Shannon-Fanovo kódování: Porovnání verzí

Aktuální verze z 26. 1. 2019, 16:18

Shannon-Fanovo kódování je technika pro sestavení prefixového kódu založená na seznamu symbolů a počtech jejich výskytů v roce 1949 metodu nezávisle na sobě publikovali Claude Elwood Shannon (otec teorie informace)^[1] s Warrenem Weaverem a Robertem Mario Fano.^[2]

Obsah

1 Základní informace
- 1.1 Časová a paměťová složitost algoritmu
2 Konstrukce binárního kódu
3 Pseudokód
4 Příklady
- 4.1 příklad 1)
- 4.2 příklad 2)
5 Využití
6 Odkazy

Základní informace

Řešení nemusí být vždy optimální (nejkratší)
Používá se v kompresních datech ^[3]
Asymetrická kompresní metoda
Dvouprůchodová kompresní metoda
Semi-adaptivní kompresní metoda
Dosahuje horších výsledků ve srovnání s Huffmanovým kódováním ^[1]

C.E.Shannon

Časová a paměťová složitost algoritmu

Časová složitost algoritmu: O(n + |Σ| * log|Σ|)
Paměťová složitost algoritmu: O(|Σ|)

Z uvedeného popisu algortimu plynou následující fáze. Z hlediska časové složitosti je zde fráze výpočtu četnosti jednotlivých znaků, lineárně závislá na délce vstupního textu. Dále fáze seřazení znaků, závislá na použitém adícím algoritmu. Následuje generování výstupu, též lineárně závislé na délce vstupního textu. Paměťová složiost roste lineárně s počtem různých znaků ve vstupu.^[1]

Konstrukce binárního kódu

Princip je založen na množině znaků rekursivně dělících se vždy na dvě podmnožiny, aby součet výskytů znaků v obou podmnožinách byl přibližně stejný. Jedné podmnožině je pak v kódu přiřazena binární 1 a druhé 0.^[4]

Postup není optimální
Důležitá vlastnost: opětovné prefixovost

Prefixovost Shannon-Fanova kódu můžeme zachytit binárním prefixovým stromem. Písmena vstupní abecedy jsou v listech a jejich kódy tvoří od cesta od kořene do daného vrcholu.

Neprefixový kód = na cestě do nějakého listu leží nějaké písmeno vstupní abecedy. ^[5]

Pseudokód

Pro danou zprávu vytvořit seznam symbolů a zjistit počet jejich výskytů (nebo pravděpodobnost)
Seznam symbolů seřadit do neklesající posloupnosti podle této hodnoty
Kódy všech symbolů jsou zpočátku prázdné
Rozdělit seznam na dvě poloviny tak, aby součet sledovaných hodnot byl v obou částech zhruba stejný
Ke kódům symbolů levé polovině připojit 0, ke kódům symbolů v pravé polovině připojit 1
Rekurzivně opakovat od kroku 4 na levou i pravou polovinu seznamu ^[2]

Příklady

příklad 1)

Symbol	Počet výskytů
F	5
D	4
C	4
A	3
B	3
E	2

B)

C)

D)

A)

Symbol	Kód
F	-
D	-
C	-
A	-
B	-
E	-

B)

Symbol	Kód
F	0
D	0
C	1
A	1
B	1
E	1

C)

Symbol	Kód
F	0 0
D	0 1
C	1 0
A	1 0
B	1 1
E	1 1

D)

Symbol	Kód
F	0 0
D	0 1
C	1 0 0
A	1 0 1
B	1 1 0
E	1 1 1

Konečná verze

Symbol	Kód
F	0 0
D	0 1
C	1 0 0
A	1 0 1
B	1 1 0
E	1 1 1

Inicializace = Seznam je (F,D,C,A,B,E). Kódy všech symbolů jsou prázdné.

