.
В 1993 году была ещё одна битва патентов – когда компания Stac Electronics обнаружила, что разработанный ею алгоритм LZS используется компанией Microsoft в программе для сжатия дисков, поставлявшейся с MS-DOS 6.0. Stac Electronics подала в суд и им удалось выиграть дело, в результате чего они получили более $100 миллионов.

Рост популярности Deflate

Большие корпорации использовали алгоритмы сжатия для хранения всё увеличивавшихся массивов данных, но истинное распространение алгоритмов произошло с рождением интернета в конце 80-х. Пропускная способность каналов была чрезвычайно узкой. Для сжатия данных, передаваемых по сети, были придуманы форматы ZIP, GIF и PNG.
Том Хендерсон придумал и выпустил первый коммерчески успешный архиватор ARC в 1985 году (компания System Enhancement Associates). ARC была популярной среди пользователей BBS, т.к. она одна из первых могла сжимать несколько файлов в архив, к тому же исходники её были открыты. ARC использовала модифицированный алгоритм LZW.
Фил Катц, вдохновлённый популярностью ARC, выпустил программу PKARC в формате shareware, в которой улучшил алгоритмы сжатия, переписав их на Ассемблере. Однако, был засужен Хендерсоном и был признан виновным. PKARC настолько открыто копировала ARC, что иногда даже повторялись опечатки в комментариях к исходному коду.
Но Фил Катц не растерялся, и в 1989 году сильно изменил архиватор и выпустил PKZIP. После того, как его атаковали уже в связи с патентом на алгоритм LZW, он изменил и базовый алгоритм на новый, под названием IMPLODE. Вновь формат был заменён в 1993 году с выходом PKZIP 2.0, и заменой стал DEFLATE. Среди новых возможностей была функция разбиения архива на тома. Эта версия до сих пор повсеместно используется, несмотря на почтенный возраст.
Формат изображений GIF (Graphics Interchange Format) был создан компанией CompuServe в 1987. Как известно, формат поддерживает сжатие изображения без потерь, и ограничен палитрой в 256 цветов. Несмотря на все потуги Unisys, ей не удалось остановить распространение этого формата. Он до сих пор популярен, особенно в связи с поддержкой анимации.
Слегка взволнованная патентными проблемами, компания CompuServe в 1994 году выпустила формат Portable Network Graphics (PNG). Как и ZIP, она использовала новый модный алгоритм DEFLATE. Хотя DEFLATE был запатентован Катцем, он не стал предъявлять никаких претензий.
Сейчас это самый популярный алгоритм сжатия. Кроме PNG и ZIP он используется в gzip, HTTP, SSL и других технологиях передачи данных.

К сожалению Фил Катц не дожил до триумфа DEFLATE, он умер от алкоголизма в 2000 году в возрасте 37 лет. Граждане – чрезмерное употребление алкоголя опасно для вашего здоровья! Вы можете не дожить до своего триумфа!

Современные архиваторы

ZIP царствовал безраздельно до середины 90-х, однако в 1993 году простой русский гений Евгений Рошал придумал свой формат и алгоритм RAR. Последние его версии основаны на алгоритмах PPM и LZSS. Сейчас ZIP, пожалуй, самый распространённый из форматов, RAR – до недавнего времени был стандартом для распространения различного малолегального контента через интернет (благодаря увеличению пропускной способности всё чаще файлы распространяются без архивации), а 7zip используется как формат с наилучшим сжатием при приемлемом времени работы. В мире UNIX используется связка tar + gzip (gzip — архиватор, а tar объединяет несколько файлов в один, т.к. gzip этого не умеет).

Прим. перев. Лично я, кроме перечисленных, сталкивался ещё с архиватором ARJ (Archived by Robert Jung), который был популярен в 90-х в эру BBS. Он поддерживал многотомные архивы, и так же, как после него RAR, использовался для распространения игр и прочего вареза. Ещё был архиватор HA от Harri Hirvola, который использовал сжатие HSC (не нашёл внятных объяснений — только «модель ограниченного контекста и арифметическое кодирование»), который хорошо справлялся со сжатием длинных текстовых файлов.

