Алгоритм LZSS

Эта версия алгоритма LZ77 была разработана Сторером (Storer) и Сжимански (Szymanski) в 1982. Базовый алгоритм был улучшен по трем направлениям: упреждающий буфер сохранялся в циклической очереди, буфер поиска (словарь) хранился в виде двоичного дерева поиска и метки имели два поля, а не три.

Оптимизации

LZSS помимо окна с содержимым сообщения поддерживает двоичное дерево для ускорения поиска совпадения. Каждая подстрока, покидающая буфер, добавляется в дерево поиска, а подстрока, покидающая словарь, удаляется из дерева. Такая организация модели данных позволяет добиться существенного увеличения скорости поиска совпадения, которая, в отличие от алгоритма LZ77, становится пропорциональна не произведению размеров окна и подстроки, а его двоичному логарифму. Это позволяет экспериментировать с большими окнами, не теряя скорости сжатия.

Кодер LZSS использует однобитовый префикс, для того чтобы отличать незакодированные символы от пар <смещение, длина>. Такие коды позволяют получить существенный выигрыш в размере сжатого сообщения.

Модель данных

Как и в алгоритме LZ77, в этом алгоритме используется обычный символьный буфер для хранения содержимого окна. В целях повышения эффективности «скольжения» окна по содержимому сообщения доступ к нему организован как к кольцевому, и размер окна кратен степени двойки.

Дерево поиска представляет собой двоичное лексикографически упорядоченное дерево. Каждый узел в дереве соответствует одной подстроке словаря и содержит ссылки на родителя и двух потомков: «большего» и «меньшего» в смысле лексикографического сравнения символьных строк.

Кодер LZSS

Инициализация

Для того чтобы кодер мог начать работать, необходимо загрузить буфер очередными символами сообщения и проинициализировать дерево. Для этого в дерево вставляется содержимое буфера.

Основной цикл работы

Алгоритм последовательно выполняет следующие действия:

1. кодирует содержимое буфера;

# считывает очередные символы в буфер, удаляя при необходимости наиболее «старые» строки из словаря;
 # вставляет в дерево новые строки, соответствующие считанным символам.

Завершение работы

Для того чтобы декодер смог вовремя остановиться, декодируя сжатое сообщение, кодер помещает в сжатый файл специальный символ «КОНЕЦ ФАЙЛА» после того, как он обработал все символы сообщения.

Пример кодирования

Закодировать по алгоритму LZSS строку "КРАСНАЯ КРАСКА".

Декодер LZSS

Алгоритм LZSS, вообще говоря, является очень асимметричным. Если процедура сжатия достаточно сложна и совершает большой объем работы при обработке каждого символа сжимаемого сообщения, то декодер LZSS тривиально прост и может работать со скоростью, приближающейся к скорости процедуры обычного копирования информации.

Декодер читает один бит сжатой информации и решает — это символ или пара <смещение, длина>. Если это символ, то следующие [math]8[/math] бит выдаются как раскодированный символ и помещаются в скользящее окно. Иначе, если это не закодированный конец файла, то соответствующее количество символов словаря помещается в окно и выдается в раскодированном виде. Поскольку это все, что делает декодер, понятно, почему процедура декодирования работает так быстро.

Пример декодирования

LZSS, длина словаря — 8 байт (символов). Коды сжатого сообщения —

Практическое использование алгоритма LZSS

Так как алгоритм LZSS не является запатентованным, он широко используется. LZSS можно удачно скомбинировать с методами сжатия, основанными на переменной длине кода (Алгоритм Хаффмана, алгоритм Шеннона-Фано (Shannon-Fano)) например в PKZIP V.1.0 использован LZSS в комбинации с алгоритмом Шеннона-Фано, а в ARJ — LZSS с алгоритмом Хаффмана.

Источники информации

• Д.Сэломон. Сжатие данных, изображений и звука - Москва: Техносфера, 2004. - с.368, стр. 88.

• Семенюк В. В. Экономное кодирование дискретной информации. – СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. – 115 с., стр.60-62.

• Обзор алгоритмов сжатия без потерь. Алгоритм LZSS

• Подстановочные или словарно-ориентированные алгоритмы сжатия информации. Методы Лемпела-Зива