Krok 1 = Rozdělit na dvě poloviny s přibližně stejným součtem četností

(F,D) - součet četností: 5 + 4 = 9
(C,A,B,E) - součet četností: 4 + 3 + 3 + 2 = 12

Krok 2 = Nyní oba seznamy rozdělit na poloviny s přibližně stejným součtem četostí

Krok 3 = Seznamy (F) a (D) již rozložit nejdou, zbývá zpracovat seznamy (C,A) a (B,E). Opět oba rozložit na poloviny s přibližně stejným součtem četností.^[2]

příklad 2)

Vstupní soubor: ABRAKADABRA
Jednotlivé znaky: A B D K R
Počty výskytů: (5) (2) (1) (1) (2)
Vytvořený strom:

^[6]

Využití

Využití distribuční funkce/kumulované pravděbodobnosti zdroje.
Při kompresy dat ve formátu ZIP.^[7]

Odkazy

Reference

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 Shannon-Fanovo kódování. Dostupné také z: http://www.stringology.org/DataCompression/sf/index_cs.html
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 Shannon-Fanovo kódování. Dostupné také z: http://voho.eu/wiki/kodovani-shannon-fano/
↑ Teorie kódování: Shannon-Fanova metoda. Praha: Konrád Černý. Dostupné také z: https://files.klaska.net/sites/files.klaska.net/files/manual_files/cvut/Teorie kodovani/Shannon-Fanovo k_dov_n_.pdf
↑ Optimální (entropické) kódování informačního zdroje. Dostupné také z: https://wikisofia.cz/wiki/Optimální_(entropické)_kódování_informačního_zdroje
↑ RADOMIL, Matoušek. Metody kódování. Brno, 2006, 96 s. Dostupné také z: http://www.uai.fme.vutbr.cz/~matousek/TIK/TIKv19.pdf
↑ Shannon-Fanovo kódování. Dostupné také z: https://atrey.karlin.mff.cuni.cz/~tnovak/compress/huffman/shannon.html
↑ JAN, Outrata. Komprese dat. Dostupné také z: http://outrata.inf.upol.cz/courses/kd/komprese.pdf

Související články

Optimální (entropické) kódování informačního zdroje

Huffmanove kódovanie

Kódování

Klíčová slova

kódování, Shannon, Fano, Shannon-Fanovo kódování

[stringology-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 Shannon-Fanovo kódování. Dostupné také z: http://www.stringology.org/DataCompression/sf/index_cs.html

[voho-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 Shannon-Fanovo kódování. Dostupné také z: http://voho.eu/wiki/kodovani-shannon-fano/

[3] Teorie kódování: Shannon-Fanova metoda. Praha: Konrád Černý. Dostupné také z: https://files.klaska.net/sites/files.klaska.net/files/manual_files/cvut/Teorie kodovani/Shannon-Fanovo k_dov_n_.pdf

[4] Optimální (entropické) kódování informačního zdroje. Dostupné také z: https://wikisofia.cz/wiki/Optimální_(entropické)_kódování_informačního_zdroje

[5] RADOMIL, Matoušek. Metody kódování. Brno, 2006, 96 s. Dostupné také z: http://www.uai.fme.vutbr.cz/~matousek/TIK/TIKv19.pdf

[6] Shannon-Fanovo kódování. Dostupné také z: https://atrey.karlin.mff.cuni.cz/~tnovak/compress/huffman/shannon.html

[7] JAN, Outrata. Komprese dat. Dostupné také z: http://outrata.inf.upol.cz/courses/kd/komprese.pdf