В 1996 году появился вариант алгоритма BWT с открытыми исходниками bzip2, и быстро приобрёл популярность. В 1999 году появилась программа 7-zip с форматом 7z. По сжатию она соперничает с RAR, её преимуществом является открытость, а также возможность выбора между алгоритмами bzip2, LZMA, LZMA2 и PPMd.
В 2002 году появился ещё один архиватор, PAQ. Автор Мэтт Махоуни использовал улучшенную версию алгоритма PPM с использованием техники под названием «контекстное смешивание». Она позволяет использовать больше одной статистической модели, чтобы улучшить предсказание по частоте появления символов.

Будущее алгоритмов сжатия

Конечно, бог его знает, но судя по всему, алгоритм PAQ набирает популярность благодаря очень хорошей степени сжатия (хотя и работает он очень медленно). Но благодаря увеличению быстродействия компьютеров скорость работы становится менее критичной.
С другой стороны, алгоритм Лемпеля-Зива –Маркова LZMA представляет собой компромисс между скоростью и степенью сжатия и может породить много интересных ответвлений.
Ещё одна интересная технология «substring enumeration» или CSE, которая пока мало используется в программах.

В следующей части мы рассмотрим техническую сторону упомянутых алгоритмов и принципы их работы.

Источник

Методы сжатия данных

Мы с моим научным руководителем готовим небольшую монографию по обработке изображений. Решил представить на суд хабрасообщества главу, посвящённую алгоритмам сжатия изображений. Так как в рамках одного поста целую главу уместить тяжело, решил разбить её на три поста:
1. Методы сжатия данных;
2. Сжатие изображений без потерь;
3. Сжатие изображений с потерями.
Ниже вы можете ознакомиться с первым постом серии.

На текущий момент существует большое количество алгоритмов сжатия без потерь, которые условно можно разделить на две большие группы:
1. Поточные и словарные алгоритмы. К этой группе относятся алгоритмы семейств RLE (run-length encoding), LZ* и др. Особенностью всех алгоритмов этой группы является то, что при кодировании используется не информация о частотах символов в сообщении, а информация о последовательностях, встречавшихся ранее.
2. Алгоритмы статистического (энтропийного) сжатия. Эта группа алгоритмов сжимает информацию, используя неравномерность частот, с которыми различные символы встречаются в сообщении. К алгоритмам этой группы относятся алгоритмы арифметического и префиксного кодирования (с использованием деревьев Шеннона-Фанно, Хаффмана, секущих).
В отдельную группу можно выделить алгоритмы преобразования информации. Алгоритмы этой группы не производят непосредственного сжатия информации, но их применение значительно упрощает дальнейшее сжатие с использованием поточных, словарных и энтропийных алгоритмов.

Поточные и словарные алгоритмы

Кодирование длин серий

Кодирование длин серий (RLE — Run-Length Encoding) — это один из самых простых и распространённых алгоритмов сжатия данных. В этом алгоритме последовательность повторяющихся символов заменяется символом и количеством его повторов.
Например, строку «ААААА», требующую для хранения 5 байт (при условии, что на хранение одного символа отводится байт), можно заменить на «5А», состоящую из двух байт. Очевидно, что этот алгоритм тем эффективнее, чем длиннее серия повторов.

Основным недостатком этого алгоритма является его крайне низкая эффективность на последовательностях неповторяющихся символов. Например, если рассмотреть последовательность «АБАБАБ» (6 байт), то после применения алгоритма RLE она превратится в «1А1Б1А1Б1А1Б» (12 байт). Для решения проблемы неповторяющихся символов существуют различные методы.

