张海桐-20122586-基于matlab算术编码的编码和解码系统设计
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Key words: Source coding; Coding and decoding; MATLAB ;GUI interface
目录
第 1 章 绪论.............................................................................................................................. 1 1.1 算数编码研究背景及意义............................................................................................ 1 1.2 算数编码算法的发展历程............................................................................................ 1 1.3 算数编码的思想.............................................................................................................2 1.4 算数编码的译码思想.................................................................................................... 2
根据设计要求，应用 matlab 进行编码和译码。在 GUI 界面里输入一个字符串， 得出结果。并进行解码，验证输入的字符串。 三、基本工作量
1.相应的实例解析。 2.相应的程序框图。 3.设计 GUI 界面 4.参考文献不少于 10 篇，其中外文文献不少于 2 篇。 四、应遵守的法规及主要参考文献 1.有关信源编码的文献及资料。 2.有算数编码的资料。 3.有关 GUI 界面设计的资料。 4.有编码和解码的文献及资料。 五、进度安排 1—2 周 生产实习 3—6 周 毕业实习，熟悉软件，查阅相关资料，完成开题报告 7—9 周 确定完成系统的思路，制定具体设计计划 10—14 周 进行具体设计 15—16 周 毕业设计说明书撰写
年月日
毕业设计开题报告
题目
基于 matlab 的算数编码的编解码系统的设计
学生姓名 张海桐
学号 20122586 班级 电 1205-2 专业 通信工程
一、研究背景及现状 信源编码是为了减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号的平均信息量，
对信源输出的符号序列所施行的变换。具体说，就是针对信源输出符号序列的统 计特性来寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的 各码元所载荷的平均信息量最大，同时又能保证无失真地恢复原来的符号序列。 既然信源编码的基本目的是提高码字序列中码元的平均信息量，那么，一切旨在 减少剩余度而对信源输出符号序列所施行的变换或处理，都可以在这种意义下归 入信源编码的范畴，例如过滤、预测、域变换和数据压缩等。当然，这些都是广 义的信源编码。
This design mainly the arithmetic coding were studied. Using MATLAB language to achieve, and to show in a simple GUI interface. According to the principle of arithmetic coding, characteristics and Research on arithmetic coding method to analysis of specific arithmetic coding scheme and implement programs with MATLAB language. On the arithmetic coding encoding and decoding process of the analysis and elaboration.
算术编码是一种无失真的编码方法，能有效地压缩信源冗余度，使编成的码 率趋于信的熵，它是无损压缩的一种。算术编码的基本原理是：根据信源可能发 现的不同符号序列的概率，把 [0,1)区间划分为互不重叠的子区间，子区间的宽 度恰好是各符号序列概率。这样信源发出的不同符号序列将与各子区间一一对 应 ， 因此每个子区间内的任意个实数都可以用来表示对应的符号序列，这个数 就是该符号序列所对应的码字。显然，串符号序列发生的概率越大，对应的子区 间就越宽，要表达它所用的比特数就减少，因相应的码字就越短。算术编码可以 是静态的或者自适应的。在静态算术编码中，信源符号的概率是固定的。本课程 设计中以静态算术编码算法进行仿真。在自适应算术编码中，自适应算术编码在 对符号序列进行扫描的过程中，可一次完成两个过程，即根据恰当的概率估计模 型和当前符号序列中各符号出现的频率，自适应地调整各符号的概率估计值，同 时完成编码。信源符号的概率根据编码时符号出现的频繁程度动态地进行修改， 在编码期间估算信源符号概率的过程叫做建模。需要开发态算术编码的原因是因 为事先知道精确的信源概率是很难的，而且是不切实际的。当压缩消息时，我们 不能期待一个算术编码器获得最大的效率，所能做的最有效的方法是在编码过程 中估算概率。尽管从编码效率上看不如已知概率表的情况，但正是由于算术编码 自适应的调整对个符号概率的估计值，这点比哈弗曼编码相比，具有实时性好、 灵活性高、适应性强等特点，在图像压缩、视频图像编码等领域都得到了广泛的 应用。
本设计最终能够完成算数编码的编解码过程，对字符串进行编码显示，并能完整 的译回原来的字符串。
关键词 ：信源编码；编码和译码； MATLAB；GUI 界面
Abstract
With the rapid development of the society. Nowadays the mainstream development direction has already entered the information, is the combination of computer and digital era. In today's society digital is an important direction of development. Of the source code can be digitized. Source coding theory is the most important, it is an important branch of information theory. It is necessary to understand the theorem: lossless source coding theorem and limit the distortion of source coding theorem.