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

@@ Řádek 1: / Řádek 1: @@
-==Základní popis==
+Shannon-Fanovo kódování je technika pro sestavení '''prefixového kódu''' založená na seznamu symbolů a počtech jejich výskytů v roce 1949 metodu nezávisle na sobě publikovali Claude Elwood Shannon (''otec teorie informace'')<ref name="stringology"><i>Shannon-Fanovo kódování</i>. Dostupné také z: http://www.stringology.org/DataCompression/sf/index_cs.html</ref> s Warrenem Weaverem a Robertem Mario Fano.<ref name="voho"><i>Shannon-Fanovo kódování</i>. Dostupné také z: http://voho.eu/wiki/kodovani-shannon-fano/</ref>
-Shannon-Fanovo kódování je technika pro sestavení '''prefixového kódu''' založená na seznamu symbolů a počtech jejich výskytů. v roce 1949 metodu nezávisle na sobě publikovali Claude Elwood Shannon (''otec teorie informace'')[http://www.stringology.org/DataCompression/sf/index_cs.html] s Warrenem Weaverem a Robertem Mario Fano.[http://voho.eu/wiki/kodovani-shannon-fano/]
+==Základní informace==
 * Řešení nemusí být vždy optimální (nejkratší)
-* Používá se v kompresních datech [https://files.klaska.net/sites/files.klaska.net/files/manual_files/cvut/Teorie%20kodovani/Shannon-Fanovo%20k_dov_n_.pdf]
+* Používá se v kompresních datech <ref><i>Teorie kódování: Shannon-Fanova metoda</i>. Praha: Konrád Černý. Dostupné také z: https://files.klaska.net/sites/files.klaska.net/files/manual_files/cvut/Teorie kodovani/Shannon-Fanovo k_dov_n_.pdf</ref>
 * Asymetrická kompresní metoda
 * Dvouprůchodová kompresní metoda
 * Semi-adaptivní kompresní metoda
-* Dosahuje horších výsledků ve srovnání s Huffmanovým kódováním[http://www.stringology.org/DataCompression/sf/index_cs.html]
+* Dosahuje horších výsledků ve srovnání s Huffmanovým kódováním <ref name="stringology"/>
+[[File:shannon.jpg|thumb|120px|C.E.Shannon]]
 ===Časová a paměťová složitost algoritmu===
-'''Časová složitost algoritmu''': O(n + |Σ| * log|Σ|)
-'''Paměťová složitost algoritmu''': O(|Σ|)
+* '''Časová složitost algoritmu''': O(n + |Σ| * log|Σ|)
+* '''Paměťová složitost algoritmu''': O(|Σ|)
-Z uvedeného popisu algortimu plynou následující fáze. Z hlediska časové složitosti je zde fráze výpočtu četnosti jednotlivých znaků, lineárně závislá na délce vstupního textu. Dále fáze seřazení znaků, závislá na použitém adícím algoritmu. Následuje generování výstupu, též lineárně závislé na délce vstupního textu. Paměťová složiost roste lineárně s počtem různých znaků ve vstupu.[http://www.stringology.org/DataCompression/sf/index_cs.html]
+Z uvedeného popisu algortimu plynou následující fáze. Z hlediska časové složitosti je zde fráze výpočtu četnosti jednotlivých znaků, lineárně závislá na délce vstupního textu. Dále fáze seřazení znaků, závislá na použitém adícím algoritmu. Následuje generování výstupu, též lineárně závislé na délce vstupního textu. Paměťová složiost roste lineárně s počtem různých znaků ve vstupu.<ref name="stringology"/>