Самым простым методом является следующая модификация: байт, кодирующий количество повторов, должен хранить информацию не только о количестве повторов, но и об их наличии. Если первый бит равен 1, то следующие 7 бит указывают количество повторов соответствующего символа, а если первый бит равен 0, то следующие 7 бит показывают количество символов, которые надо взять без повтора. Если закодировать «АБАБАБ» с использованием данной модификации, то получим «-6АБАБАБ» (7 байт). Очевидно, что предложенная методика позволяет значительно повысить эффективность RLE алгоритма на неповторяющихся последовательностях символов. Реализация предложенного подхода приведена в Листинг 1:

1. type
2. TRLEEncodedString = array of byte ;
3. function RLEEncode ( InMsg : ShortString ) : TRLEEncodedString ;
4. var
5. MatchFl : boolean ;
6. MatchCount : shortint ;
7. EncodedString : TRLEEncodedString ;
8. N , i : byte ;
9. begin
10. N : = 0 ;
11. SetLength ( EncodedString , 2 * length ( InMsg ) ) ;
12. while length ( InMsg ) > = 1 do
13. begin
14. MatchFl : = ( length ( InMsg ) > 1 ) and ( InMsg [ 1 ] = InMsg [ 2 ] ) ;
15. MatchCount : = 1 ;
16. while ( MatchCount = 126 ) and ( MatchCount ( InMsg ) ) and ( ( InMsg [ MatchCount ] = InMsg [ MatchCount + 1 ] ) = MatchFl ) do
17. MatchCount : = MatchCount + 1 ;
18. if MatchFl then
19. begin
20. N : = N + 2 ;
21. EncodedString [ N — 2 ] : = MatchCount + 128 ;
22. EncodedString [ N — 1 ] : = ord ( InMsg [ 1 ] ) ;
23. end
24. else
25. begin
26. if MatchCount <> length ( InMsg ) then
27. MatchCount : = MatchCount — 1 ;
28. N : = N + 1 + MatchCount ;
29. EncodedString [ N — 1 — MatchCount ] : = — MatchCount + 128 ;
30. for i : = 1 to MatchCount do
31. EncodedString [ N — 1 — MatchCount + i ] : = ord ( InMsg [ i ] ) ;
32. end ;
33. delete ( InMsg , 1 , MatchCount ) ;
34. end ;
35. SetLength ( EncodedString , N ) ;
36. RLEEncode : = EncodedString ;
37. end ;

1. type
2. TRLEEncodedString = array of byte ;
3. function RLEDecode ( InMsg : TRLEEncodedString ) : ShortString ;
4. var
5. RepeatCount : shortint ;
6. i , j : word ;
7. OutMsg : ShortString ;
8. begin
9. OutMsg : = » ;
10. i : = 0 ;
11. while i ( InMsg ) do
12. begin
13. RepeatCount : = InMsg [ i ] — 128 ;
14. i : = i + 1 ;
15. if RepeatCount 0 then
16. begin
17. RepeatCount : = abs ( RepeatCount ) ;
18. for j : = i to i + RepeatCount — 1 do
19. OutMsg : = OutMsg + chr ( InMsg [ j ] ) ;
20. i : = i + RepeatCount ;
21. end
22. else
23. begin
24. for j : = 1 to RepeatCount do
25. OutMsg : = OutMsg + chr ( InMsg [ i ] ) ;
26. i : = i + 1 ;
27. end ;
28. end ;
29. RLEDecode : = OutMsg ;
30. end ;

1. const
2. EOMsg = ‘|’ ;
3. function BWTEncode ( InMsg : ShortString ) : ShortString ;
4. var
5. OutMsg : ShortString ;
6. ShiftTable : array of ShortString ;
7. LastChar : ANSIChar ;
8. N , i : word ;
9. begin
10. InMsg : = InMsg + EOMsg ;
11. N : = length ( InMsg ) ;
12. SetLength ( ShiftTable , N + 1 ) ;
13. ShiftTable [ 1 ] : = InMsg ;
14. for i : = 2 to N do
15. begin
16. LastChar : = InMsg [ N ] ;
17. InMsg : = LastChar + copy ( InMsg , 1 , N — 1 ) ;
18. ShiftTable [ i ] : = InMsg ;
19. end ;
20. Sort ( ShiftTable ) ;
21. OutMsg : = » ;
22. for i : = 1 to N do
23. OutMsg : = OutMsg + ShiftTable [ i ] [ N ] ;
24. BWTEncode : = OutMsg ;
25. end ;

Проще всего пояснить это преобразование на конкретном примере. Возьмём строку «АНАНАС» и договоримся, что символом конца строки будет символ «|». Все циклические перестановки этой строки и результат их лексикографической сортировки приведены в Табл. 1.

