编写一份matlab代码完成文件里的要求

时间: 2024-10-19 12:12:10 浏览: 6
为了完成《Assignment1.pdf》中的任务,以下是一个完整的MATLAB脚本示例,包括了Huffman编码和Shannon-Fano编码的实现、熵计算、字符串编码、效率分析以及结果展示。请注意,这个脚本假设所有函数都定义在一个单独的`.mlx`文件中,并且符合提交指南的要求。 ### `FirstNameLastName.mlx` ```matlab %% Beijing Dublin International College EEEN3017J - Information Theory & Coding % Assignment 1: Implement and Compare Huffman Coding and Shannon-Fano Coding % % Author: FirstName LastName % Date: 2023-10-10 %% Input Setup Symbols = {'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H'}; Probabilities = [0.25, 0.2, 0.15, 0.12, 0.1, 0.08, 0.06, 0.04]; SampleString = 'AABCCDEFGH'; %% Entropy Calculation function H = calculateEntropy(probabilities) H = -sum(probabilities .* log2(probabilities)); end Entropy = calculateEntropy(Probabilities); fprintf('Entropy (H): %.4f bits/symbol\n', Entropy); %% Huffman Coding Implementation function [huffmanCodes, huffmanTree] = huffmanCoding(symbols, probabilities) % Create nodes nodes = arrayfun(@(s, p) struct('symbol', s, 'probability', p), symbols, probabilities, 'UniformOutput', false); % Build the Huffman tree while length(nodes) > 1 % Sort nodes by probability nodes = sortrows([nodes{:}], 'probability'); % Combine the two smallest nodes leftNode = nodes{1}; rightNode = nodes{2}; combinedNode = struct('symbol', [], 'probability', leftNode.probability + rightNode.probability, ... 'left', leftNode, 'right', rightNode); % Remove the two smallest nodes and add the combined node nodes(1:2) = []; nodes{end+1} = combinedNode; end huffmanTree = nodes{1}; % Generate Huffman codes huffmanCodes = cell(size(symbols)); generateHuffmanCodes(huffmanTree, '', huffmanCodes); end function generateHuffmanCodes(node, code, codes) if ~isfield(node, 'left') && ~isfield(node, 'right') index = find(strcmp({codes.symbol}, node.symbol)); codes{index}.code = code; else if isfield(node, 'left') generateHuffmanCodes(node.left, [code '0'], codes); end if isfield(node, 'right') generateHuffmanCodes(node.right, [code '1'], codes); end end end [HuffmanCodes, HuffmanTree] = huffmanCoding(Symbols, Probabilities); disp('Huffman Codes:'); for i = 1:length(Symbols) fprintf('%s: %s\n', Symbols{i}, HuffmanCodes(i).code); end %% Shannon-Fano Coding Implementation function shannonFanoCodes = shannonFanoCoding(symbols, probabilities) % Recursive function to split symbols function codes = splitSymbols(symbols, probabilities, codePrefix) n = length(symbols); if n == 1 codes = containers.Map({'Code'}, {codePrefix}); return; end % Find the best split point cumulativeSum = cumsum(probabilities); minDiff = inf; splitPoint = 1; for k = 1:(n-1) diff = abs(cumulativeSum(k) - (cumulativeSum(end) - cumulativeSum(k))); if diff < minDiff minDiff = diff; splitPoint = k; end end % Split and assign codes codes = containers.Map(); leftSymbols = symbols(1:splitPoint); leftProbabilities = probabilities(1:splitPoint); rightSymbols = symbols(splitPoint+1:end); rightProbabilities = probabilities(splitPoint+1:end); leftCodes = splitSymbols(leftSymbols, leftProbabilities, [codePrefix '0']); rightCodes = splitSymbols(rightSymbols, rightProbabilities, [codePrefix '1']); codes = [codes, leftCodes, rightCodes]; end % Initial call to recursive function shannonFanoCodes = splitSymbols(symbols, probabilities, ''); end ShannonFanoCodes = shannonFanoCoding(Symbols, Probabilities); disp('Shannon-Fano Codes:'); for i = 1:length(Symbols) fprintf('%s: %s\n', Symbols{i}, ShannonFanoCodes(Symbols{i})); end %% String Encoding function encodedString = encodeString(inputString, codes) encodedString = ''; for i = 1:length(inputString) symbol = inputString(i); encodedString = [encodedString codes(symbol)]; end end HuffmanEncodedString = encodeString(SampleString, containers.Map(HuffmanCodes)); ShannonFanoEncodedString = encodeString(SampleString, ShannonFanoCodes); disp('Encoded Strings:'); fprintf('Huffman: %s\n', HuffmanEncodedString); fprintf('Shannon-Fano: %s\n', ShannonFanoEncodedString); %% Efficiency Analysis function [averageCodeLength, compressionRatio, redundancy, codingEfficiency] = calculateEfficiency(codes, probabilities, entropy, originalSize) codeLengths = cellfun(@length, values(codes)); averageCodeLength = sum(codeLengths .* probabilities); compressedSize = averageCodeLength * originalSize; compressionRatio = originalSize / compressedSize; redundancy = averageCodeLength - entropy; codingEfficiency = (entropy / averageCodeLength) * 100; end originalSize = length(SampleString); [avgLenHuffman, compRatioHuffman, redunHuffman, effHuffman] = calculateEfficiency(containers.Map(HuffmanCodes), Probabilities, Entropy, originalSize); [avgLenShannonFano, compRatioShannonFano, redunShannonFano, effShannonFano] = calculateEfficiency(ShannonFanoCodes, Probabilities, Entropy, originalSize); disp('Efficiency Metrics:'); fprintf('Huffman:\nAverage Code Length: %.4f\nCompression Ratio: %.4f\nRedundancy: %.4f\nCoding Efficiency: %.2f%%\n', avgLenHuffman, compRatioHuffman, redunHuffman, effHuffman); fprintf('Shannon-Fano:\nAverage Code Length: %.4f\nCompression Ratio: %.4f\nRedundancy: %.4f\nCoding Efficiency: %.2f%%\n', avgLenShannonFano, compRatioShannonFano, redunShannonFano, effShannonFano); %% Mathematical Proof & Justification % Huffman coding is generally more efficient because it always generates the optimal prefix-free code, % minimizing the average code length. Shannon-Fano coding, while simpler, may not always produce the % most efficient code due to its top-down approach. %% Visualizations metrics = {'Entropy', 'Average Code Length', 'Compression Ratio', 'Redundancy', 'Coding Efficiency'}; valuesHuffman = [Entropy, avgLenHuffman, compRatioHuffman, redunHuffman, effHuffman]; valuesShannonFano = [Entropy, avgLenShannonFano, compRatioShannonFano, redunShannonFano, effShannonFano]; figure; bar(metrics, [valuesHuffman; valuesShannonFano]'); set(gca, 'XTickLabel', metrics, 'XTickLabelRotation', 45); legend('Huffman', 'Shannon-Fano'); ylabel('Value'); title('Comparison of Huffman and Shannon-Fano Coding'); %% Summary fprintf('Summary:\n'); if effHuffman > effShannonFano fprintf('Huffman coding is more optimal.\n'); else fprintf('Shannon-Fano coding is more optimal.\n'); end ``` ### 提交说明 1. 将上述代码保存为 `FirstNameLastName.mlx` 文件。 2. 运行该脚本以生成所需的结果。 3. 将生成的结果和分析整理成一个详细的PDF报告,按照提交指南的要求进行提交。 希望这段代码能帮助你顺利完成作业!如果有任何问题或需要进一步的帮助,请随时告诉我。
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