哈夫曼算法原理



Wikipedia上面说的非常清楚了,这里我就不再赘述,直接贴过来了。


1952年, David A. Huffman提出了一个不同的算法,这个算法能够为不论什么的可能性提供出一个理想的树。香农-范诺编码(Shanno-Fano)是从树的根节点到叶子节点所进行的的编码,哈夫曼编码算法却是从相反的方向,暨从叶子节点到根节点的方向编码的。

  1. 为每一个符号建立一个叶子节点,并加上其对应的发生频率
  2. 当有一个以上的节点存在时,进行下列循环:
    1. 把这些节点作为带权值的二叉树的根节点,左右子树为空
    2. 选择两棵根结点权值最小的树作为左右子树构造一棵新的二叉树,且至新的二叉树的根结点的权值为其左右子树上根结点的权值之和。
    3. 把权值最小的两个根节点移除
    4. 将新的二叉树添�队列中.
  3. 最后剩下的节点暨为根节点,此时二叉树已经完毕。

演示样例

Huffman Algorithm


符号 A B C D E
计数 15 7 6 6 5
概率 0.38461538 0.17948718 0.15384615 0.15384615 0.12820513

在这样的情况下,D,E的最低频率和分配分别为0和1,分组结合概率的0.28205128。如今最低的一双是B和C,所以他们就分配0和1组合结合概率的0.33333333在一起。这使得BC和DE所以0和1的前面加上他们的代码和它们结合的概率最低。然后离开仅仅是一个和BCDE,当中有前缀分别为0和1,然后结合。这使我们与一个单一的节点,我们的算法是完整的。

可得A代码的代码长度是1比特,其余字符是3比特。

字符 A B C D E
代码 0 100 101 110 111

    Entropy:



Pseudo-code


1: begin
2: count frequencies of single characters (source units)
3: output(frequencies using Fibonacci Codes of degree 2)
4: sort them to non-decreasing sequence
5: create a leaf node (character, frequency c, left son = NULL, right son = NULL)
6: of the tree for each character and put nodes into queue F
7: while (|F|>=2) do
8: begin
9: pop the first two nodes (u1, u2) with the lowest
10: frequencies from sorted queue
11: create a node evaluated with sum of the chosen units,
12: successors are chosen units (eps, c(u1)+c(u2), u1, u2)
13: insert new node into queue
14: end
15: node evaluate with way from root to leaf node (left son 1, right son 0)
16: create output from coded intput characters
17: end




哈夫曼算法实现



实现的时候我们用vector<bool>记录每一个char的编码;用map<char,vector<bool>>表示整个字典;
就得到了以下的代码(以下有两个,一对一错):

先放出来这个错的,以示警戒:

/************************************************************************/
/* File Name: Huffman.cpp
* @Function: Lossless Compression
@Author: Sophia Zhang
@Create Time: 2012-9-26 10:40
@Last Modify: 2012-9-26 11:10
*/
/************************************************************************/ #include"iostream"
#include "queue"
#include "map"
#include "string"
#include "iterator"
#include "vector"
#include "algorithm"
using namespace std; #define NChar 8 //suppose use at most 8 bits to describe all symbols
#define Nsymbols 1<<NChar //can describe 256 symbols totally (include a-z, A-Z)
typedef vector<bool> Huff_code;//8 bit code of one char
map<char,Huff_code> Huff_Dic; //huffman coding dictionary class HTree
{
public :
HTree* left;
HTree* right;
char ch;
int weight; HTree(){left = right = NULL; weight=0;}
HTree(HTree* l,HTree* r,int w,char c){left = l; right = r; weight=w; ch=c;}
~HTree(){delete left; delete right;}
int Getweight(){return weight?weight:left->weight+right->weight;}
bool Isleaf(){return !left && !right; }
bool operator < (const HTree tr) const
{
return tr.weight < weight;
}
}; HTree* BuildTree(int *frequency)
{
priority_queue<HTree*> QTree; //1st level add characters
for (int i=0;i<Nsymbols;i++)
{
if(frequency[i])
QTree.push(new HTree(NULL,NULL,frequency[i],(char)i));
} //build
while (QTree.size()>1)
{
HTree* lc = QTree.top();
QTree.pop();
HTree* rc = QTree.top();
QTree.pop(); HTree* parent = new HTree(lc,rc,parent->Getweight(),(char)256);
QTree.push(parent);
}
//return tree root
return QTree.top();
} void Huffman_Coding(HTree* root, Huff_code& curcode)
{
if(root->Isleaf())
{
Huff_Dic[root->ch] = curcode;
return;
}
Huff_code& lcode = curcode;
Huff_code& rcode = curcode;
lcode.push_back(false);
rcode.push_back(true); Huffman_Coding(root->left,lcode);
Huffman_Coding(root->right,rcode);
} int main()
{
int freq[Nsymbols] = {0};
char *str = "this is the string need to be compressed"; //statistic character frequency
while (*str!='\0')
freq[*str++]++; //build tree
HTree* r = BuildTree(freq);
Huff_code nullcode;
nullcode.clear();
Huffman_Coding(r,nullcode); for(map<char,Huff_code>::iterator it = Huff_Dic.begin(); it != Huff_Dic.end(); it++)
{
cout<<(*it).first<<'\t';
Huff_code vec_code = (*it).second;
for (vector<bool>::iterator vit = vec_code.begin(); vit!=vec_code.end();vit++)
{
cout<<(*vit)<<endl;
}
}
}