Т.е. результатом прямого преобразования будет строка «|ННАААС». Легко заметить, что это строка гораздо лучше, чем исходная, сжимается алгоритмом RLE, т.к. в ней существуют длинные подпоследовательности повторяющихся букв.
Подобного эффекта можно добиться и с помощью других преобразований, но преимущество BWT-преобразования в том, что оно обратимо, правда, обратное преобразование сложнее прямого. Для того, чтобы восстановить исходную строку, необходимо выполнить следующие действия:
Создать пустую матрицу размером n*n, где n-количество символов в закодированном сообщении;
Заполнить самый правый пустой столбец закодированным сообщением;
Отсортировать строки таблицы в лексикографическом порядке;
Повторять шаги 2-3, пока есть пустые столбцы;
Вернуть ту строку, которая заканчивается символом конца строки.

Реализация обратного преобразования на первый взгляд не представляет сложности, и один из вариантов реализации приведён в Листинг 4.

1. const
2. EOMsg = ‘|’ ;
3. function BWTDecode ( InMsg : ShortString ) : ShortString ;
4. var
5. OutMsg : ShortString ;
6. ShiftTable : array of ShortString ;
7. N , i , j : word ;
8. begin
9. OutMsg : = » ;
10. N : = length ( InMsg ) ;
11. SetLength ( ShiftTable , N + 1 ) ;
12. for i : = 0 to N do
13. ShiftTable [ i ] : = » ;
14. for i : = 1 to N do
15. begin
16. for j : = 1 to N do
17. ShiftTable [ j ] : = InMsg [ j ] + ShiftTable [ j ] ;
18. Sort ( ShiftTable ) ;
19. end ;
20. for i : = 1 to N do
21. if ShiftTable [ i ] [ N ] = EOMsg then
22. OutMsg : = ShiftTable [ i ] ;
23. delete ( OutMsg , N , 1 ) ;
24. BWTDecode : = OutMsg ;
25. end ;

Но на практике эффективность зависит от выбранного алгоритма сортировки. Тривиальные алгоритмы с квадратичной сложностью, очевидно, крайне негативно скажутся на быстродействии, поэтому рекомендуется использовать эффективные алгоритмы.

После сортировки таблицы, полученной на седьмом шаге, необходимо выбрать из таблицы строку, заканчивающуюся символом «|». Легко заметить, что это строка единственная. Т.о. мы на конкретном примере рассмотрели преобразование BWT.

Подводя итог, можно сказать, что основным плюсом группы алгоритмов RLE является простота и скорость работы (в том числе и скорость декодирования), а главным минусом является неэффективность на неповторяющихся наборах символов. Использование специальных перестановок повышает эффективность алгоритма, но также сильно увеличивает время работы (особенно декодирования).

Словарное сжатие (алгоритмы LZ)

Группа словарных алгоритмов, в отличие от алгоритмов группы RLE, кодирует не количество повторов символов, а встречавшиеся ранее последовательности символов. Во время работы рассматриваемых алгоритмов динамически создаётся таблица со списком уже встречавшихся последовательностей и соответствующих им кодов. Эту таблицу часто называют словарём, а соответствующую группу алгоритмов называют словарными.

Ниже описан простейший вариант словарного алгоритма:
Инициализировать словарь всеми символами, встречающимися во входной строке;
Найти в словаре самую длинную последовательность (S), совпадающую с началом кодируемого сообщения;
Выдать код найденной последовательности и удалить её из начала кодируемого сообщения;
Если не достигнут конец сообщения, считать очередной символ © и добавить Sc в словарь, перейти к шагу 2. Иначе, выход.

