Кодирования информации в частности метод кодирования Хаффмана

 

 

ГЛАВА 2. ПРОГРАММНАЯ  РЕАЛИЗАЦИЯ  АЛГОРИТМА КОДИРОВАНИЯ ХАФФМАНА

 

2.1. Описание  процесса реализации  алгоритма кодирования

Хаффмана

Программную реализацию алгоритма кодирования Хаффмана мы выполнили в объектно-ориентированной технологии программирования, среды разработки Borland Delphi 7.0. и на языка программирования Delphi.

Мы помним, что кодирование Хаффмана – это статистический метод кодирования (сжатия), который уменьшает среднюю длину кодового слова для символов алфавита. Код Хаффмана может быть построен по следующему алгоритму[15]:

• Выписываем в ряд все символы алфавита в порядке возрастания или убывания вероятности их появления в тексте;
• Последовательно объединяем два символа с наименьшими вероятностями появления в новый составной символ, вероятность появления которого полагается равной сумме вероятностей составляющих его символов; в результате мы построим дерево, каждый узел которого имеет суммарную вероятность всех узлов, находящихся ниже него;
• Прослеживаем путь к каждому листу дерева помечая направление к каждому узлу (например, направо - 0, налево - 1).

Для того, чтобы определить сколько повторяющихся символов в сообщении и какова все сообщения, я рассматривал введенные символы как единую строку «s», ввёл дополнительную переменную для подстроки «st» и создал цикл для которого условием выхода есть вся проверенная строка. С помощью стандартной функции «pos» находил одинаковую подстроку в строке т.е. одинаковые символы «st» в строке «s». После нахождения одинаковых символов удалял найденный, а количество удаленных инкрементировал. Инкремент и является количеством одинаковых символов.

Но каждый проверенный символ нужно опять добавить в массив с его числовым вхождением. Для этого был использован тот же самый массив, но он увеличивался на то количество, которое было проверено «setlength(a,KolSim)». В «Memo1» вывел результат подсчета символов.

 

begin

Button2.Enabled:=true;

Button1.Enabled:=false;

Memo1.Clear;

Memo2.Clear;

s:=Edit1.text;

st:=s;

KolSim:=0;

while length(s)>0 do

begin

c:=s[1];

j:=0;

repeat

i:=pos(c,s);

if i>0 then

begin

inc(j);

delete(s,i,1);

end;

until not(i>0);

Memo1.Lines.Add(c+' -> '+inttostr(j));

inc(KolSim);

setlength(a,KolSim);

a[KolSim-1].Simvol:=c;

a[KolSim-1].Kolizestvo:=j;

a[KolSim-1].R:=-1;

a[KolSim-1].L:=-1;

a[KolSim-1].x:=1;

end;

 

Далее находим два наименьших элемента массива. Для этого были переменены две переменные Ind1 и Ind2 – исходные листья дерева. Им было присвоено значение «-1» т.е они пустые. Определил цикл прохождения по массиву, и ввел еще две переменных минимального значения: MinEl1 MinEl2. Эти элементы мы и находим, но для каждого создаём свой цикл нахождения:

repeat

MinEl1:=0;

MinEl2:=0;

Ind1:=-1;

Ind2:=-1;

for i:=0 to KolSim-1 do

if (a[i].x<>-1) and ((a[i].Kolizestvo<MinEl1) or (MinEl1=0)) then

begin

Ind1:=i;

MinEl1:=a[i].Kolizestvo;

end;

for i:=0 to KolSim-1 do

if (Ind1<>i) and (a[i].x<>-1) and ((a[i].Kolizestvo<MinEl2) or (MinEl2=0)) then

begin

Ind2:=i;

MinEl2:=a[i].Kolizestvo;

end;

 

После того, как нашли два минимальных элемента массива, складываем их и получаем новый индекс. При следующем прохождении по массиву учитываем лишь новый полученный индекс и сравниваем с оставшимися элементами. Такой цикл продолжается до тех пор, пока не останется одно значение – корень.

