LZW编码算法详解.docx

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1、LZW编码算法详解1.ZW（Lempel-Ziv&WeICh）编码又称字串表编码，是Welch将Lemple和Ziv所提出来的无损压缩技术改良后的压缩方法。GIF图像文件采用的是一种改良的LZW压缩算法，通常称为GIFTZW压缩算法。下面简要介绍GIF-LZW的编码与解码方程解:例现有来源于二色系统的图像数据源（假设数据以字符串表示）：aabbbaabb,试对其进展LZW编码及解码。1）根据图像中使用的颜色数初始化一个字串表如表1）,字串表中的每个颜色对应一个索引。在初始字串表的LZW_CLEAR和LZW_EOI分别为字串表初始化标志和编码完毕标志。设置字符串变量SI、S2并初始加为空。2）输

2、出LZTLCLEAR在字串表中的索引3H（见表2第一行）。3）从图像数据流中第一个字符开场，读取一个字符a,将其赋给字符串变量S2。判断Sl+S2=a在字符表中，那么S1=S1+S2=（见表2第二行）。4读取图像数据流中下一个字符a,将其赋给字符串变量S2o判断Sl+S2=aa不在字符串表中，输出Sl=a在字串表中的索引OH,并在字串表末尾为Sl+S2=aa添加索引4H,且S1=S2=（见表2第三行）。5）读下一个字符b赋给S2。判断Sl+S2=ab不在字符串表中，输出Sl=a在字串表中的索引0H,并在字串表末尾为Sl+S2=ab添加索引5H,且Sl=S2=b（见表2第四行）.6）读下一个字符

3、b赋给S2。Sl+S2=bb不在字串表中，输出Sl=b在字串表中的索引1H,并在字串表末尾为Sl+S2=bb添加索引6H,且S1=S2=b（见表2第五行）。7）读字符b赋给S2。Sl+S2=bb在字串表中，那么S1=S1+S2=bb（见表2第六行）。8）读字符a赋给S2。Sl+S2=bba不在字串表中，输出Sl=bb在字串表中的索引6H,并在字串表末尾为SI表末“bba添加索引7H,且S1=S2=a（见表2第七行）。9）读字符a赋给S2。Sl+S2=aa”在字串表中，那么S1=S1+S2=aa见表2第八行）。10）读字符b赋给S2。Sl+S2=aab不在字串表中，输出Sl=aa在字串表中的索引

4、4H,并在字串表末尾为Sl+S2=aab添加索引8H,且S1=S2=b（见表2第九行）。11）读字符b赋给S2。Sl+S2=bb,在字串表中，那么S1=S1+S2=b（见表2第十行）。12）输出Sl中的字符串b在字串表中的索引IH（见表2第H一行）。13）输出完毕标志LZW_EOI的索引3H,编码完毕。最后的编码结果为30016463下面对上述编码结果“30016463进展解码。同样先初始化字符串表，结果如表1所示。1）首先读取第一个编码COde=3H,由于它为LZW/LEAR,无输出见表3第一行）。2）读入下一个编码Code=0H,由于字符串表中存在该索引，因此输出字符串表中OH对应的字符串

5、a，同时使OldCode=COde=OH（见表3第二行）。3）读下一个编码Cocle=OH,字符串表中存在该索引，输出OH所对应的字符串然后将OldCode=OH所对应的字符串加上Code=OH所对应的字符串的第一个字符a，即aa添加到字串表中，其索引为4H,同时使OldCode=Code=OH（见表3第三行）。4）读下一个编码COde=IH,字串表中存在该索引，输出IH所对应的字符串b，然后将OldCode=OH所对应的字符串a加上Code=IH所对应的字符串的第一个字符b，即ab添加到字串表中，其索引为5H,同时使OldCode=Code=IH（见表3第四行）。5）读入下一个编码Code=

6、6H,由于字串表中不存在该索引，因此输出OldCode=IH所对应的字符串b加上OldCode的第一个字符b“，即bb，同时将bb添加到字符串表中，其索引为6H,同时使Oldeode=Code=6H（见表3第五行）。6）读下一个编码CoCle=4H,字串表中存在该索引，输出4H所对应的字符串aa”,然后将01dCode=6H所对应的字符串bb加上Code=4H所对应的字符串的第一个字符a，即bba添加到字串表中，其索引为7H,同时使Oldeode=COde=4H（见表3第六行）。7）读下一个编码Code=6H,字串表中存在该索引，输出6H所对应的字符串bb，然后将OldCodeMH所对应的字符

7、串aa加上Code=6H所对应的字符串的第一个字符b，即aab添加到字串表中，其索引为8H,同时使01dCode=Code=6H（见表3第七行）。8）读下一个编码COde=3H,它等于LZW_EOI,数据解码完毕（见表3第八行）。最后的解码结果为aabbbaabbo由此可见，LZW编码算法在编码与解码过程中所建设的字符串表是一样的，都是动态生成的，因此在压缩文件中不必保存字符串表。1 .LZW的全称是什么？LemPel-ZiV-WelCh(LZW).LZW的简介和压缩原理是什么LZW压缩算法是种新颖的压缩方法，由1.emple-Ziv-Welch三人共同创造，用他们的名字命名。它采用了种先进的

8、串表压缩，g每个第次出现的串放在个串表中，用个数字来表示串，压缩文件只存贮数字，那么不存贮串，从而使图象文件的压缩效率得到较大的提高。奇妙的是，不管是在压缩还是在解压缩的过程中都能正确的建设这个串表，压缩或解压缩完成后，这个串表又被丢弃。1.ZW算法中，首先建设一个字符串表，把每一个第一次出现的字符串放入串表中，并用一个数字来表示，这个数字与此字符串在串表中的位置有关，并将这个数字存入压缩文件中，如果这个字符串再次出现时，即可用表示它的数字来代替，并将这个数字存入文件中。压缩完成后将串表丢弃。如Print”字符串，如果在压缩时用266表示，只要再次出现，均用266表示，并将print”字符串存

