武汉理工大学数据结构实验—哈夫曼树压缩图片

本文介绍了一种基于霍夫曼编码的文件压缩算法实现,包括霍夫曼树的构建、编码过程、文件读写及压缩率计算。通过具体代码示例展示了如何对文件进行高效压缩。

Compress.h

#ifndef COMPRESS_H
#define COMPRESS_H
int Compress(const char* pFilename);
char Str2byte(const char* pBinStr);
int Encode(const char* pFilename, const HuffmanCode pHC, char* pBuffer, const int nSize);

struct HEAD
{
   
   
	char type[4];//文件类型
	int length;//原文件长度
	int weight[256];//权值数值
};
int WriteFile(const char* pFilename, const HEAD sHead, const char* pBuffer, const int nSize);
int InitHead(const char* pFilename, HEAD& sHead);
#endif

Huffman.h

#ifndef HUFFMAN_H
#define HUFFMAN_H
#define OK 1
#define SIZE 256
struct HTNode {
   
   
	int weight;//权值
	int parent;//父节点
	int lchild;//左孩子
	int rchild;//右孩子
};
typedef HTNode* HuffmanTree;//动态分配数组存储Huffman树
typedef char** HuffmanCode;//动态分配哈夫曼编码表


//void PreorderTraverse(int root, HuffmanTree pHT);
int HuffmanCoding(HuffmanCode& pHC, HuffmanTree& pHT);
int Select(HuffmanTree pHT, int nSize);
void TestHufTree(HuffmanTree pHT);
void TestHufCode(int root, HuffmanTree pHT, HuffmanCode pHC);
void TestHufTreeN(int root, HuffmanTree pHT);

int HfmTree(HuffmanTree& pHT, int* w, int n);

#endif

Compress.cpp

#include"huffman.h"
#include"Compress.h"
#include<iostream>
#pragma warning( disable : 4996)
using namespace std;
//Compress
//InitHead
//Encode
//Str2byte
//WriteFile
char Str2byte(const char* pBinStr)
{
   
   
	char b = 0x00;
	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
   
   
		b = b << 1;
		if (pBinStr[i] == '1')
		{
   
   
			b = b | 0x01;
		}
	}
	return b;
}

int Compress(const char* pFilename)
{
   
   
	int weight[256] = {
   
    0 };
	//以二进制打开文件
	FILE* in = fopen(pFilename, "rb");
	if (in == NULL)
	{
   
   
		cout << "Failed to open the file!" << endl;
		exit(0);
	}
	cout << "成功打开文件 " << pFilename << endl;
	int ch;
	while ((ch = getc(in)) != EOF)
	{
   
   
		weight[ch]++;
	}
	fclose(in);
	//cout << "Byte Weight" << endl;
	//for (int i = 0; i < SIZE; i++)
	//{
   
   
	//    printf("0x%02X %d\n", i, weight[i]);
	//}

	HuffmanTree hfmt;
	HfmTree(hfmt, weight, SIZE);
	cout <<
1.实验目的 通过“图片压缩编码”的编程实践,学习、遍历二叉树哈夫曼哈夫曼编码和他们的编程应用。 (1)掌握的存储结构 (2)掌握二叉树的三种遍历方法 (3)掌握并理解Huffman、Huffman编码等知识和应用 (4)掌握文件的操作 (5)使用Huffman算法实现图像压缩程序 2.实验内容 使用Huffman压缩算法,对一幅BMP格式的图片文件进行压缩图片文件名为“Pic.bmp”,压缩后保存为“Pic.bmp.huf”文件。使用VS2010作为开发工具,开发一个控制台程序,使用Huffman压缩算法对图片文件“Pic.bmp”进行压缩。具体要求如下: (1)读取原文件,统计权值: 运行程序,输入文件名。 以“Pic.bmp”文件为例。若文件存放在F盘根目录下,输入文件完整路径“F:\Pic.bmp”。按回车结束。以字节流的方式,只读打“Pic.bmp”文件。 逐字节读取文件,统计文件中256种字节重复的次数,保存到一个数组中int weight[256]中。 (2)生成Huffman 根据(1)中统计的结果,构建Huffman。定义一个结构体来记录每个节点的权值、父节点、左孩子和右孩子。使用结构体数组来存储这个Huffman。 (3)生成Huffman编码 遍历(2)中生成的Huffman,记录256个叶子节点的Huffman编码,保存在字符串数组中。 (4)压缩原文件 使用Huffman编码对原文件中的字节重新编码,获得压缩后的文件数据。 (5)保存压缩文件 将编码过的数据,保存到文件“Pic.bmp.huf”中。
### 关于武汉理工大学数据结构课程中的哈夫曼编码 #### 实验目标 在武汉理工大学数据结构课程中,针对哈夫曼编码的学习不仅限于理论理解,更强调实际编程能力的培养。学生需掌握如何构建哈夫曼以及利用该来进行字符编码的过程[^1]。 #### 构建哈夫曼的方法 为了实现高效的文件压缩,首先要基于给定的一组频率值创建对应的二叉树节点,并按照特定规则连接这些节点形成最终的哈夫曼。具体来说,在每次迭代过程中选取两个具有最小权重(即出现次数最少)的未加入任何子集合内的结点作为新内部节点的孩子;重复此过程直到所有原始输入都被处理完毕为止。 ```python import heapq from collections import defaultdict, Counter def build_huffman_tree(frequencies): heap = [[weight, [symbol, ""]] for symbol, weight in frequencies.items()] heapq.heapify(heap) while len(heap) > 1: lo = heapq.heappop(heap) hi = heapq.heappop(heap) for pair in lo[1:]: pair[1] = '0' + pair[1] for pair in hi[1:]: pair[1] = '1' + pair[1] heapq.heappush(heap, [lo[0]+hi[0]] + lo[1:] + hi[1:]) return sorted(heapq.heappop(heap)[1:], key=lambda p: (len(p[-1]), p)) # Example usage of the function with a simple frequency dictionary. frequency_dict = {'A': 45, 'B': 13, 'C': 12, 'D': 16} huffman_codes = dict(build_huffman_tree(Counter(''.join([k*v for k,v in frequency_dict.items()])))) print(huffman_codes) ``` #### 应用场景介绍 通过上述方式得到的哈夫曼编码可以应用于多种领域内,比如图像视频传输前后的无损压缩、文本文件大小缩减等方面。它能够有效减少存储空间需求并提高网络带宽利用率,同时保持原有信息不失真。 #### 教学资源获取途径 对于希望深入了解这一主题的学生而言,除了课堂讲授外还可以访问学校官网上的计算机专业课程资料汇总页面查找更多有关《算法设计分析》这门课的教学文档和实验报告模板等辅助学习材料。
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