 

if (MinEl1>0) and (MinEl2>0) then

begin

inc(KolSim);

setLength(a,KolSim);

a[KolSim-1].Simvol:='';

a[KolSim-1].Kolizestvo:=MinEl2+MinEl1;

a[KolSim-1].R:=Ind1;

a[KolSim-1].L:=Ind2;

a[Ind1].x:=-1;

a[Ind2].x:=-1;

end;

until not((MinEl1>0) and (MinEl2>0));

Теперь всю информацию выведем в « Memo2 », а длину всего сообщения в « Еdit2» (Рис. 2.1).

for i:=0 to KolSim-1 do

begin

Memo2.Lines.Add(' s-> '+a[i].Simvol);

Memo2.Lines.Add('Veroat -> '+inttostr(a[i].Kolizestvo));

Memo2.Lines.Add('R -> '+inttostr(a[i].R));

Memo2.Lines.Add('L -> '+inttostr(a[i].L));

Memo2.Lines.Add('------------------------');

end;

Edit2.Text:=inttostr(KolSim);

 

Рис. 2.1. Отображение информации в полях

Теперь осталось лишь закодировать каждый введённый символ. Для этого была использована рекурсия.

Индексами были помечены все правые и левые ветви дерева. Рекурсия будет просматривать всё дерево, начиная с корня. Если будем идти по правой ветви, то расстоянию от уза до узла присвоим 0, по левому - 1. Ветви буду просматриваться до тех пор пока не будет достигнуто исходных листьев «-1 » (символов).

После достижения «-1» рекурсия заканчивает работу и выводит полученный результат в Memo3 (рис. 2.2).

Memo3.Lines.Add(a[Ind].Simvol+' -> '+s);

exit;

end;

if a[Ind].R<>-1 then

f(a[Ind].R,s+'0');

if a[Ind].L<>-1 then

f(a[Ind].L,s+'1');

 

Рис. 2.2. Полученный результат кодирования

Таким образом, мы программно реализовали алгоритм кодирования Хаффмана в объектно-ориентированной технологии программирования, с помощью среды разработки Borland Delphi 7.0. на языка программирования Delphi.

 

2.2 Интерфейс пользователя приложения «Код Хаффмана»

На рис.2.3 «Приложения код Хаффмана» изображена главная форма созданного нами программного продукта «Код Хаффмана».

На форме присутствуют следующие элементы:

Edit1 - «Строка» для ввода сообщения которое нужно закодировать.

Edit2 - «Длинна» служит для отображения длины всего массива т.е. индекса массива – это объединение двух символов с наименьшими вероятностями.

Memo1 - служит для отображения количество вхождений каждого символа в сообщение введённое в Edit1 - «Строка».

Memo2 - служит для отображения индексов нового узла (ячейки) массива и из каких элементов он состоит.

Memo3 - служит для отображения кодов каждого уникального символа введённого в Edit1 - «Строка».

Кнопка «Определить» - запускает работу алгоритма построения дерева.

Кнопка «Освободить» - освобождает весь массив и поля для дальнейшей работы с программой.

Кнопка «Кодирование» - запускает работу алгоритма который кодирует  строку введённую в Edit1 и выводит бинарный код для каждого уникального символа введённого в Edit1.

Кнопка «Закрыть» - завершает работу программы.

Рис. 2.3. «Приложения код Хаффмана»

Для запуска и работы программы «Код Хаффмана» необходимо скопировать откомпилированный exe – файл который находится на СD-диске в приложении 1 в любую из директорий жесткого диска компьютера или флеш-накопителя. Для запуска нужно открыть файл «Код Хаффмана.exe»  двойным щелчком мыши.

Рис. 2.4. «Пример работы приложения»

На рис 2.4 «Пример работы приложения» изображён пример работы программы «Код Хаффмана». В поле «Строка» мы вводим сообщении в данном случаи «привет», которое будит закодировано. Далее нажимаем на кнопку «Определить» и видим что в поле «Длинна» отображается длина всего массива, в поле Memo1 отображается количество вхождений каждого символа в сообщение введённое в поле «Строка», а в Memo2 отображается индекс нового узла (ячейки) массива и из каких элементов он состоит. Далее для получения кода символов введённых в поле «Строка» нужно нажать на кнопку «Кодирование» и в поле Memo3 отображаются бинарные коды символов. Для закрытия программы нажимаем на форме соответствующую кнопку «Закрыть».

