huffman 编码是一种变长前缀式编码,通过利用被编码消息中符号的出现频率(频率出现越高的用越少的码),可以有效的节约空间。在 SICP 的2.3.4节通过实现一个huffman编码树来阐述通过表和数据抽象去操作集合和数的例子。
构建 huffman 编码树
- huffman 树以表的方式来表示,将树分为 叶子节点*和 *非叶子节点
('leaf symbol weight) : 叶子节点,包含标示叶子的符号'leaf, 实际字符 symbol,权重 weight
(left right symbols weight): 非叶子节点, 包含左子树 left, 右子树 right, 实际字符表(它孩子节点的符号汇总表), 权重 weight (它孩子节点的权重之和).
- 构建过程
将符号和其对应的频率如 (A 4) (B 2) (C 3) (D 1) *变换为叶子节点的有序表(按权重升序), 然后反复归并集合中具有最小权重的2个元素,直到集合中只剩下一个元素,那么这个元素就是我们所需要的 *huffman 树.
(define (generate-huffman-tree pairs) (define (successive-merge entry-set) (cond ((null? entry-set) '()) ((null? (cdr entry-set)) (car entry-set)) (else (successive-merge (adjoin-set (make-code-tree (car entry-set) (cadr entry-set)) (cddr entry-set)))))) (successive-merge (make-leaf-set pairs)))
通过huffman编码和解码
- 编码通过针对消息中的每个字符,遍历 huffman 数,如果往左则增加一个0,往右为1,到达叶子节点时得到的2进制序列就是该字符的编码。以下是针对单个符号的编码算法:
;编码单个字符 (define (encode-symbol symbol tree) (if (leaf? tree) '() (let ((code-br-pair (encode-branch symbol tree))) (cons (car code-br-pair) (encode-symbol symbol (cadr code-br-pair)))))) ;根据字符是在左树还是右树进行编码 (define (encode-branch symbol tree) (let ( (left (left-branch tree)) (right (right-branch tree)) ) (cond ((member? symbol (symbols left)) (list 0 left)) ((member? symbol (symbols right)) (list 1 right)) (else (error "symbol not int left or right branch - " symbol))))) 解码以一串二进制序列和对应的 huffman 数为参数,逐个根据二进制序列中的值决定遍历树的走向,0向左走,1向右走,到达叶子节点则该叶子节点的symbol即为解码的符号,继续剩下的序列,直到序列为空。 (define (decode bits tree) (define (decode-l bits current-branch) (if (null? bits) '() (let ((next-branch (choose-branch (car bits) current-branch))) (if (leaf? next-branch) (cons (symbol-leaf next-branch) (decode-l (cdr bits) tree)) (decode-l (cdr bits) next-branch))))) (decode-l bits tree)) (define (choose-branch bit branch) (cond ((= bit 0) (left-branch branch)) ((= bit 1) (right-branch branch)) (else (error "bad bit -- CHOOSE-BRANCH" bit))))
完整的代码如下
- 树的构建
huffman-tree.scm
;构建如((A 4) (B 2) (C 1) (D 1))的符号和权重的序对列表,构建huffman树 (define (generate-huffman-tree pairs) (define (successive-merge entry-set) (cond ((null? entry-set) '()) ((null? (cdr entry-set)) (car entry-set)) (else (successive-merge (adjoin-set (make-code-tree (car entry-set) (cadr entry-set)) (cddr entry-set)))))) (successive-merge (make-leaf-set pairs))) ;定义树叶子的表示法 (define (make-leaf symbol weight) (list 'leaf symbol weight)) ;判断是否是叶子节点 (define (leaf? object) (eq? (car object) 'leaf)) ;获取叶子节点的符号 (define (symbol-leaf x) (cadr x)) ;获取叶子节点的权重 (define (weight-leaf x) (caddr x)) ;获取树的符号表 (define (symbols tree) (if (leaf? tree) (list (symbol-leaf tree)) (caddr tree))) ;获取树的权重 (define (weight tree) (if (leaf? tree) (weight-leaf tree) (cadddr tree))) ;获取树的左子树 (define (left-branch tree) (car tree)) ;获取树的右子树 (define (right-branch tree) (cadr tree)) ;树表示为1个具有4个元素的表:左节点,右节点,符号列表,权重 (define (make-code-tree left right) (list left right (append (symbols left) (symbols right)) (+ (weight left) (weight right)))) ;根据权重,构建叶子和树的有序标,方便归并一对最小项 (define (adjoin-set x set) (cond ((null? set) (list x)) ((> (weight x) (weight (car set))) (cons (car set) (adjoin-set x (cdr set)))) (else (cons x set)))) ;构造叶子的初始排序集合 (define (make-leaf-set pairs) (if (null? pairs) '() (let ((pair (car pairs))) (adjoin-set (make-leaf (car pair) (cadr pair)) (make-leaf-set (cdr pairs))))))
- 编码和解码
huffman-code.scm
(load "huffman-tree.scm") ;编码消息 (define (encode message tree) (if (null? message) '() (append (encode-symbol (car message) tree) (encode (cdr message) tree)))) ;编码单个字符 (define (encode-symbol symbol tree) (if (leaf? tree) '() (let ((code-br-pair (encode-branch symbol tree))) (cons (car code-br-pair) (encode-symbol symbol (cadr code-br-pair)))))) ;根据字符是在左树还是右树进行编码 (define (encode-branch symbol tree) (let ( (left (left-branch tree)) (right (right-branch tree)) ) (cond ((member? symbol (symbols left)) (list 0 left)) ((member? symbol (symbols right)) (list 1 right)) (else (error "symbol not int left or right branch - " symbol))))) ;包含关系判断 (define (member? item set) (not (equal? (member item set) false))) ;解码消息 (define (decode bits tree) (define (decode-l bits current-branch) (if (null? bits) '() (let ((next-branch (choose-branch (car bits) current-branch))) (if (leaf? next-branch) (cons (symbol-leaf next-branch) (decode-l (cdr bits) tree)) (decode-l (cdr bits) next-branch))))) (decode-l bits tree)) (define (choose-branch bit branch) (cond ((= bit 0) (left-branch branch)) ((= bit 1) (right-branch branch)) (else (error "bad bit -- CHOOSE-BRANCH" bit))))
- 测试代码
huffman-use.scm
(load "huffman-code.scm") ;定义一个特定的文本串 (define message '(a a b a c a c b b d d d d d d)) ;定义初始的叶子节点 (define leaf-set (list '(a 4) '(b 3) '(c 2) '(d 6))) ;根据叶子节点,生成对应的huffman树 (define huffman (generate-huffman-tree leaf-set)) ;encode (define bits (encode message huffman)) (display bits) ;decode (define msg (decode bits huffman)) (newline) (display msg)
- 测试结果如下
(1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0) (a a b a c a c b b d d d d d d)
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