Например, только что инициализированный словарь для фразы «КУКУШКАКУКУШОНКУКУПИЛАКАПЮШОН» приведён в Табл. 3:

В процессе сжатия словарь будет дополняться встречающимися в сообщении последовательностями. Процесс пополнения словаря приведён в Табл. 4.

При описании алгоритма намеренно было опущено описание ситуации, когда словарь заполняется полностью. В зависимости от варианта алгоритма возможно различное поведение: полная или частичная очистка словаря, прекращение заполнение словаря или расширение словаря с соответствующим увеличением разрядности кода. Каждый из этих подходов имеет определённые недостатки. Например, прекращение пополнения словаря может привести к ситуации, когда в словаре хранятся последовательности, встречающиеся в начале сжимаемой строки, но не встречающиеся в дальнейшем. В то же время очистка словаря может привести к удалению частых последовательностей. Большинство используемых реализаций при заполнении словаря начинают отслеживать степень сжатия, и при её снижении ниже определённого уровня происходит перестройка словаря. Далее будет рассмотрена простейшая реализация, прекращающая пополнение словаря при его заполнении.

Для начала определим словарь как запись, хранящую не только встречавшиеся подстроки, но и количество хранящихся в словаре подстрок:

1. const
2. MAX_DICT_LENGTH = 256 ;
3. function FindInDict ( D : TDictionary ; str : ShortString ) : integer ;
4. var
5. r : integer ;
6. i : integer ;
7. fl : boolean ;
8. begin
9. r : = — 1 ;
10. if D . WordCount > 0 then
11. begin
12. i : = D . WordCount ;
13. fl : = false ;
14. while ( not fl ) and ( i > = 0 ) do
15. begin
16. i : = i — 1 ;
17. fl : = D . Words [ i ] = str ;
18. end ;
19. end ;
20. if fl then
21. r : = i ;
22. FindInDict : = r ;
23. end ;
24. procedure AddToDict ( var D : TDictionary ; str : ShortString ) ;
25. begin
26. if D . WordCount then
27. begin
28. D . WordCount : = D . WordCount + 1 ;
29. SetLength ( D . Words , D . WordCount ) ;
30. D . Words [ D . WordCount — 1 ] : = str ;
31. end ;
32. end ;

1. function LZWEncode ( InMsg : ShortString ) : TEncodedString ;
2. var
3. OutMsg : TEncodedString ;
4. tmpstr : ShortString ;
5. D : TDictionary ;
6. i , N : byte ;
7. begin
8. SetLength ( OutMsg , length ( InMsg ) ) ;
9. N : = 0 ;
10. InitDict ( D ) ;
11. while length ( InMsg ) > 0 do
12. begin
13. tmpstr : = InMsg [ 1 ] ;
14. while ( FindInDict ( D , tmpstr ) > = 0 ) and ( length ( InMsg ) > length ( tmpstr ) ) do
15. tmpstr : = tmpstr + InMsg [ length ( tmpstr ) + 1 ] ;
16. if FindInDict ( D , tmpstr ) 0 then
17. delete ( tmpstr , length ( tmpstr ) , 1 ) ;
18. OutMsg [ N ] : = FindInDict ( D , tmpstr ) ;
19. N : = N + 1 ;
20. delete ( InMsg , 1 , length ( tmpstr ) ) ;
21. if length ( InMsg ) > 0 then
22. AddToDict ( D , tmpstr + InMsg [ 1 ] ) ;
23. end ;
24. SetLength ( OutMsg , N ) ;
25. LZWEncode : = OutMsg ;
26. end ;

Результатом кодирования будут номера слов в словаре.
Процесс декодирования сводится к прямой расшифровке кодов, при этом нет необходимости передавать созданный словарь, достаточно, чтобы при декодировании словарь был инициализирован так же, как и при кодировании. Тогда словарь будет полностью восстановлен непосредственно в процессе декодирования путём конкатенации предыдущей подпоследовательности и текущего символа.

