LZW编解码算法实现与分析实验报告

一：编解码原理

1.词典树的结构

2.编码原理

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。LZW编码算法的步骤如下：
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

3.解码原理

LZW解码算法开始时，译码词典和编码词典相同，包含所有可能的前缀根。具体解码算法如下：
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。

二：代码部分

bitio.h

#pragma once
/*
 * Declaration for bitwise IO
 *
 * vim: ts=4 sw=4 cindent
 */
#ifndef __BITIO__
#define __BITIO__

#include <stdio.h>

typedef struct {
	FILE *fp;
	unsigned char mask;
	int rack;
}BITFILE;

BITFILE *OpenBitFileInput(char *filename);
BITFILE *OpenBitFileOutput(char *filename);
void CloseBitFileInput(BITFILE *bf);
void CloseBitFileOutput(BITFILE *bf);
int BitInput(BITFILE *bf);
unsigned long BitsInput(BITFILE *bf, int count);
void BitOutput(BITFILE *bf, int bit);
void BitsOutput(BITFILE *bf, unsigned long code, int count);
#endif	// __BITIO__

bitio.cpp

/*
 * Definitions for bitwise IO
 *
 * vim: ts=4 sw=4 cindent
 */

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "bitio.h"

//打开输入文件
BITFILE *OpenBitFileInput(char *filename) {
	BITFILE *bf;
	bf = (BITFILE *)malloc(sizeof(BITFILE));
	if (NULL == bf) return NULL;
	if (NULL == filename)	bf->fp = stdin;
	//else bf->fp = fopen(filename, "rb");
	else 
		fopen_s(&(bf->fp), filename, "rb");
	if (NULL == bf->fp) return NULL;
	bf->mask = 0x80;
	bf->rack = 0;
	return bf;
}

//打开输出文件
BITFILE *OpenBitFileOutput(char *filename) {
	BITFILE *bf;
	bf = (BITFILE *)malloc(sizeof(BITFILE));
	if (NULL == bf) return NULL;
	if (NULL == filename)	bf->fp = stdout;
	//else bf->fp = fopen(filename, "wb");
	else
		fopen_s(&(bf->fp), filename, "wb");
	if (NULL == bf->fp) return NULL;
	bf->mask = 0x80;
	bf->rack = 0;
	return bf;
}

void CloseBitFileInput(BITFILE *bf) {
	fclose(bf->fp);
	free(bf);
}

void CloseBitFileOutput(BITFILE *bf) {
	// Output the remaining bits
	if (0x80 != bf->mask) fputc(bf->rack, bf->fp);
	fclose(bf->fp);
	free(bf);
}

int BitInput(BITFILE *bf) {
	int value;

	if (0x80 == bf->mask) {
		bf->rack = fgetc(bf->fp);
		if (EOF == bf->rack) {
			fprintf(stderr, "Read after the end of file reachedn");
			exit(-1);
		}
	}
	value = bf->mask & bf->rack;
	bf->mask >>= 1;
	if (0 == bf->mask) bf->mask = 0x80;
	return((0 == value) ? 0 : 1);
}

unsigned long BitsInput(BITFILE *bf, int count) {
	unsigned long mask;
	unsigned long value;
	mask = 1L << (count - 1);
	value = 0L;
	while (0 != mask) {
		if (1 == BitInput(bf))
			value |= mask;
		mask >>= 1;
	}
	return value;
}

void BitOutput(BITFILE *bf, int bit) {
	if (0 != bit) bf->rack |= bf->mask;
	bf->mask >>= 1;
	if (0 == bf->mask) {	// eight bits in rack
		fputc(bf->rack, bf->fp);
		bf->rack = 0;
		bf->mask = 0x80;
	}
}

void BitsOutput(BITFILE *bf, unsigned long code, int count) {
	unsigned long mask;

	mask = 1L << (count - 1);
	while (0 != mask) {
		BitOutput(bf, (int)(0 == (code&mask) ? 0 : 1));
		mask >>= 1;
	}
}
#if 0
int main(int argc, char **argv) {
	BITFILE *bfi, *bfo;
	int bit;
	int count = 0;

	if (1 < argc) {
		if (NULL == OpenBitFileInput(bfi, argv[1])) {
			fprintf(stderr, "fail open the filen");
			return -1;
		}
	}
	else {
		if (NULL == OpenBitFileInput(bfi, NULL)) {
			fprintf(stderr, "fail open stdinn");
			return -2;
		}
	}
	if (2 < argc) {
		if (NULL == OpenBitFileOutput(bfo, argv[2])) {
			fprintf(stderr, "fail open file for outputn");
			return -3;
		}
	}
	else {
		if (NULL == OpenBitFileOutput(bfo, NULL)) {
			fprintf(stderr, "fail open stdoutn");
			return -4;
		}
	}
	while (1) {
		bit = BitInput(bfi);
		fprintf(stderr, "%d", bit);
		count++;
		if (0 == (count & 7))fprintf(stderr, " ");
		BitOutput(bfo, bit);
	}
	return 0;
}
#endif

