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LZW字典压缩改进算法研究及FPGA硬件实现

作　者: 王智
导　师: 邵建华; 殷奎喜
学　校: 南京师范大学
专　业: 电路与系统
关键词: 无损压缩 LZW字典压缩 压缩率 FPGA
分类号: TN911.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 70次
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内容摘要


随着计算机技术的飞速发展,数据压缩技术必然成为解决海量信息存储、传输的关键技术。数据压缩技术主要分为有损数据压缩和无损数据压缩。其中,无损数据压缩广泛应用于航天、医疗等技术领域。常用的数据无损压缩技术有Huffman编码、算术编码、行程编码等。LZW数据压缩编码是一种基于字典的无损数据压缩方式,LZW字典压缩编码在统计特性未知时具有较高的自适应能力和编码效率,所以该算法已经成为计算机文件压缩的标准算法并广泛应用于图像压缩、文本压缩中。本文的主要内容包括以下几个方面,首先是介绍了几种常见的无损数据压缩算法及相关数据压缩的理论基础,并将几种压缩算法进行比较；第二是以LZW压缩算法为主要研究对象,研究了LZW压缩算法的编解码实现方式并通过MATLAB进行软件仿真实现该算法,在此基础上针对LZW压缩编码在文件压缩初期压缩率低、编码输出为固定长度的码流、字典溢出之后不再对字典进行更新这三方面不足进行了改进,其中改进算法包括LZW和Huffman算法相结合、8bit～12bit变长编码和先进先出的字典更新策略；第三是将改进算法应用于英文文件压缩和数字灰度图像压缩中,并将LZW改进算法和LZW算法、Huffinan算法进行比较,分析改进算法存在的优势；第四是依据改进算法提出了FPGA硬件压缩器的体系结构,介绍各子模块实现方案,根据FPGA并行处理数据的特征将容量为4096的字典划分为十个不同的小字典,且字典宽度变长,从而减少了存储空间,减少了芯片面积,同时该硬件体系基于字典的分割方式采用了一种并行的字典搜索匹配策略,极大的提高了字符串的匹配速度和编码速度。设计完成后,在Altera公司的QuartusII平台上对LZW改进算法进行仿真和综合,验证了LZW改进算法的可行性和实用性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 数据压缩理论的产生和发展  8-10
    1.1.1 数据压缩的产生  8
    1.1.2 数据压缩的发展  8-10
  1.2 课题的研究背景  10-12
    1.2.1 数据压缩的基本定义  10-11
    1.2.2 数据压缩的应用范围及其必要性  11-12
    1.2.3 无损数据压缩的应用领域及意义  12
  1.3 本课题的提出及研究意义  12-13
  1.4 论文内容简介与章节安排  13-14
  1.5 总结  14-15
第2章 基本理论和常用算法  15-28
  2.1 信息量、熵和冗余度  15-16
  2.2 数据压缩的分类  16-17
  2.3 Huffman(哈夫曼)编码  17-19
    2.3.1 Huffman编码原理  17-18
    2.3.2 Huffman编码的特点  18-19
  2.4 算术编码  19-22
    2.4.1 算术编码概述及编码原理  19-22
    2.4.2 算术编码的特点  22
  2.5 LZ系列数据字典压缩算法  22-27
    2.5.1 LZ77算法  22-23
    2.5.2 LZ78算法  23-25
    2.5.3 LZSS算法  25-27
  2.6 总结  27-28
第3章 LZW字典压缩及其改进算法  28-39
  3.1 LZW算法  28-34
    3.1.1 LZW基本压缩算法  29-31
    3.1.2 LZW解码算法  31-33
    3.1.3 LZW字典压缩算法的优缺点  33-34
  3.2 LZW字典压缩的改进算法  34-37
    3.2.1 对于LZW字典编码初期压缩效率低的改进  34-35
    3.2.2 对于输入数据较大时LZW分配固定码字的改进  35-36
    3.2.3 选择合适的字典容量并通过FIFO方式对字典进行更新  36-37
  3.3 LZW压缩编码和LZW改进算法的比较  37-38
  3.4 总结  38-39
第4章 LZW改进算法的应用  39-50
  4.1 LZW改进算法在英文文本压缩中的应用  39-43
    4.1.1 字符划分  39
    4.1.2 字典初始化  39-40
    4.1.3 实验结果及比较分析  40-43
  4.2 LZW改进算法在灰度图像压缩中的应用  43-50
    4.2.1 灰度分类  43-44
    4.2.2 图像数据重组  44
    4.2.3 隐藏掩膜图像  44-48
    4.2.4 LZW改进算法压缩图像  48-50
第5章 LZW改进算法的FPGA实现  50-56
  5.1 硬件实现和软件实现的区别  50
  5.2 FPGA内部体系划分与仿真  50-56
    5.2.1 字典存储模块设计  51-53
    5.2.2 并行查找与匹配方法设计  53
    5.2.3 字典更新模块设计  53-54
    5.2.4 仿真结果  54-56
第6章 总结和展望  56-58
  6.1 论文工作总结  56-57
  6.2 未来研究展望  57-58
参考文献  58-61
在读期间发表的学术论文与研究成果  61-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 信息论 > 信源编码理论
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