根据文件中的要求与内容用2020b版本matlab编写相关程序

时间: 2024-10-19 10:10:27 浏览: 26
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实验报告_MATLAB函数文件程序设计_

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根据《Assignment1.pdf》的要求和内容,以下是使用MATLAB R2020b编写的实现Huffman Coding和Shannon-Fano Coding的代码。这个代码包括了所有必要的步骤,从输入设置到效率分析,并且提供了详细的注释和可视化结果。 ### MATLAB Script (`FirstnameLastname.mlx`) ```matlab %% Beijing Dublin International College EEEN3017J - Information Theory & Coding % Assignment 1 % Author: [Your Full Name] % Date: [Current Date] %% 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]; %% Entropy Calculation function H = calculate_entropy(probs) % Calculate the entropy of the source H = -sum(probs .* log2(probs)); end entropy = calculate_entropy(probabilities); fprintf('Entropy (H) of the source: %.4f bits\n', entropy); %% Custom Huffman Coding Implementation function [codes, huffman_tree] = huffman_coding(symbols, probabilities) % Create a priority queue (min-heap) nodes = arrayfun(@(i) struct('symbol', symbols{i}, 'probability', probabilities(i), 'left', [], 'right', []), 1:length(symbols), 'UniformOutput', false); nodes = sort(nodes, 'Probability'); while length(nodes) > 1 % Pop two nodes with the smallest probabilities node1 = nodes{1}; node2 = nodes{2}; nodes(1:2) = []; % Create a new internal node newNode = struct('symbol', '', 'probability', node1.probability + node2.probability, 'left', node1, 'right', node2); nodes = [nodes, newNode]; nodes = sort(nodes, 'Probability'); end huffman_tree = nodes{1}; % Generate Huffman codes codes = get_codes(huffman_tree, ''); end function codes = get_codes(node, code, codes = containers.Map()) if ~isempty(node.symbol) codes(node.symbol) = code; else get_codes(node.left, [code '0'], codes); get_codes(node.right, [code '1'], codes); end end [huffman_codes, huffman_tree] = huffman_coding(symbols, probabilities); %% Custom Shannon-Fano Coding Implementation function codes = shannon_fano_coding(symbols, probabilities) % Sort symbols by decreasing probability [sorted_probs, idx] = sort(probabilities, 'descend'); sorted_symbols = symbols(idx); % Recursive function to split the list function codes = sf_split(symbols, probs, code, codes) n = length(symbols); if n == 1 codes(symbols{1}) = code; else best_diff = inf; best_idx = 1; left_sum = 0; right_sum = sum(probs); for i = 1:n-1 left_sum = left_sum + probs(i); right_sum = right_sum - probs(i); diff = abs(left_sum - right_sum); if diff < best_diff best_diff = diff; best_idx = i; end end codes = sf_split(symbols(1:best_idx), probs(1:best_idx), [code '0'], codes); codes = sf_split(symbols(best_idx+1:end), probs(best_idx+1:end), [code '1'], codes); end end codes = containers.Map(); codes = sf_split(sorted_symbols, sorted_probs, '', codes); end shannon_fano_codes = shannon_fano_coding(symbols, probabilities); %% String Encoding sample_string = 'AABCCDEFGH'; function encoded_str = encode_string(str, codes) encoded_str = ''; for i = 1:length(str) encoded_str = [encoded_str, codes(char(str(i)))]; end end huffman_encoded = encode_string(sample_string, huffman_codes); shannon_fano_encoded = encode_string(sample_string, shannon_fano_codes); fprintf('Huffman Encoded String: %s\n', huffman_encoded); fprintf('Shannon-Fano Encoded String: %s\n', shannon_fano_encoded); %% Efficiency Analysis function avg_code_length(codes, probabilities) total_length = 0; for i = 1:length(symbols) total_length = total_length + probabilities(i) * length(codes(symbols{i})); end avg_code_length = total_length; end huffman_avg_len = avg_code_length(huffman_codes, probabilities); shannon_fano_avg_len = avg_code_length(shannon_fano_codes, probabilities); compression_ratio_huffman = length(sample_string) / length(huffman_encoded); compression_ratio_shannon_fano = length(sample_string) / length(shannon_fano_encoded); redundancy_huffman = huffman_avg_len - entropy; redundancy_shannon_fano = shannon_fano_avg_len - entropy; coding_efficiency_huffman = (entropy / huffman_avg_len) * 100; coding_efficiency_shannon_fano = (entropy / shannon_fano_avg_len) * 100; results = table({'Huffman'; 'Shannon-Fano'}, ... [huffman_avg_len; shannon_fano_avg_len], ... [compression_ratio_huffman; compression_ratio_shannon_fano], ... [redundancy_huffman; redundancy_shannon_fano], ... [coding_efficiency_huffman; coding_efficiency_shannon_fano], ... 'VariableNames', {'Method', 'AverageCodeLength', 'CompressionRatio', 'Redundancy', 'CodingEfficiency'}); disp(results); %% Visualization figure; bar([huffman_avg_len, shannon_fano_avg_len]); set(gca, 'XTickLabel', {'Huffman', 'Shannon-Fano'}); ylabel('Average Code Length'); title('Comparison of Average Code Length'); figure; bar([coding_efficiency_huffman, coding_efficiency_shannon_fano]); set(gca, 'XTickLabel', {'Huffman', 'Shannon-Fano'}); ylabel('Coding Efficiency (%)'); title('Comparison of Coding Efficiency'); ``` ### 报告(PDF) 在提交时,需要附带一个详细的报告(PDF),其中包括以下内容: 1. **熵计算**:解释熵的计算方法及其在数据压缩中的意义。 2. **编码实现**:详细说明Huffman Coding和Shannon-Fano Coding的实现过程。 3. **字符串编码**:展示样本字符串的编码结果。 4. **效率分析**:比较两种编码方法的平均码长、压缩比、冗余度和编码效率。 5. **数学证明**:提供数学证明,解释为什么Huffman Coding通常能实现更短的平均码长和更高的编码效率。 6. **可视化结果**:使用条形图等图表展示和比较结果。 ### 提交指南 1. 将上述MATLAB脚本保存为 `FirstnameLastname.mlx`。 2. 编写并提交一个详细的PDF报告,总结你的发现、数学证明和结果。 3. 确保所有图表和表格都清晰标注轴标签和标题。 4. 在Brightspace上按时提交。 希望这些代码和指导对你完成作业有所帮助!如果有任何问题,请随时联系我。
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