上面这段代码,我执行出来不正确。在调试的时候发现了一个问题,就是QTree优先队列中的排序出了问题,说来也是,上面的代码中,我重载小于号是对HTree object做的;而实际上我建树时用的是指针,那么优先级队列中元素为指针时该怎么办呢?

那我们将friend bool operator >(Node node1,Node node2)改动为friend bool operator >(Node* node1,Node* node2),也就是传递的是Node的指针行不行呢?

答案是不能够,由于依据c++primer中重载操作符中讲的“程序猿仅仅能为类类型或枚举类型的操作数定义重载操作符,在把操作符声明为类的成员时,至少有一个类或枚举类型的參数依照值或者引用的方式传递”,也就是说friend
bool operator >(Node* node1,Node* node2)形參中都是指针类型的是不能够的。我们仅仅能再建一个类,用当中的重载()操作符作为优先队列的比較函数。

就得到了以下正确的代码:

/************************************************************************/
/* File Name: Huffman.cpp
* @Function: Lossless Compression
@Author: Sophia Zhang
@Create Time: 2012-9-26 10:40
@Last Modify: 2012-9-26 12:10
*/
/************************************************************************/ #include"iostream"
#include "queue"
#include "map"
#include "string"
#include "iterator"
#include "vector"
#include "algorithm"
using namespace std; #define NChar 8 //suppose use 8 bits to describe all symbols
#define Nsymbols 1<<NChar //can describe 256 symbols totally (include a-z, A-Z)
typedef vector<bool> Huff_code;//8 bit code of one char
map<char,Huff_code> Huff_Dic; //huffman coding dictionary /************************************************************************/
/* Tree Class elements:
*2 child trees
*character and frequency of current node
*/
/************************************************************************/
class HTree
{
public :
HTree* left;
HTree* right;
char ch;
int weight; HTree(){left = right = NULL; weight=0;ch ='\0';}
HTree(HTree* l,HTree* r,int w,char c){left = l; right = r; weight=w; ch=c;}
~HTree(){delete left; delete right;}
bool Isleaf(){return !left && !right; }
}; /************************************************************************/
/* prepare for pointer sorting*/
/*because we cannot use overloading in class HTree directly*/
/************************************************************************/
class Compare_tree
{
public:
bool operator () (HTree* t1, HTree* t2)
{
return t1->weight> t2->weight;
}
}; /************************************************************************/
/* use priority queue to build huffman tree*/
/************************************************************************/
HTree* BuildTree(int *frequency)
{
priority_queue<HTree*,vector<HTree*>,Compare_tree> QTree; //1st level add characters
for (int i=0;i<Nsymbols;i++)
{
if(frequency[i])
QTree.push(new HTree(NULL,NULL,frequency[i],(char)i));
} //build
while (QTree.size()>1)
{
HTree* lc = QTree.top();
QTree.pop();
HTree* rc = QTree.top();
QTree.pop(); HTree* parent = new HTree(lc,rc,lc->weight+rc->weight,(char)256);
QTree.push(parent);
}
//return tree root
return QTree.top();
} /************************************************************************/
/* Give Huffman Coding to the Huffman Tree*/
/************************************************************************/
void Huffman_Coding(HTree* root, Huff_code& curcode)
{
if(root->Isleaf())
{
Huff_Dic[root->ch] = curcode;
return;
}
Huff_code lcode = curcode;
Huff_code rcode = curcode;
lcode.push_back(false);
rcode.push_back(true); Huffman_Coding(root->left,lcode);
Huffman_Coding(root->right,rcode);
} int main()
{
int freq[Nsymbols] = {0};
char *str = "this is the string need to be compressed"; //statistic character frequency
while (*str!='\0')
freq[*str++]++; //build tree
HTree* r = BuildTree(freq);
Huff_code nullcode;
nullcode.clear();
Huffman_Coding(r,nullcode); for(map<char,Huff_code>::iterator it = Huff_Dic.begin(); it != Huff_Dic.end(); it++)
{
cout<<(*it).first<<'\t';
std::copy(it->second.begin(),it->second.end(),std::ostream_iterator<bool>(cout));
cout<<endl;
}
}




Reference:






关于Compression很多其它的学习资料将继续更新,敬请关注本博客和新浪微博Sophia_qing







huffman编码——原理与实现的更多相关文章

  1. [老文章搬家] 关于 Huffman 编码

    按:去年接手一个项目,涉及到一个一个叫做Mxpeg的非主流视频编码格式,编解码器是厂商以源代码形式提供的,但是可能代码写的不算健壮,以至于我们tcp直连设备很正常,但是经过一个UDP数据分发服务器之后 ...

