LZ77算法是无损压缩算法,由以色列人Abraham Lempel发表于1977年。LZ77是典型的基于字典的压缩算法,现在很多压缩技术都是基于LZ77。鉴于其在数据压缩领域的地位,本文将结合图片和源码详细介绍其原理。

原理介绍:

首先介绍几个专业术语。

1.lookahead buffer(不知道怎么用中文表述,暂时称为待编码区):

等待编码的区域

2. search buffer:

已经编码的区域,搜索缓冲区

3.滑动窗口:

指定大小的窗,包含“搜索缓冲区”(左) + “待编码区”(右)

接下来,介绍具体的编码过程:

为了编码待编码区, 编码器在滑动窗口的搜索缓冲区查找直到找到匹配的字符串。匹配字符串的开始字符串与待编码缓冲区的距离称为“偏移值”,匹配字符串的长度称为“匹配长 度”。编码器在编码时,会一直在搜索区中搜索,直到找到最大匹配字符串,并输出(o, l ),其中o是偏移值, l是匹配长度。然后窗口滑动l,继续开始编码。如果没有找到匹配字符串,则输出(0, 0, c),c为待编码区下一个等待编码的字符,窗口滑动“1”。算法实现将类似下面的:

while( lookAheadBuffer not empty )
{
get a pointer (position, match) to the longest match
in the window for the lookAheadBuffer;
 
output a (position, length, char());
shift the window length+1 characters along;
}

主要步骤为:

1.设置编码位置为输入流的开始

2.在滑窗的待编码区查找搜索区中的最大匹配字符串

3.如果找到字符串,输出(偏移值, 匹配长度), 窗口向前滑动“匹配长度”

4.如果没有找到,输出(0, 0, 待编码区的第一个字符),窗口向前滑动一个单位

5.如果待编码区不为空,回到步骤2

描述实在是太复杂,还是结合实例来讲解吧

实例:

现在有字符串“AABCBBABC”,现在对其进行编码。

一开始,窗口滑入如图位置

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)0

由图可见,待编码缓冲区有“AAB”三个字符,此时搜索缓冲区还是空的。所以编码第一个字符,由于搜索区为空,故找不到匹配串,输出(0,0, A),窗口右移一个单位,如下图

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)1

此时待编码区有“ABC”。开始编码。最先编码”A”,在搜索区找到”A”。由于没有超过待编码区,故开始编码”AB”,但在搜索区没有找到匹配字符串,故无法编码。因此只能编码”A”。

输出(1, 1)。即为相对于待编码区,偏移一个单位,匹配长度为1。窗口右滑动匹配长度,即移动1个单位。如下图

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)2

一样,没找到,输出(0, 0, B),右移1个单号,如下图

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)3

输出(0, 0, C),右移1个单位,如下图

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)4

输出(2, 1),右移1个单位,如下图

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)5

输出(3, 1), 右移1个单位,如下图

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)6

开始编码”A”,在搜索缓冲区查找到匹配字符串。由于待编码缓冲区没有超过,继续编码。 开始编码”AB”,也搜索到。不要停止,继续编码“ABC”,找到匹配字符串。由于继续编码,则超过了窗口,故只编码“ABC”,输出(5, 3),偏移5,长度3。右移3个单位,如下图

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)7

此时待编码缓冲区为空,停止编码。

最终输出结果如下

LZ77无损压缩算法原理详解(结合图片和简单代码)8

python代码实现:

class Lz77:
    def __init__(self, inputStr):
        self.inputStr = inputStr #输入流
        self.searchSize = 5    #搜索缓冲区(已编码区)大小
        self.aheadSize = 3     #lookAhead缓冲区(待编码区)大小 
        self.windSpiltIndex = 0 #lookHead缓冲区开始的索引
        self.move = 0
        self.notFind = -1   #没有找到匹配字符串
 
    #得到滑动窗口的末端索引
    def getWinEndIndex(self):
        return self.windSpiltIndex + self.aheadSize
 
