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无损压缩简史

已有 61 次阅读 2026-4-22 07:31 |系统分类:科研笔记

从古至今,人们都追求言简意赅。其典范是文言文,寥寥数语就将意思表达清楚。这就是某种形式的数据压缩。数据压缩是诞生于上世纪40年代的经典信息论的两大分支之一。其思想萌芽于19世纪的摩斯码。通过对常见字符(例如E)进行短编码、罕见字符(例如Z)进行长编码,摩斯码减少了高频字符的传输时间与按键次数,降低了人力与设备损耗,提高了传输效率。在信息论中,待压数据被称为信源,数据压缩被称为信源编码1948年香农(Shannon)在其开山之作《The Mathematical Theory of Communication》中奠定了无损数据压缩(亦称熵编码)的理论基础。同时香农也给出了熵编码的第一种实现方法,后被称为香农码。在此基础上,1949年费诺(Fano)提出了一种更优的熵编码方法,后被称为费诺码。在费诺码的基础上,1952年哈夫曼(Huffman)提出了(无复杂度约束下的)最优熵编码方法,后被称为哈夫曼码

以上三种码的基本原理都是对每个信源符号逐个独立编码,其构造都需要对信源符号集进行排序。当信源符号集很小时,这类码的压缩冗余很大。特别地,这类码对二元信源完全失效,无法进行压缩(想象一下,如果英文只有EZ两个字母,则无论两个字母出现频率存在多大差异,每个字母都必须使用1个比特表示)。为了解决这一问题,可以将一组信源符号整体看做一个新的信源符号进行熵编码。随着分组长度增加,新的信源符号集将逐渐增大,从而压缩冗余将逐渐减小。然而这样的操作引来了一个新问题:随着分组长度增加,新的信源符号集大小将呈指数增长,从而导致其排序复杂度也呈指数增长。因此当信源分组很长时,香农码、费诺码和哈夫曼码的指数构造复杂度无法接受。

为了解决构造复杂度问题,Elias在1963年提出了一种无需对信源符号集进行排序的熵编码方法,后被称为Elias码。在Elias码的基础上,Rissanen在1976年提出了线性构造复杂度约束下的最优熵编码方法,后被称为算术码(亦称Rissanen码)。Elias码和算术码虽然都具有线性构造复杂度,但它们要求编解码器具有无限运算精度,这在实际中不可能做到。为了解决运算精度问题,Witten在1987年提出了一套方案,后被称为Witten码,它解决了算术码实现中的工程难题,使之变为可实际运行的计算机程序。至此,算术码实际应用中遇到的所有障碍都被扫除了。此后,算术码在图像和视频压缩等场合迅速得到推广应用。Rissanen为此获得了2009年香农奖。  

压缩冗余是衡量熵编码技术优劣的重要指标。2023DrmotaSzpankowski在其专著《Analytic Information Theory》中,系统总结了各种熵编码技术的压缩冗余:香农码的压缩冗余为0.5比特,哈夫曼码的压缩冗余约为0.0573比特,Elias码的压缩冗余为1.5比特。可以明确:费诺码的压缩冗余介于香农码和哈夫曼码之间算术码的压缩冗余介于香农码和Elias码之间。然而费诺码和算术码的精确压缩冗余长期未知。最近我们证明了一般情况下,算术码的压缩冗余约为1.0573比特,亦即比哈夫曼码多1个比特

从一开始Witten码即被视为算术码在有限运算精度下的严格近似:随着运算精度趋于无穷大,Witten码将等同于算术码。最近我们发现这是一个错误的直觉:在某些特殊情况下,即便运算精度无穷大,Witten码仍可能比算术码多12个比特。在此基础上,我们对Witten码进行了修正,使之成为算术码在有限运算精度下的严格近似,亦即随着运算精度趋于无穷大改进后的Witten码将完全等同于算术码

除了上述熵编码技术之外,上世纪70年代还出现了基于字典的LZW(Lempel-Ziv-Welch)编码方法。一般而言LZW码压缩效率不及算术码。

指数构造复杂度熵编码

线性构造复杂度熵编码

算法

Shannon

Fano

Huffman

Elias

Rissanen

Witten

我们

提出于

1948

1949

1952

1963

1976

1987

2025

最优性

非最优

非最优

最优

非最优

最优

非最优

渐近最优

冗余

0.5

未知

0.0573

1.5

1.0573

>1.0573

~1.0573



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