数据压缩基础:信息理论与编码技术

需积分: 9 3 下载量 39 浏览量 更新于2024-07-26 收藏 377KB PDF 举报
“introduction to data compression - Guy E. Blelloch” 本文是对数据压缩的入门介绍,由卡内基梅隆大学计算机科学系的Guy E. Blelloch撰写。主要内容涵盖了信息理论、概率编码以及概率编码在各种压缩算法中的应用,包括LZ77、LZ78、Burrows-Wheeler变换、分形压缩等。 1. 信息理论 信息理论是数据压缩的基础,它研究如何度量和传输信息。熵是信息理论的核心概念,表示一个信息源的平均信息量。在第2.1节中,熵被定义为描述随机变量不确定性的度量。第2.2节讨论了英语语言的熵,揭示了英文文本的统计特性。第2.3节介绍了条件熵和马尔可夫链,它们在理解文本序列和预测未来符号出现的概率方面至关重要。 2. 概率编码 概率编码是利用符号出现的概率差异来更高效地编码数据的方法。第3.1节介绍了前缀码,这是一种编码方式,确保没有编码是另一编码的前缀,避免了解码时的歧义。第3.1.1节探讨了前缀码与熵的关系。第3.2节详细讲述了哈夫曼编码,这是一种最优的前缀码,用于对出现频率不同的符号进行差异化编码。第3.2.1节讨论了如何合并消息,第3.2.2节则涉及最小方差哈夫曼编码。第3.3节介绍了算术编码,这是一种连续概率分布的高效编码方法,其中第3.3.1节解释了其整数实现。 3. 概率编码的应用 在第4章,作者展示了概率编码在不同数据压缩技术中的应用。第4.1节介绍了运行长度编码,这是一种利用连续重复符号的特性来减少编码长度的方法。第4.2节讨论了移动到前编码,通过维护一个动态表来改进压缩效率。第4.3节提到了残差编码,如JPEG-LS,它在图像压缩中利用像素间的相关性。第4.4节和第4.5节分别介绍了上下文编码在JBIG(联合黑白图像编码标准)和PPM(预测像素模型)中的应用,这些方法在理解图像局部结构上尤为有效。 此文档是“现实世界中的算法”一书的早期草稿,作者欢迎指正错误。无损压缩部分相对成熟,而有损压缩部分还在完善中,部分内容源于Ben Liblit在加州大学伯克利分校的课堂笔记。