9、入串表中，在图象解码时遇到数字266,即可从串表中查出266所代表的字符串Prin匕在解压缩时，串表可以根据压缩数据重新生成。2 .在详细介绍算法之前，先列出一些与该算法相关的概念和词汇I)CharaCteL字符，一种根基数据元素，在普通文本文件中，它占用1个单独的byte,而在图像中，它却是一种代表给定像素颜色的索引值。2)CharStreamV数据文件中的字符流。3)Prefi前缀。如这个单词的含义一样，代表着在一个字符最直接的前一个字符。一个前缀字符长度可以为0,一个prefix和一个character可以组成个字符串(String),4),Suffi:后缀，是一个字符，一个字符串可以由

10、(AB)来组成，A是前缀,B是后缀,当A长度为0的时候，代表Root,根5)Code:码,用于代表一个字符串的位置编码6)Enuy:一个Code和它所代表的字符串(String)3 .压缩算法的简单例如，不是完全实现LZW算法，只是从最直观的角度看IZW算法的思想对原始数据Abccaabcddaaccdb进展lzw压缩原始数据中，只包括4个字符(CharaCter),A,B,CQ,四个字符可以用个2bit的数表示，0-A,1-B,2-C,3-D,从最直观的角度看，原始字符串存在重复字符：Abccaabcddaaccdb,用4代表ab,5代表cc,上面的字符串可以替代表示为：45A4CDDAA5

11、DB,这样是不是就比原数据短了一些呢！4 .LZW算法的适用范围为了区别代表串的值(COde)和原来的单个的数据值(StrinQ),需要使它们的数值域不重合,上面用0-3来代表A-D,那么AB就必须用大于3的数值来代替，再举另外一个例子，原来的数值范围可以用8bit来表示，那么就认为原始的数的范围是。255,压缩程序生成的标号的范围就不能为。255(如果是0-255,就重复了)。只能从256开场，但是这样一来就超过了8位的表示范围了，所以必须要扩展数据的位数，至少扩展一位，但是这样不是增加了1个字符占用的空间了么但是却可以用一个字符代表几个字符，比方原来255是8t但是现在用256米表示254

12、,255两个数，还是划得来的。从这个原理可以看出LZW算法的适用范围是原始数据串最好是有大量的子串屡次重复出现，重复的越多，压缩效枷反之那么越差，可能真的不减反增了。6.LZW算法中特殊标记随着新的串(StrMa)不断被发现,标号也会不断地j长，如果原数据过大，生成的标号集(StlInatabl9越来越大，这时钥作这个集合就会产生效率问题,若何防止这个问题呢?Gif在采用IZW算法的做法是当标号集足够大的时候，就不能增大了，干脆从头开场再来，在这个位置要插入一个标号，就是去除标志CLEAR,表示从这里我重新开场构造字典，以前的所有标记作废，开场使用新的标记。这时候又有一个问题出现，足够大是多大

13、这个标号集的大小为比较适宜呢理论上是标号集大小越大，那么压缩比率就越高，但开销也越高。一般根据处理速度和内存空间连个因素来选定。GIF标准规定的是12位，超过12位的表达范围就推倒重来，并且GlF为了提高压缩率，采用的是变长的字长。比方说原始数据是8位，那么一开场，先加上一位再说，开场的字长就成了9位，然后开场加标号，当标号加到512时，也就是超过9为所能表达的最大数据时，也就意味着后面的标号要用10位字长才能表示了，那么从这里开场，后面的字长就是10位了。依此类推，到了272也就是4096时，在这里插一个去除标志，从后面开场，从9位再来。GIF规定的去除标志CLEAR的数值是原始数据字长表示

14、的最大值加1,如果原始数据字长是8,那么去除标志就是256,如果原始数据字长为4那么就是16。另外GIF还规定了一个完毕标志END,它的值是去除标志CLEAR再加1。由于GIF规定的位数有1位(单色图)，4位(16色)和8位256色)，而1位的情况下如果只扩展1位，只能表示4种状态，那么加上一个去除标志和完毕标志就用完了，所以1位的情况下就必须扩大到3位。其它两种情况初始的字长就为5位和9位。7、用IZW算法压缩原始数据的例如分析输入流，也就是原始的数据为:255,24,54,255,24,255,255,24,5,123,45,255,24,5,24,54这个正好可以看到是gif文件中像素数

15、组的一局部，若何对它进展压缩因为原始数据可以用8bit来表示，故去除标志Clear=255+1=256,完毕标志为End=256+1=257,目前标号集为0123255CLEAREND第一步,读取第一个字符为255,在标记表里面查找，255已经存在，我们己经认识255了，不做处理第二步,取第二个字符,此时前缀为A,形成当前的Entry为(255,24),在标记集合不存在,我们并不认识255,24好，这次你小子来了，我就记住你，把它在标记集合中标记为258,然后输出前缀A,保存后缀24,并作为下一次的前缀(后缀变前缀)第三步，取第三个字符为54,当前Entry(24,54),不认识，记录(24,54)为标号259,并输出24,后缀变前缀第四部：取第四个字符255,Entry=(54,255),不认识，记录(54,255)为标号260,输出54,后缀变前缀第五步取第5个字符24,entry=(255,24),啊，认识你，这不是老258么，于是把字符串规约为258,并作为前缀第六步取第六个字符255,entry=(258,255),不认识，记录(258,255)为261,输出258,后缀变前缀一直处理到最后一个字符,用一个表记录处理过程CLEAR=256,END=257第几步前缀后缀Entry认识(丫/N)