题目
基于 matlab 的算术编码的编解码系统设计
学生姓名 张海桐 学号 20122586 班级 电 1205-2 班 专业
通信工程
承担指导任务单位 电气与电子工程学院 导师姓名
刘颖娜
导师职称 讲师
一、设计要求 本次设计要求设计出编码和译码的方案，主要设计编码和译码部分，并辅以必
要的程序流程图，能阐明系统的工作方式。具体方案为设计出编码和译码系统。编 码实现对字符串的转化，译码实现对输入字符串的验证。其中，编码结果经解码要 和原来输入的字符串一样。 二、基本内容
年月日
摘要
随着社会的飞速发展，当今生活的主流发展方向早已步入信息化,是数字化与计 算机相结合的时代。当今社会数字化是重要的发展方向。对信源进行编码可实现数字 化。信源编码理论最为重要，它是信息论的一个重要分支。这就需要了解它的定理： 无失真信源编码定理和限失真信源编码定理。
本设计主要对算术编码进行研究。用 MATLAB 语言实现，并用简单的 GUI 界面 来显示。根据算术编码的原理、特点以及研究算术编码的方法，到具体算术编码方案 的分析并用 MATLAB 语言实现方案。都重点对算术编码的编解码过程进行了分析和 阐述。
1.解除相关性：使序列中的各个符号尽可能地互相独立。 2.概率均匀化：使编码中各个符号出现的概率尽可能地相等。 3.依据信源符号的发生概率对码区间分割的过程。静态和动态算数编码过程框 图分析。 4.仿真：本课程设计的软件算术编码输入的自符类型固定，每个字符的概率也 是固定的。输入的自符类型有“abcdef”每次输入字符，更新字符的起始、终止区 间。等最后一个字符编码完成后，取起始值和终至值的中点作为编码的结果输出。 译码的时候，读取编码的输出结果，找到所在的区间，依次译出编码前输入的字 符信息。报并采取相应措施，使其恢复到正常值。 四、进度计划 1—2 周 确定课题下达任务书。 3—6 周 可行性分析、需求分析完成开题报告和文献综述工作。 7—9 周 对无失真信源编码理论进行研究 10—14 周 完成仿真进行成果归纳、整理、总结 15—16 周 撰写毕业设计报告论文作好答辩准备。
石家庄铁道大学毕业设计
基于 matlab 的算术编码的 编解码系统设计
Design of Arithmetic Encoding and Decoding System Based on Matlab
2016 届 专业 学号 学生姓名 指导教师
电气与电子工程 学院 通信工程 20122586 张海桐 刘颖娜
完成日期 2016ห้องสมุดไป่ตู้年 6 月 11 日
毕业设计成绩单
学生
张海桐 学号 20122586 班级 姓名
电 1205-2 班
专业
通信工程
毕业设计题目
基于 matlab 的算数编码的编解码系统系统
指导教师姓名
指导教师职称
指导 教师 答辩 小组 组长 成绩：
评定成绩 得分 得分
院长签字： 年月日
毕业设计任务书
第 2 章 信源编码......................................................................................................................3 2.1 信源编码的介绍.............................................................................................................3 2.2 信源编码的定义.............................................................................................................3 2.3 信源编码的目的.............................................................................................................4 2.4 信源编码的原理.............................................................................................................4 2.4.1 离散无记忆信源的定长编码定理.........................................................................6 2.4.2 离散无记忆信源的变长编码定理.........................................................................6
二、设计内容 根据设计要求和国家标准，设计一套算数编码/编解码系统具体方案，达到对
编码/解码的过程。 三、设计方案及预期达到的目标
本次设计方案主要是通过 matlab 的运行界面，能够说明系统运行状况。该设 计方案预期达到以下目标：针对信源输出符号序列的统计特性，寻找一定的方法 把信源输出符号序列变换为最短的码字序列。
目录
第 1 章 绪论.............................................................................................................................. 1 1.1 算数编码研究背景及意义............................................................................................ 1 1.2 算数编码算法的发展历程............................................................................................ 1 1.3 算数编码的思想.............................................................................................................2 1.4 算数编码的译码思想.................................................................................................... 2
