8.14~8.16

 
8.14
算术解码是算术编码的逆过程. 已知编码模型如下, 解码信息0.23355.
Symbol
Prob.
a
0.2
e
0.3
i
0.1
o
0.2
u
0.1
!
0.1
 
解答
20061104_8_14
 
8.15
用LZW编码算法编码7位ASCII字符”aaaaaaaaaaa”.
解答
ASCII码中a的编码是97, 采用8位LZW编码, 从0到127是字符编码, 字典从128开始编码.
当前识别序列
当前处理符号
编码输出
字典位置
字典条目
 
a
 
 
 
a
a
97
128
a-a
a
a
 
 
 
a-a
a
128
129
a-a-a
a
a
 
 
 
a-a
a
 
 
 
a-a-a
a
129
130
a-a-a-a
a
a
 
 
 
a-a
a
 
 
 
a-a-a
a
 
 
 
a-a-a-a
a
130
131
a-a-a-a-a
a
 
97
 
 
 
编码为97 128 129 130 97
 
8.16
设计一种算法对例8.12的LZW编码的输出进行解码. 因为编码时使用的字典是不可用的, 必须在解码过程中重建字典.
9位LZW的编码输出为: 39 39 126 126 256 258 260 259 257 126
解答
当前码
输出
未知编码序列
字典位置
字典条目
39
39
 
 
 
39
39
39-39
256
39-39
126
126
39-126
257
39-126
126
126
126-126
258
126-126
256
39-39
126-39
259
126-39
258
126-126
39-39-126
260
39-39-126
260
39-39-126
126-126-39
261
126-126-39
259
126-39
39-39-126-126
262
39-39-126-126
257
39-126
126-39-39
263
126-39-39
126
126
39-126-126
264
39-126-126
 
输出为
39
39
126
126
39
39
126
126
39
39
126
126
39
39
126
126
 
 
### 算术编码概述 算术编码是一种高效的数据压缩算法,其核心思想是通过将输入数据映射到实数轴上的一段区间来实现压缩。相比于传统的哈夫曼编码,它能够更有效地利用概率分布的特点,在理论上可以接近熵的极限压缩效率[^4]。 #### 基本原理 算术编码的核心原则在于:对于出现频率较高的信息分配较少的比特位,而对于出现频率较低的信息则分配较多的比特位。具体来说,整个过程涉及将一系列符号的概率范围逐步缩小并最终表示为一个单一的浮点数值。这一数值位于 `[0, 1)` 的区间内。 --- ### 编码流程 以下是算术编码的主要实现步骤: 1. **初始化变量** 定义两个边界 `low` 和 `high` 来表示当前区间的上下限,初始值分别为 `0` 和 `1`。 2. **遍历输入序列中的每个符号** 对于每一个符号 `symbol[i]`,更新区间的大小以及新的下界和上界: ```python delta = high - low low = low + delta * symbol[i].lowProbability high = low + delta * (symbol[i].highProbability - symbol[i].lowProbability) ``` 3. **输出结果** 当所有符号处理完毕后,取 `low` 或者 `high` 中任意一个作为最终的结果。这个结果是一个介于 `[0, 1)` 范围内的浮点数,代表原始消息被压缩后的形式[^3]。 --- ### 解码流程 解码过程是对上述编码向操作的具体体现: 1. 首先构建与编码阶段相同的概率模型(即符号及其对应的累积概率)。这一步可以通过预先定义或者共享的方式完成。 2. 利用已知的压缩数据(通常是编码得到的小数),判断该数值落在哪一个符号所对应的子区间中,并恢复出相应的符号。 3. 更新剩余未解析部分的新区间范围,继续重复第 2 步骤直至全部符号都被成功还原出来为止。需要注意的是为了避免无限循环的情况发生,实际应用当中还需要提前设定好预期解码长度以便适时终止运算进程。 --- ### Python 实现示例 下面给出一段简单的Python代码用于演示如何基于给定的概率模型执行基本版本的算术编码/解码功能: ```python class ArithmeticCoding: def __init__(self, prob_table): self.prob_table = prob_table def encode(self, data): low_level, high_level = 0.0, 1.0 for char in data: delta = high_level - low_level low_prob, high_prob = self.prob_table[char] low_level += delta * low_prob high_level = low_level + delta * (high_prob - low_prob) return low_level # Return the lower bound as encoded result. def decode(self, value, length): decoded_data = [] current_value = value for _ in range(length): for char, (low_prob, high_prob) in self.prob_table.items(): if low_prob <= current_value < high_prob: decoded_data.append(char) delta = high_prob - low_prob current_value = (current_value - low_prob) / delta break return ''.join(decoded_data) # Example usage probabilities = { 'A': (0.0, 0.4), 'B': (0.4, 0.7), 'C': (0.7, 1.0) } coder = ArithmeticCoding(probabilities) encoded_val = coder.encode('ABC') decoded_str = coder.decode(encoded_val, 3) print(f"Encoded Value: {encoded_val}") print(f"Decoded String: {decoded_str}") ``` 此脚本展示了怎样依据预设好的字符集与其关联的可能性来进行基础层次上的算术编译及反编译动作。 ---
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