    #得到滑动窗口的始端索引
    def getWinStartIndex(self):
        return self.windSpiltIndex - self.searchSize
 
    #判断lookHead缓冲区是否为空
    def isLookHeadEmpty(self):
        return True if self.windSpiltIndex + self.move> len(self.inputStr) - 1   else False
 
    def encoding(self):
        step = 0
        print("Step   Position   Match   Output")
        while not self.isLookHeadEmpty():
            #1.滑动窗口
            self.winMove()
            #2. 得到最大匹配串的偏移值和长度
            (offset, matchLen) = self.findMaxMatch()
            #3.设置窗口下一步需要滑动的距离
            self.setMoveSteps(matchLen) 
            if matchLen == 0:
                #匹配为0,说明无字符串匹配,输出下一个需要编码的字母
                nextChar = self.inputStr[self.windSpiltIndex]
                result = (step, self.windSpiltIndex, '-',  '(0,0)' + nextChar)
            else:
                result = (step, self.windSpiltIndex, self.inputStr[self.windSpiltIndex - offset: self.windSpiltIndex - offset + matchLen], '(' + str(offset) + ',' + str(matchLen) + ')')
            #4.输出结果
            self.output(result)    
            step = step + 1        #仅用来设置第几步
           
 
    #滑动窗口(移动分界点)
    def winMove(self):
        self.windSpiltIndex = self.windSpiltIndex + self.move
 
    #寻找最大匹配字符并返回相对于窗口分界点的偏移值和匹配长度
    def findMaxMatch(self):
        matchLen = 0
        offset = 0
        minEdge = self.minEdge() + 1  #得到编码区域的右边界
        #遍历待编码区,寻找最大匹配串
        for i in range(self.windSpiltIndex + 1, minEdge):
            #print("i: %d" %i)
            offsetTemp = self.searchBufferOffest(i)
            if offsetTemp == self.notFind: 
                return (offset, matchLen)
            offset = offsetTemp #偏移值
            
            matchLen = matchLen + 1  #每找到一个匹配串,加1
            
        return (offset, matchLen)
        
    #入参字符串是否存在于搜索缓冲区,如果存在,返回匹配字符串的起始索引
    def searchBufferOffest(self, i):
        searchStart = self.getWinStartIndex()
        searchEnd = self.windSpiltIndex 
        #下面几个if是处理开始时的特殊情况
        if searchEnd < 1:
            return self.notFind
        if searchStart < 0:
            searchStart = 0
            if searchEnd == 0:
                searchEnd = 1
        searchStr = self.inputStr[searchStart : searchEnd]  #搜索区字符串
        findIndex = searchStr.find(self.inputStr[self.windSpiltIndex : i])
        if findIndex == -1:
            return -1
        return len(searchStr) - findIndex
 
    #设置下一次窗口需要滑动的步数
    def setMoveSteps(self, matchLen):
        if matchLen == 0:
            self.move = 1
        else:
            self.move = matchLen
 
    
    def minEdge(self):
        return len(self.inputStr)  if len(self.inputStr) - 1 < self.getWinEndIndex() else self.getWinEndIndex() + 1
         
    def output(self, touple):
        print("%d      %d           %s     %s" % touple)
    
 
 
 
if __name__ == "__main__":
    lz77 = Lz77("AABCBBABC")
    lz77.encoding()

只是简单的写了下,没有过多考虑细节,请注意,这不是最终的代码,只是用来阐述原理,仅供参考。输出结果就是上面的输出。

参考文章:

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ee916854.aspx

http://en.wikipedia.org/wiki/LZ77_and_LZ78

http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects/2000-01/data-compression/lossless/lz77/algorithm.htm

以上几篇文章都是很好的讲解LZ77原理的,大家有兴趣的可以参考下。由于国内介绍该算法的比较少,故这些英文文章帮助还是挺大的。

余下全文(1/3)

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