  2. 哈夫曼(Huffman)编码

    哈夫曼编码(Huffman Coding)是一种非常经典的编码方式,属于可变字长编码(VLC)的一种,通过构造带权路径长度最小的最优二叉树以达到数据压缩的目的.哈弗曼编码实现起来也非常简单,在实际的笔 ...

  3. Huffman编码实现文件的压缩与解压缩。

    以前没事的时候写的,c++写的,原理很简单,代码如下: #include <cstdio> #include <cstdlib> #include <iostream&g ...

  4. Huffman编码实现压缩解压缩

    这是我们的课程中布置的作业.找一些资料将作业完毕,顺便将其写到博客,以后看起来也方便. 原理介绍 什么是Huffman压缩 Huffman( 哈夫曼 ) 算法在上世纪五十年代初提出来了,它是一种无损压 ...

  5. 基于二叉树和双向链表实现限制长度的最优Huffman编码

    该代码採用二叉树结合双向链表实现了限制长度的最优Huffman编码,本文代码中的权重所有採用整数值表示.http://pan.baidu.com/s/1mgHn8lq 算法原理详见:A fast al ...

  6. Huffman编码实验

    一. 实验目的 熟练掌握哈夫曼树的建立和哈夫曼编码的算法实现. 二. 实验内容 根据哈夫曼编码的原理,编写一个程序,在用户输入结点权值的基础上求赫夫曼编码,并能把给定的编码进行译码. 三. 实验要求 ...

  7. Huffman编码

    #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <iostream> #include <cstdio> #include <cstri ...

  8. 【数据压缩】Huffman编码

    1. 压缩编码概述 数据压缩在日常生活极为常见,平常所用到jpg.mp3均采用数据压缩(采用Huffman编码)以减少占用空间.编码\(C\)是指从字符空间\(A\)到码字表\(X\)的映射.数据压缩 ...

  9. 优先队列求解Huffman编码 c++

    优先队列小析      优先队列的模板: template <class T, class Container = vector<T>,class Compare = less< ...

随机推荐

  1. AlertView + Block 的使用

    AlertView的使用还是很频繁的,扁平化以后似乎也不是那么丑了,但是到现在为止官方还是在用Delegate来处理点击事件,很影响程序的可读性. 如果用Block那么就会一目了然.自己本来想写一个, ...

  2. 【USACO 2.1.5】海明码

    [题目描述] 给出 N,B 和 D,要求找出 N 个由0或1组成的编码(1 <= N <= 64),每个编码有 B 位(1 <= B <= 8),使得两两编码之间至少有 D 个 ...

  3. Linux中tar命令-C用法

    最近写了一个项目,其中用到了tar这个命令,发现在Qt中的file取得路径之后,获得的都是绝对路径,这个时候用tar打包会将绝对路径全部放进去, 可以用tar temp.tar.gz file -C ...

  4. svn更新

    下载配置文件 pwd cd /home/www/xxxx/protected/config/ get main.php 上传配置文件 put main.php svn更新 svn co svn://s ...

  5. 破解Inode客户端使用笔记本共享WIFI

    由于住在学校的公寓里面,所以使用的是校园网,但是校园网限制了无线的使用,强制所有网络用户使用INode网络客户端,这个客户端不但很丑很难看,而且每天联网十分费劲,费了半天的力气终于联上网了,可是一眨眼 ...

  6. [转载]在 Windows 10 中, 如何卸载和重新安装 OneNote App

    在 Windows 10 中, 如何卸载和重新安装 OneNote App 15/8/2015 使用 PowerShell 命令卸载 OneNote App 开始菜单 -> 输入 "P ...

  7. how to count uv area

    先放着,空了再整理.... fn getModeUvVolumetric mode chang= ----得到UV使用率( --global facesNumSum = meshop.getnumfa ...

  8. ExtJS5_自定义菜单1

    顶部和底部区域已经作好,在顶部区域有一个菜单的按钮,这一节我们设计一个菜单的数据结构,使其可以展示出不同样式的菜单.由于准备搭建的是一个系统模块自定义的系统,因此菜单也是自定义的,在操作员系统登录的时 ...

  9. 编写C# Windows服务,用于杀死Zsd.exe进程

    最近经常在我的xp系统进程中出现Zsd.exe进程.刚开始他占用内存不是很大.但是过了一段时间就会变成几百M 机器就会变得很卡,网上说Zsd可能是病毒.所以我就想要不写一个Windows服务,让他每隔 ...

  10. udp丢包原因分析

    1.  发送方没有进行频率控制(令牌桶算法),短时间内大量的包发送到server端,server端是单线程,先epoll wait,再process,就会造程process时丢掉server传过来的包 ...