根据设计要求，应用 matlab 进行编码和译码。在 GUI 界面里输入一个字符串， 得出结果。并进行解码，验证输入的字符串。 三、基本工作量
1.相应的实例解析。 2.相应的程序框图。 3.设计 GUI 界面 4.参考文献不少于 10 篇，其中外文文献不少于 2 篇。 四、应遵守的法规及主要参考文献 1.有关信源编码的文献及资料。 2.有算数编码的资料。 3.有关 GUI 界面设计的资料。 4.有编码和解码的文献及资料。 五、进度安排 1—2 周 生产实习 3—6 周 毕业实习，熟悉软件，查阅相关资料，完成开题报告 7—9 周 确定完成系统的思路，制定具体设计计划 10—14 周 进行具体设计 15—16 周 毕业设计说明书撰写
年月日
毕业设计开题报告
题目
基于 matlab 的算数编码的编解码系统的设计
学生姓名 张海桐
学号 20122586 班级 电 1205-2 专业 通信工程
一、研究背景及现状 信源编码是为了减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号的平均信息量，
对信源输出的符号序列所施行的变换。具体说，就是针对信源输出符号序列的统 计特性来寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的 各码元所载荷的平均信息量最大，同时又能保证无失真地恢复原来的符号序列。 既然信源编码的基本目的是提高码字序列中码元的平均信息量，那么，一切旨在 减少剩余度而对信源输出符号序列所施行的变换或处理，都可以在这种意义下归 入信源编码的范畴，例如过滤、预测、域变换和数据压缩等。当然，这些都是广 义的信源编码。
This design mainly the arithmetic coding were studied. Using MATLAB language to achieve, and to show in a simple GUI interface. According to the principle of arithmetic coding, characteristics and Research on arithmetic coding method to analysis of specific arithmetic coding scheme and implement programs with MATLAB language. On the arithmetic coding encoding and decoding process of the analysis and elaboration.
算术编码是一种无失真的编码方法，能有效地压缩信源冗余度，使编成的码 率趋于信的熵，它是无损压缩的一种。算术编码的基本原理是：根据信源可能发 现的不同符号序列的概率，把 [0,1)区间划分为互不重叠的子区间，子区间的宽 度恰好是各符号序列概率。这样信源发出的不同符号序列将与各子区间一一对 应 ， 因此每个子区间内的任意个实数都可以用来表示对应的符号序列，这个数 就是该符号序列所对应的码字。显然，串符号序列发生的概率越大，对应的子区 间就越宽，要表达它所用的比特数就减少，因相应的码字就越短。算术编码可以 是静态的或者自适应的。在静态算术编码中，信源符号的概率是固定的。本课程 设计中以静态算术编码算法进行仿真。在自适应算术编码中，自适应算术编码在 对符号序列进行扫描的过程中，可一次完成两个过程，即根据恰当的概率估计模 型和当前符号序列中各符号出现的频率，自适应地调整各符号的概率估计值，同 时完成编码。信源符号的概率根据编码时符号出现的频繁程度动态地进行修改， 在编码期间估算信源符号概率的过程叫做建模。需要开发态算术编码的原因是因 为事先知道精确的信源概率是很难的，而且是不切实际的。当压缩消息时，我们 不能期待一个算术编码器获得最大的效率，所能做的最有效的方法是在编码过程 中估算概率。尽管从编码效率上看不如已知概率表的情况，但正是由于算术编码 自适应的调整对个符号概率的估计值，这点比哈弗曼编码相比，具有实时性好、 灵活性高、适应性强等特点，在图像压缩、视频图像编码等领域都得到了广泛的 应用。
本设计最终能够完成算数编码的编解码过程，对字符串进行编码显示，并能完整 的译回原来的字符串。
关键词 ：信源编码；编码和译码； MATLAB；GUI 界面
Abstract
With the rapid development of the society. Nowadays the mainstream development direction has already entered the information, is the combination of computer and digital era. In today's society digital is an important direction of development. Of the source code can be digitized. Source coding theory is the most important, it is an important branch of information theory. It is necessary to understand the theorem: lossless source coding theorem and limit the distortion of source coding theorem.
