lzw的编码分析及实现原理

LZW 是一种无损数据压缩算法，是对1978 年发表的 LZ78 的改进。LZW应用于Unix系统的标准工具、GIF图片格式以及TIFF格式等。同时LZW压缩算法对于较大规模的英文文本的压缩具有良好的效果，一般可以压缩到原来大小的一半。然而LZW的专利曾一度限制了其使用范围，不过，LZW专利于2003年过期。对事物的好奇心驱使我深入学习LZW压缩和解压缩算法。 ### LZW编码分析及其实现原理 #### 缘起与背景 LZW（Lempel-Ziv-Welch）作为一种高效的无损数据压缩算法，在多种应用场景中发挥了重要作用，包括Unix系统工具、GIF图像格式、TIFF文件格式等。该算法是对1978年由Lempel和Ziv提出的LZ78算法的改进版本。LZW能够有效地压缩大型英文文本文件，通常可以将其大小减少至一半左右。尽管LZW曾经受到专利权的限制，但自2003年起，这些限制已解除。 #### 名词规范 在讨论LZW编码的过程中，需要明确几个基本概念： - **码书**：指的是用于编码和解码过程中查询与插入字符串和整数索引的集合。 - **文本**：指待压缩的数据。 - **编码序列**：压缩后得到的整数序列。 - **码字**：一种特殊的数据结构，包含了字符串及其对应的索引值。 #### 主要工作 在LZW编码过程中，当码书规模扩大到一定程度时（例如达到4096=2^12的容量），查询和编码效率会受到影响。为了解决这个问题，本文提出了一种改进策略：当码书达到预定的最大容量时，将码书清空并在编码序列中插入清除标志(CLEAR)，并为原始数据字长加1，再插入结束标志(END)。随后，重新构建码书。这样做的目的是为了保持编码效率和解码的简洁性。 #### LZW编码原理 LZW的编码流程如下： 1. 初始化码书，通常包含ASCII码表或特定字符集的所有单字符。 2. 读取第一个输入字符，并将其设置为当前字符串`STRING`。 3. 进入循环，直到没有输入字符为止。 4. 读取下一个输入字符`CHARACTER`。 5. 如果`STRING + CHARACTER`已经在码书中，则更新`STRING`。 6. 否则，输出`STRING`的码书索引，并将`STRING + CHARACTER`添加到码书中。 7. 检查码书是否达到最大容量，如果是，则清空码书，并在输出序列中添加清除标志(CLEAR)和结束标志(END)。 8. 更新`STRING`为`CHARACTER`。 9. 循环结束后，输出最后一个字符串的码书索引。 #### 编码示例解析 以一个简单的示例来理解LZW编码过程。假设输入文本为“WEDEWEBWET”，初始码书只包含单字符。 1. 第一步：`STRING = "W"`，输出`"W"`的索引，码书添加`"WE"`。 2. 第二步：`STRING = "WE"`，输出`"WE"`的索引，码书添加`"WED"`。 3. 以此类推... 在这个例子中，每次输出一个索引值时，都会向码书中添加一个新的字符串，因此码书的增长速度很快。如果使用9位(bit)表示每个输出的数字，则这段19个字符的输入将被压缩成13.5字节的输出。 #### LZW解码原理 LZW解码是压缩编码的逆过程，其主要步骤如下： 1. 读取第一个编码值`OLD_CODE`。 2. 输出与`OLD_CODE`对应的字符串。 3. 进入循环，直到没有输入编码值为止。 4. 读取下一个编码值`NEW_CODE`。 5. 获取`NEW_CODE`对应的字符串`STRING`。 6. 输出`STRING`。 7. 获取`STRING`的第一个字符`CHARACTER`。 8. 将`OLD_CODE + CHARACTER`添加到码书中。 9. 检查码书是否达到最大容量，如果是，则执行相应的清除操作。 10. 更新`OLD_CODE`为`NEW_CODE`。 11. 继续循环，直至所有编码值被处理完毕。 #### 结论 通过对LZW编码和解码过程的分析，我们可以看到LZW算法的有效性和灵活性。通过动态构建码书，LZW能够在保持高效的同时处理不同类型的输入数据。此外，通过设定最大码书容量，可以在不牺牲太多压缩比的情况下优化编码性能。这种策略使得LZW成为广泛使用的数据压缩方法之一。