-                                                                             C.E.Shannon [[File:shannon.jpg|120px|C.E.Shannon]] [https://history-computer.com/ModernComputer/thinkers/Shannon.html]
 ==Konstrukce binárního kódu==
-===Princip===
-Princip je založen na množině znaků rekursivně dělících se vždy na dvě podmnožiny, aby součet výskytů znaků v obou podmnožinách byl přibližně stejný. Jedné podmnožině je pak v kódu přiřazena binární 1 a druhé 0.[https://wikisofia.cz/wiki/Optimální_(entropické)_kódování_informačního_zdroje]
+Princip je založen na množině znaků rekursivně dělících se vždy na dvě podmnožiny, aby součet výskytů znaků v obou podmnožinách byl přibližně stejný. Jedné podmnožině je pak v kódu přiřazena binární 1 a druhé 0.<ref><i>Optimální (entropické) kódování informačního zdroje</i>. Dostupné také z: https://wikisofia.cz/wiki/Optimální_(entropické)_kódování_informačního_zdroje</ref>
 * Postup není optimální
@@ Řádek 27: / Řádek 28: @@
 Prefixovost Shannon-Fanova kódu můžeme zachytit binárním prefixovým stromem. Písmena vstupní abecedy jsou v ''listech'' a jejich kódy tvoří od cesta od ''kořene'' do daného vrcholu.
-*Neprefixový kód = na cestě do nějakého ''listu'' leží nějaké písmeno vstupní abecedy[http://www.uai.fme.vutbr.cz/~matousek/TIK/TIKv19.pdf]
+*Neprefixový kód = na cestě do nějakého ''listu'' leží nějaké písmeno vstupní abecedy. <ref>RADOMIL, Matoušek. <i>Metody kódování</i>. Brno, 2006, 96 s. Dostupné také z: http://www.uai.fme.vutbr.cz/~matousek/TIK/TIKv19.pdf</ref>
 ==Pseudokód==
@@ Řádek 35: / Řádek 36: @@
 # Rozdělit seznam na dvě poloviny tak, aby součet sledovaných hodnot byl v obou částech zhruba stejný
 # Ke kódům symbolů  levé polovině připojit 0, ke kódům symbolů v pravé polovině připojit 1
-# Rekurzivně opakovat od '''kroku 4''' na levou i pravou polovinu seznamu [http://voho.eu/wiki/kodovani-shannon-fano/]
+# Rekurzivně opakovat od '''kroku 4''' na levou i pravou polovinu seznamu <ref name="voho"/>
+==Příklady==
+=== '''příklad 1)''' ===
-===Příklady===
-)
 {| class="wikitable"
 |-
@@ Řádek 55: / Řádek 58: @@
 | E || 2
 |}
-'''Inicializace'''
+[[File:1.PNG|thumb|200px|B)]]  [[File:2.PNG|thumb|200px|C)]][[File:3.PNG|thumb|200px|D)]]
-Seznam je (F,D,C,A,B,E). Kódy všech symbolů jsou prázdné.
+<table>
+<tr>
+<td> A)
 {| class="wikitable"
 |-
@@ Řádek 73: / Řádek 80: @@
 | E || -
 |}
-'''''Krok 1''''' = Rozdělit na dvě poloviny s přibližně stejným součtem četností
-* (F,D) - součet četností: 5 + 4 = 9
+</td>
-* (C,A,B,E) - součet četností: 4 + 3 + 3 + 2 = 12
+<td> B)
 {| class="wikitable"
-|-
 ! Symbol !! Kód
 |-
@@ Řádek 91: / Řádek 98: @@
 |-
 | E || 1
-|}                                               [[File:1.PNG|200px]]
+|}
-'''''Krok 2''''' = Nyní oba seznamy rozdělit na poloviny s přibližně stejným součtem četostí
+</td>
+<td> C)
 {| class="wikitable"
 |-
@@ Řádek 108: / Řádek 118: @@
 |-
 | E || 1 '''1'''
-|}                                               [[File:2.PNG|200px]]
+|}
-'''''Krok 3''''' = Seznamy (F) a (D) již rozložit nejdou, zbývá zpracovat seznamy (C,A) a (B,E). Opět oba rozložit na poloviny s přibližně stejným součtem četností.