题目
基于 matlab 的算术编码的编解码系统设计
学生姓名 张海桐 学号 20122586 班级 电 1205-2 班 专业
通信工程
承担指导任务单位 电气与电子工程学院 导师姓名
刘颖娜
导师职称 讲师
一、设计要求 本次设计要求设计出编码和译码的方案，主要设计编码和译码部分，并辅以必
要的程序流程图，能阐明系统的工作方式。具体方案为设计出编码和译码系统。编 码实现对字符串的转化，译码实现对输入字符串的验证。其中，编码结果经解码要 和原来输入的字符串一样。 二、基本内容
年月日
摘要
随着社会的飞速发展，当今生活的主流发展方向早已步入信息化,是数字化与计 算机相结合的时代。当今社会数字化是重要的发展方向。对信源进行编码可实现数字 化。信源编码理论最为重要，它是信息论的一个重要分支。这就需要了解它的定理： 无失真信源编码定理和限失真信源编码定理。
本设计主要对算术编码进行研究。用 MATLAB 语言实现，并用简单的 GUI 界面 来显示。根据算术编码的原理、特点以及研究算术编码的方法，到具体算术编码方案 的分析并用 MATLAB 语言实现方案。都重点对算术编码的编解码过程进行了分析和 阐述。
1.解除相关性：使序列中的各个符号尽可能地互相独立。 2.概率均匀化：使编码中各个符号出现的概率尽可能地相等。 3.依据信源符号的发生概率对码区间分割的过程。静态和动态算数编码过程框 图分析。 4.仿真：本课程设计的软件算术编码输入的自符类型固定，每个字符的概率也 是固定的。输入的自符类型有“abcdef”每次输入字符，更新字符的起始、终止区 间。等最后一个字符编码完成后，取起始值和终至值的中点作为编码的结果输出。 译码的时候，读取编码的输出结果，找到所在的区间，依次译出编码前输入的字 符信息。报并采取相应措施，使其恢复到正常值。 四、进度计划 1—2 周 确定课题下达任务书。 3—6 周 可行性分析、需求分析完成开题报告和文献综述工作。 7—9 周 对无失真信源编码理论进行研究 10—14 周 完成仿真进行成果归纳、整理、总结 15—16 周 撰写毕业设计报告论文作好答辩准备。
石家庄铁道大学毕业设计
基于 matlab 的算术编码的 编解码系统设计
Design of Arithmetic Encoding and Decoding System Based on Matlab
2016 届 专业 学号 学生姓名 指导教师
电气与电子工程 学院 通信工程 20122586 张海桐 刘颖娜
完成日期 2016ห้องสมุดไป่ตู้年 6 月 11 日
毕业设计成绩单
学生
张海桐 学号 20122586 班级 姓名
电 1205-2 班
专业
通信工程
毕业设计题目
基于 matlab 的算数编码的编解码系统系统
指导教师姓名
指导教师职称
指导 教师 答辩 小组 组长 成绩：
评定成绩 得分 得分
院长签字： 年月日
毕业设计任务书
第 2 章 信源编码......................................................................................................................3 2.1 信源编码的介绍.............................................................................................................3 2.2 信源编码的定义.............................................................................................................3 2.3 信源编码的目的.............................................................................................................4 2.4 信源编码的原理.............................................................................................................4 2.4.1 离散无记忆信源的定长编码定理.........................................................................6 2.4.2 离散无记忆信源的变长编码定理.........................................................................6
二、设计内容 根据设计要求和国家标准，设计一套算数编码/编解码系统具体方案，达到对
编码/解码的过程。 三、设计方案及预期达到的目标
本次设计方案主要是通过 matlab 的运行界面，能够说明系统运行状况。该设 计方案预期达到以下目标：针对信源输出符号序列的统计特性，寻找一定的方法 把信源输出符号序列变换为最短的码字序列。