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе научного исследования по теме «Кодирование информации. Кодирование по методу Хаффмана» был проведен анализ литературы, статьей по исследуемой теме, изучена нормативная документация, спроектировано и реализовано программное приложение.

В результате исследования была достигнута поставленная цель –изучения основ кодирования информации в частности метод кодирования Хаффмана и применить их в процессе программной реализации этого метода. Цель курсовой работы достигнута за счёт выполнения следующих задач.

Рассмотрены основные понятия и принципы кодирования информации;

Изучен метод кодирования Хаффмана.

Изучены алгоритмы кодирования информации для реализации программного продукта  «Код Хаффмана», с использованием современной технологии программирования;

После выполнения целей и задач курсовой работы были сделаны следующие выводы.

Проблема кодирования информации, имеет достаточно давнюю историю, гораздо более давнюю, нежели история развития вычислительной техники, которая обычно шла параллельно с историей развития проблемы сжатие и шифровки информации.

До появления работ Шеннона, Фано а позже и Хаффмана, кодирование символов алфавита при передаче сообщения по каналам связи осуществлялось одинаковым количеством бит, получаемым по формуле Хартли. С появлением этих работ начали появляться способы, кодирующие символы разным числом бит в зависимости от вероятности появления их в тексте, то есть более вероятные символы кодируются короткими кодами, а редко встречающиеся символы - длинными (длиннее среднего).

Преимуществами данных методов являются их очевидная простота реализации и, как следствие этого, высокая скорость кодирования и декодирования. Основным недостатком является их не оптимальность в общем случае.

Таким образом, поставленные цели и задачи работы достигнуты, однако данная работа может быть усовершенствована и продолжена в других аспектах.

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков, В.Б. Информатика  / В.Б. Волков, Н.В. Макарова – СПб.: Питер, 2011 – 576 с.
2. Галисеев, Г.В. Программирование в среде Delphi 7 / Г.В. Галисеев – М.: Вильямс, 2004. – 288 с.
3. ГОСТ 19.701-90 – ЕСПД. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правило выполнения [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.gost.ru/wps/portal/ свободный. – Загл. с домашней страницы
4. Иванова, Г.С. Технология программирования / Г. С. Иванова – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 320 с.
5. Канер, С. Тестирование программного обеспечения. Фундаментальные концепции менеджмента бизнес-приложений / С. Канер, Д. Фолк, Е.К Нгуен – Киев: ДиаСофт, 2005. – 544 с.
6. Майерс, Г. Искусство тестирования программ /  Г. Майерс,  Т. Баджетт, К. Сандлер – М.: «Диалектика», 2012 – 272 с.
7. Меняев, М.Ф. Информатика и основы программирования / М.Ф. Меняев – М.: Омега-Л, 2007 – 458 с.
8. Программирование на языке Delphi. Глава 2. Основы языка Delphi [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.rsdn.ru/article/Delphi/Delphi_7_02.xml – Загл. с домашней страницы
9. Свободная энциклопедия Википедия. Delphi (язык программирования) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ xml – Загл. с домашней страницы
10. Семакин, И.Г. Основы программирования: учебник/   И.Г. Семакин, Ф.П. Шестаков; — М.: Мастерство, 2001.— 432с.: ил ISBN 5-294-00054-7.
11. Симонович, С.В. Информатика: Базовый курс  / С.В. Симонович – СПб.: Питер, 2011 – 640 с.
12. Терентьев, С.В. Основы программирования / С.В. Терентьев, А.И. Фролов, Е.В. Олькина – О.: Изд-во ОрелГТУ, 2009. – 54 с.
13. Терехов, Н.А. Технология программирования / Н.А. Терехов – М.:Интернет-Ун-т Информ. Технологий, – 2006 – 152 с.
14. Фаронов, В.В. Программирование на языке высокого уровня: учебник для вузов/ В.В. Фаронов; — СПб.: Питер, 2005 — 640 с.
15. Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-технический центр ИНФОРМРЕГИСТР [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.inforeg.ru
16. Хансен, Г. Visual Basic для студентов; /Г. Хансен, Д. Хансен. – М.: Бином, 2004. – 278 с.
17. Шелест, В. Д. Программирование / В. Д. Шелест – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 592 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Программный продукт «Код Хаффмана»