LZW编码算法原理及实例应用

最新推荐文章于 2022-07-08 18:15:57 发布

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本文详细介绍了LZW压缩算法的工作原理，包括编码和解码过程，并通过实例展示了该算法的实际应用效果。研究发现，对于含有大量重复信息的文件，如长文本、某些图像格式等，LZW能够实现有效压缩。

一、LZW原理

1.LZW简介

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。

2.LZW编码算法步骤

步骤1：将词典初始化为包含所有可能的单字符，当前前缀P初始化为空。
步骤2：当前字符C=字符流中的下一个字符。
步骤3：判断P＋C是否在词典中
（1）如果“是”，则用C扩展P，即让P=P＋C，返回到步骤2。
（2）如果“否”，则
输出与当前前缀P相对应的码字W；
将P＋C添加到词典中；
令P=C，并返回到步骤2

流程图
在这里插入图片描述

3.LZW解码算法步骤

步骤1：在开始译码时词典包含所有可能的前缀根。
步骤2：令CW：=码字流中的第一个码字。
步骤3：输出当前缀-符串string.CW到码字流。
步骤4：先前码字PW：=当前码字CW。
步骤5：当前码字CW：=码字流的下一个码字。
步骤6：判断当前缀-符串string.CW 是否在词典中。
（1）如果”是”，则把当前缀-符串string.CW输出到字符流。
当前前缀P：=先前缀-符串string.PW。
当前字符C：=当前前缀-符串string.CW的第一个字符。
把缀-符串P+C添加到词典。
（2）如果”否”，则当前前缀P：=先前缀-符串string.PW。
当前字符C：=当前缀-符串string.CW的第一个字符。
输出缀-符串P+C到字符流,然后把它添加到词典中。
步骤7：判断码字流中是否还有码字要译。
（1）如果”是”，就返回步骤4。
（2）如果”否”，结束。

流程图

在这里插入图片描述

二、代码注释

void PrintDictionary( void){
	int n;
	int count;
	for( n=256; n<next_code; n++){
		count = DecodeString( 0, n);
		printf( "%4d->", n);
		while( 0<count--) printf("%c", (char)(d_stack[count]));
		printf( "\n");
	}
}

int DecodeString( int start, int code){
	int count;
	count = start;
	while( 0<=code){
		d_stack[ count] = dictionary[code].suffix;
		code = dictionary[code].parent;
		count ++;
	}
	return count;
}
void InitDictionary( void){
	int i;

	for( i=0; i<256; i++){
		dictionary[i].suffix = i;
		dictionary[i].parent = -1;
		dictionary[i].firstchild = -1;
		dictionary[i].nextsibling = i+1;
	}
	dictionary[255].nextsibling = -1;
	next_code = 256;
}
/*
 * Input: string represented by string_code in dictionary,
 * Output: the index of character+string in the dictionary
 * 		index = -1 if not found
 *		
 */
int InDictionary( int character, int string_code){
	int sibling;
	if( 0>string_code) return character;  //编码为-1
	sibling = dictionary[string_code].firstchild;
	while( -1<sibling){
		if( character == dictionary[sibling].suffix) return sibling;
		sibling = dictionary[sibling].nextsibling;
	}
	return -1;
}

void AddToDictionary( int character, int string_code){
	int firstsibling, nextsibling;
	if( 0>string_code) return;
	dictionary[next_code].suffix = character;
	dictionary[next_code].parent = string_code;
	dictionary[next_code].nextsibling = -1;
	dictionary[next_code].firstchild = -1;
	firstsibling = dictionary[string_code].firstchild;
	if( -1<firstsibling){	// the parent has child
		nextsibling = firstsibling;
		while( -1<dictionary[nextsibling].nextsibling ) 
			nextsibling = dictionary[nextsibling].nextsibling;
		dictionary[nextsibling].nextsibling = next_code;
	}else{// no child before, modify it to be the first
		dictionary[string_code].firstchild = next_code;
	}
	next_code ++;
}

void LZWEncode( FILE *fp, BITFILE *bf){
	int character;
	int string_code;
	int index;
	unsigned long file_length;

	fseek( fp, 0, SEEK_END);
	file_length = ftell( fp);  //得到文件长度
	fseek( fp, 0, SEEK_SET);
	BitsOutput( bf, file_length, 4*8);
	InitDictionary();  //字典初始化
	string_code = -1;
	while( EOF!=(character=fgetc( fp))){   // 获取下一个字符,并且指针移动  ,直到文件结束
		index = InDictionary( character, string_code);
		if( 0<=index){	// string+character in dictionary
			string_code = index;
		}else{	// string+character not in dictionary
			output( bf, string_code);
			if( MAX_CODE > next_code){	// free space in dictionary
				// add string+character to dictionary
				AddToDictionary( character, string_code);
			}
			string_code = character;
		}
	}
	output( bf, string_code);
}

void LZWDecode(BITFILE* bf, FILE* fp) {
	int character;
	int new_code, last_code;
	int phrase_length;
	unsigned long file_length;
	file_length = BitsInput(bf, 4 * 8);
	if (-1 == file_length) file_length = 0;
	InitDictionary();
	last_code = -1;
	while (0 < file_length) {
		new_code = input(bf);
		if (new_code >= next_code) { // this is the case CSCSC( not in dict)
			d_stack[0] = character;
			phrase_length = DecodeString(1, last_code);
		}
		else {
			phrase_length = DecodeString(0, new_code);
		}
		character = d_stack[phrase_length - 1];
		while (0 < phrase_length) {
			phrase_length--;
			fputc(d_stack[phrase_length], fp);
			file_length--;
		}
		if (MAX_CODE > next_code) {// add the new phrase to dictionary
			AddToDictionary(character, last_code);
		}
		last_code = new_code;
	}
}