Единственная проблема возможна в следующей ситуации: когда необходимо декодировать подпоследовательность, которой ещё нет в словаре. Легко убедиться, что это возможно только в случае, когда необходимо извлечь подстроку, которая должна быть добавлена на текущем шаге. А это значит, что подстрока удовлетворяет шаблону cSc, т.е. начинается и заканчивается одним и тем же символом. При этом cS – это подстрока, добавленная на предыдущем шаге. Рассмотренная ситуация – единственная, когда необходимо декодировать ещё не добавленную строку. Учитывая вышесказанное, можно предложить следующий вариант декодирования сжатой строки:

1. function LZWDecode ( InMsg : TEncodedString ) : ShortString ;
2. var
3. D : TDictionary ;
4. OutMsg , tmpstr : ShortString ;
5. i : byte ;
6. begin
7. OutMsg : = » ;
8. tmpstr : = » ;
9. InitDict ( D ) ;
10. for i : = 0 to length ( InMsg ) — 1 do
11. begin
12. if InMsg [ i ] > = D . WordCount then
13. tmpstr : = D . Words [ InMsg [ i — 1 ] ] + D . Words [ InMsg [ i — 1 ] ] [ 1 ]
14. else
15. tmpstr : = D . Words [ InMsg [ i ] ] ;
16. OutMsg : = OutMsg + tmpstr ;
17. if i > 0 then
18. AddToDict ( D , D . Words [ InMsg [ i — 1 ] ] + tmpstr [ 1 ] ) ;
19. end ;
20. LZWDecode : = OutMsg ;
21. end ;

К плюсам словарных алгоритмов относится их большая по сравнению с RLE эффективность сжатия. Тем не менее надо понимать, что реальное использование этих алгоритмов сопряжено с некоторыми трудностями реализации.

Энтропийное кодирование

Кодирование с помощью деревьев Шеннона-Фано

Алгоритм Шеннона-Фано — один из первых разработанных алгоритмов сжатия. В основе алгоритма лежит идея представления более частых символов с помощью более коротких кодов. При этом коды, полученные с помощью алгоритма Шеннона-Фано, обладают свойством префиксности: т.е. ни один код не является началом никакого другого кода. Свойство префиксности гарантирует, что кодирование будет взаимно-однозначным. Алгоритм построения кодов Шеннона-Фано представлен ниже:
1. Разбить алфавит на две части, суммарные вероятности символов в которых максимально близки друг к другу.
2. В префиксный код первой части символов добавить 0, в префиксный код второй части символов добавить 1.
3. Для каждой части (в которой не менее двух символов) рекурсивно выполнить шаги 1-3.
Несмотря на сравнительную простоту, алгоритм Шеннона-Фано не лишён недостатков, самым существенным из которых является неоптимальность кодирования. Хоть разбиение на каждом шаге и является оптимальным, алгоритм не гарантирует оптимального результата в целом. Рассмотрим, например, следующую строку: «ААААБВГДЕЖ». Соответствующее дерево Шеннона-Фано и коды, полученные на его основе, представлены на Рис. 1:

Без использования кодирования сообщение будет занимать 40 бит (при условии, что каждый символ кодируется 4 битами), а с использованием алгоритма Шеннона-Фано 4*2+2+4+4+3+3+3=27 бит. Объём сообщения уменьшился на 32.5%, но ниже будет показано, что этот результат можно значительно улучшить.

