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赫夫曼编码&解码

 贪挽懒月 2022-06-20 发布于广东

之前说到了如何构建赫夫曼树,那么赫夫曼树有什么用呢?赫夫曼树经典的应用之一就是赫夫曼编码

1. 赫夫曼编码是什么?

它是一种编码方式,可以用在电讯通信中,或者用于对数据文件进行压缩,压缩率一般在20%到90%。

2. 为什么要有赫夫曼编码?

我们要在网络中传输一句话,首先要将这句话的所有内容转成对应的Ascii码,然后再将Ascii转成二进制,这样一来,可能这句话原本长度是40,经过转换后会变得很长。这种编码方式叫定长编码,效率很低。其实我们可以统计这句话中各个字符出现的次数,然后用二进制数字记录这些字符出现的次数,对这句话进行编码时,将字符替换成对应的二进制就行了,这叫变长编码。但是这种编码方式也会有问题,就是最后传输的二进制串,对方在解码的时候,不知道哪些是要组合起来的,比如最后二进制串是101101……,到底第一位的1是单独解码呢还是要和第二位的0组合起来10才表示一个字符呢?这就造成了解码的多异性。赫夫曼编码就可以解决这个问题。

3. 赫夫曼编码原理:

假如现在要对i like like like java do you like a java这句话(长度是40)进行编码,过程如下:

  • 统计各个字符出现的次数:d:1次 y:1次 u:1次 j:2次 v:2次 o:2次 i:4次 k:4次 e:4次 i:5次 a:5次 空格:9次

  • 按照上面的字符出现的次数构建赫夫曼树,构建方法和之前讲的构建赫夫曼树一样。

  • 根据赫夫曼树,给各个字符编码。规定向左的路径为0,向右路径为1,然后路径数字组合起来就是该字符的编码。比如到a字符的路径是先向右,再向左,再向左,那么a的编码就是100

  • 最终各个字符的编码如下:

o:1000   u:10010   d:100110   y:100111  i:101
a:100   k:1110   e:1111   j:0000   v:0001   l:001   空格:01
  • 可以发现,每个字符的编码,都不会是另一个字符编码的前缀,比如空格的编码是01,其他字符,没有是以01开头的,因为到二叉树两个不同的节点路径不可能一样,这样解决了解码多异性的问题。

  • 根据各个字符的编码,就可以得到要发送内容编码后的字符串,i是101,空格是01,l是001……要发送内容编码后就是10101001……,长度为133。

  • 可以发现,编码后的二进制字符串长度(133)远远超过了原始内容长度(40),所以还要压缩一下。压缩的方法就是将二进制字符串每8位转成一个数字再转成字节,最终得到的字节数组就是:

-88,-65,-56,-65,-56,-65,-55,77,-57,6,-24,-14,-117,-4,-60,-90,28

长度为17,原始长度是40,压缩率为57.5%。

4. 赫夫曼解码:

本来是要发送i like like like java do you like a java这句话的,最终发送的是-88,-65,-56,-65,-56,-65,-55,77,-57,6,-24,-14,-117,-4,-60,-90,28,对方接收到后怎么还原成原始的那句话呢?其实这就是一个逆向操作了。

  • 编码的时候最后一步是压缩,那么这里就先要将接收到的字节数组解压成133位的字符串。即还原成10101001……这个字符串。

  • 然后再根据各个字符的编码,还原成原始发送的内容,即用10101001……对照下表,将内容还原即可。

o:1000   u:10010   d:100110   y:100111  i:101
a:100   k:1110   e:1111   j:0000   v:0001   l:001   空格:01

5. 赫夫曼编码解码注意事项:

  • 如果文件本身就是经过压缩处理的,比如视频文件、ppt等,压缩率不会很高

  • 赫夫曼编码是按字节来处理的,因此可以处理所有的文件

  • 如果文件重复的内容不多,压缩率也不高

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