+</td>
+<td> D)
 {| class="wikitable"
 |-
@@ Řádek 125: / Řádek 138: @@
 |-
 | E || 1 1 '''1'''
-|}                           [[File:3.PNG|200px]]
+|}
-'''''Výsledek'''''
+</td>
+<td>  Konečná verze
 {| class="wikitable"
 |-
@@ Řádek 142: / Řádek 158: @@
 |-
 | E || 1 1 1
-|}[http://voho.eu/wiki/kodovani-shannon-fano/]
+|}
-)
+</td>
+</tr>
+</table>
+'''Inicializace''' = Seznam je (F,D,C,A,B,E). Kódy všech symbolů jsou prázdné.
+'''''Krok 1''''' = Rozdělit na dvě poloviny s přibližně stejným součtem četností
+* (F,D) - součet četností: 5 + 4 = 9
+* (C,A,B,E) - součet četností: 4 + 3 + 3 + 2 = 12
+'''''Krok 2''''' = Nyní oba seznamy rozdělit na poloviny s přibližně stejným součtem četostí
+'''''Krok 3''''' = Seznamy (F) a (D) již rozložit nejdou, zbývá zpracovat seznamy (C,A) a (B,E). Opět oba rozložit na poloviny s přibližně stejným součtem četností.<ref name="voho"/>
+=== '''příklad 2)''' ===
 * Vstupní soubor: ABRAKADABRA
 * Jednotlivé znaky: A    B    D    K    R
 * Počty výskytů:   (5) (2) (1) (1) (2)
 * Vytvořený strom:
-[[File:strom.PNG|200px]][https://atrey.karlin.mff.cuni.cz/~tnovak/compress/huffman/shannon.html]
+[[File:ABDKR.PNG|200px]]<ref><i>Shannon-Fanovo kódování</i>. Dostupné také z: https://atrey.karlin.mff.cuni.cz/~tnovak/compress/huffman/shannon.html</ref>
+==Využití==
+#Využití distribuční funkce/kumulované pravděbodobnosti zdroje.
+#Při kompresy dat ve formátu ZIP.<ref>JAN, Outrata. <i>Komprese dat</i>. Dostupné také z: http://outrata.inf.upol.cz/courses/kd/komprese.pdf</ref>
+== Odkazy ==
+=== Reference ===
+<references />
-==Zdroje==
+=== Související články ===
-* BALÍK, Miroslav at al. Shannon-Fanovo kódování. Komprese dat [online]. Praha [cit. 2018-12-19]. Dostupné z: http://www.stringology.org/DataCompression/sf/index_cs.html
+[[Optimální (entropické) kódování informačního zdroje]]
-* HORDĚJČUK, Vojtěch. Shannon-Fanovo kódování. Vojta Hordějčuk aka voho [online]. 2008-2018 [cit. 2018-12-19]. Dostupné z: http://voho.eu/wiki/kodovani-shannon-fano/
-* ČERNÝ, Konrád. Teorie kódování - Shannon-Fanova metoda [online]. [cit. 2018-12-19]. Dostupné z: https://files.klaska.net/sites/files.klaska.net/files/manual_files/cvut/Teorie%20kodovani/Shannon-Fanovo%20k_dov_n_.pdf
-* Optimální (entropické) kódování informačního zdroje. Wikisofia [online]. [cit. 2018-12-19]. Dostupné z: https://wikisofia.cz/wiki/Optim%C3%A1ln%C3%AD_(entropick%C3%A9)_k%C3%B3dov%C3%A1n%C3%AD_informa%C4%8Dn%C3%ADho_zdroje
-* MATOUŠEK, Radomil. Metody kódování [online]. Brno, 2006 [cit. 2018-12-19]. Dostupné z: http://www.uai.fme.vutbr.cz/~matousek/TIK/TIKv19.pdf
-*Shannon-Fanovo kódování. TNT [online]. 1997 [cit. 2018-12-19]. Dostupné z: https://atrey.karlin.mff.cuni.cz/~tnovak/compress/huffman/shannon.html
+[[Huffmanove kódovanie]]
+[[Kódování]]
-[[Kategorie:Informační studia a knihovnictví]][[Kategorie:Hesla ke zpracování UISK]]
+=== Klíčová slova ===
+kódování, Shannon, Fano, Shannon-Fanovo kódování
+[[Kategorie:Informační studia a knihovnictví]]