Кодирование с помощью деревьев Хаффмана

Алгоритм кодирования Хаффмана, разработанный через несколько лет после алгоритма Шеннона-Фано, тоже обладает свойством префиксности, а, кроме того, доказанной минимальной избыточностью, именно этим обусловлено его крайне широкое распространение. Для получения кодов Хаффмана используют следующий алгоритм:
1. Все символы алфавита представляются в виде свободных узлов, при этом вес узла пропорционален частоте символа в сообщении;
2. Из множества свободных узлов выбираются два узла с минимальным весом и создаётся новый (родительский) узел с весом, равным сумме весов выбранных узлов;
3. Выбранные узлы удаляются из списка свободных, а созданный на их основе родительский узел добавляется в этот список;
4. Шаги 2-3 повторяются до тех пор, пока в списке свободных больше одного узла;
5. На основе построенного дерева каждому символу алфавита присваивается префиксный код;
6. Сообщение кодируется полученными кодами.

Рассмотрим тот же пример, что и в случае с алгоритмом Шеннона-Фано. Дерево Хаффмана и коды, полученные для сообщения «ААААБВГДЕЖ», представлены на Рис. 2:

Легко подсчитать, что объём закодированного сообщения составит 26 бит, что меньше, чем в алгоритме Шеннона-Фано. Отдельно стоит отметить, что ввиду популярности алгоритма Хаффмана на данный момент существует множество вариантов кодирования Хаффмана, в том числе и адаптивное кодирование, которое не требует передачи частот символов.
Среди недостатков алгоритма Хаффмана значительную часть составляют проблемы, связанные со сложностью реализации. Использование для хранения частот символов вещественных переменных сопряжено с потерей точности, поэтому на практике часто используют целочисленные переменные, но, т.к. вес родительских узлов постоянно растёт, рано или поздно возникает переполнение. Т.о., несмотря на простоту алгоритма, его корректная реализация до сих пор может вызывать некоторые затруднения, особенно для больших алфавитов.

Кодирование с помощью деревьев секущих функций

Кодирование с помощью секущих функций – разработанный авторами алгоритм, позволяющий получать префиксные коды. В основе алгоритма лежит идея построения дерева, каждый узел которого содержит секущую функцию. Чтобы подробнее описать алгоритм, необходимо ввести несколько определений.
Слово – упорядоченная последовательность из m бит (число m называют разрядностью слова).
Литерал секущей – пара вида разряд-значение разряда. Например, литерал (4,1) означает, что 4 бит слова должен быть равен 1. Если условие литерала выполняется, то литерал считается истинным, в противном случае — ложным.
k-разрядной секущей называют множество из k литералов. Если все литералы истинны, то и сама секущая функция истинная, в противном случае она ложная.

Дерево строится так, чтобы каждый узел делил алфавит на максимально близкие части. На Рис. 3 показан пример дерева секущих:

Дерево секущих функций в общем случае не гарантирует оптимального кодирования, но зато обеспечивает крайне высокую скорость работы за счёт простоты операции в узлах.

Арифметическое кодирование

Арифметическое кодирование – один из наиболее эффективных способов сжатия информации. В отличие от алгоритма Хаффмана арифметическое кодирование позволяет кодировать сообщения с энтропией меньше 1 бита на символ. Т.к. большинство алгоритмов арифметического кодирования защищены патентами, далее будут описаны только основные идеи.
Предположим, что в используемом алфавите N символов a_1,…,a_N, с частотами p_1,…,p_N, соответственно. Тогда алгоритм арифметического кодирования будет выглядеть следующим образом:
В качестве рабочего полуинтервала взять [0;1);
Разбить рабочий полуинтервал на N непересекающихся полуинтервалов. При этом длина i-ого полуинтервала пропорциональна p_i.
Если не достигнут конец сообщения, в качестве нового рабочего интервала выбрать i-ый полуинтервал и перейти к шагу 2. В противном случае, вернуть любое число из рабочего полуинтервала. Запись этого числа в двоичном коде и будет представлять собой закодированное сообщение.
На Рис. 4 представлен процесс кодирования сообщения «АБААВ»

При декодировании необходимо выполнить аналогичную последовательность действий, только на каждом шаге необходимо дополнительно определять, какой именно символ был закодирован.

Очевидным плюсом арифметического кодирования является его эффективность, а основным (за исключением патентных ограничений) минусом – чрезвычайно высокая сложность процессов кодирования и декодирования.

Источник