LZW_E.cpp

/*
 * Definition for LZW coding
 *
 * vim: ts=4 sw=4 cindent nowrap
 */
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "bitio.h"
#define MAX_CODE 65535

struct 
{
	int suffix;
	int parent, firstchild, nextsibling;
} dictionary[MAX_CODE + 1];
int next_code;
int d_stack[MAX_CODE]; // stack for decoding a phrase

#define input(f) ((int)BitsInput( f, 16))
#define output(f, x) BitsOutput( f, (unsigned long)(x), 16)

int DecodeString(int start, int code);
void InitDictionary(void);
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;
}

//初始化词典
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;     //定义新词的位置
}
/*
 * 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;
	sibling = dictionary[string_code].firstchild;  //寻找第一个孩子节点
	while (-1 < sibling) {
		if (character == dictionary[sibling].suffix) return sibling;
		sibling = dictionary[sibling].nextsibling;
	}
	return -1;
}

void AddToDictionary(int character, int string_code)     //将新的字符串加入到词典内
{
	int firstsibling, nextsibling;
	if (0 > string_code) return;
	dictionary[next_code].suffix = character;    //当前尾缀字符为character
	dictionary[next_code].parent = string_code;  //母节点为string_code
	dictionary[next_code].nextsibling = -1;      //无下一个兄弟节点
	dictionary[next_code].firstchild = -1;       //无第一个孩子节点
	firstsibling = dictionary[string_code].firstchild;  //查找母节点string_code的第一个孩子节点
	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);              //读取源文件的长度
	fseek(fp, 0, SEEK_SET);               //指回源文件开头
	BitsOutput(bf, file_length, 4 * 8);   //写文件长度
	InitDictionary();                     //初始化词典
	string_code = -1; 
	while (EOF != (character = fgetc(fp))) 
	{
		index = InDictionary(character, string_code);   //index=-1时，string+character不在词典内
		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);   //写入新词
			}
			string_code = character;    //string_code重新赋值为character，开始下一个词的编码
		}
	}
	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);   //写文件长度
	if (-1 == file_length) file_length = 0;
	InitDictionary();       //初始化词典树
	last_code = -1;
	while (0 < file_length) 
	{
		new_code = input(bf);
		if (new_code >= next_code)  //不在词典内
		{ // 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;
	}
}




int main(int argc, char **argv) {
	FILE *fp;    //输入
	BITFILE *bf; //输出

	//argv[2]原始文件
	//argv[3]生成目标文件
	if (4 > argc) 
	{
		fprintf(stdout, "usage: n%s <o> <ifile> <ofile>n", argv[0]);
		fprintf(stdout, "t<o>: E or D reffers encode or decoden");
		fprintf(stdout, "t<ifile>: input file namen");
		fprintf(stdout, "t<ofile>: output file namen");
		return -1;
	}

	//argv[1][0]='E',编码
	if ('E' == argv[1][0])// do encoding
	{ 
		errno_t err = 0;
		err = fopen_s(&fp, argv[2], "rb");
		bf = OpenBitFileOutput(argv[3]);
		if (fp == NULL)
		{
			printf("pf is NULL");
			return 0;
		}
		if (bf == NULL)
		{
			printf("bf is NULL");
			return 0;
		}
	
		printf("encodingn");
		
		if (NULL != fp && NULL != bf)
		{
			LZWEncode(fp, bf);
			fclose(fp);
			CloseBitFileOutput(bf);
			fprintf(stdout, "encoding donen");
		}
		else
			printf("error");
	}

	//argv[1][0]='D',解码
	else if ('D' == argv[1][0]) 
	{	// do decoding
		bf = OpenBitFileInput(argv[2]);
		//fp = fopen(argv[3], "wb");
		errno_t err = 0;
		err = fopen_s(&fp, argv[3], "wb");
		if (fp == NULL)
		{
			printf("pf is NULL");
			return 0;
		}
		if (bf == NULL)
		{
			printf("bf is NULL");
			return 0;
		}
		printf("decodingn");
		if (NULL != fp && NULL != bf) {
			LZWDecode(bf, fp);
			fclose(fp);
			CloseBitFileInput(bf);
			fprintf(stdout, "decoding donen");
		}
	}
	else {	// otherwise
		fprintf(stderr, "not supported operationn");
	}
	return 0;
}

三：运行结果

对十种不同格式的文件分别进行编解码
原始文件：
编码后生成文件

解码后生成文件

通过对十种不同格式的文件进行LZW编码，发现并不是所有文件编码后都会得到压缩，有些文件反而会更大。

最后

以上就是爱笑小鸽子为你收集整理的LZW编解码算法实现与分析实验报告的全部内容，希望文章能够帮你解决LZW编解码算法实现与分析实验报告所遇到的程序开发问题。

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