はじめに
今回はバイナリレンジコーダの続きとして、「混合法」という方法を用いたバイナリレンジコーダの改良について説明します。次に、適応型符号化の一種である「スプレー符号」について説明します。
●混合法によるバイナリレンジコーダの改良
混合法を簡単に説明すると、複数のモデルを混ぜ合わせて得られる出現確率を使って記号を符号化する方法です。混合法では「文脈木重み付け法 (Context-Tree Weighting : CTW)」が有名ですが、ちょっと難しいアルゴリズムです。そこで、今回は 2 つのモデルの出現頻度表（記号数）を加算するという簡単な方法を使うことにします。
基本的な考え方はとても簡単です。高次の有限文脈モデルと低次の有限文脈モデルを用意し、2 つのモデルから出現頻度表を選択します。そして、2 つの出現頻度表の記号数を加算して新しい出現頻度表を作成し、その出現確率を使って適応型レンジコーダで符号化します。
具体的には、バイナリレンジコーダのコンテキストごとに高次モデルと低次モデルを用意し、その 2 つの出現頻度表の記号数を加算します。とても簡単な方法ですが、バイナリレンジコーダのバイナリモデル、αモデル、γモデルなどに適用すると、圧縮率が向上する場合があります。ただし、バイナリレンジコーダよりもメモリを消費し、実行時間も遅くなる欠点があります。
なお、バイナリレンジコーダのコンテキストに混合法を適用する方法は、Yuta Mori さんの Web サイト white page で公開されているプログラムを参考にさせていただきました。素晴らしいプログラムを公開されている Yuta Mori さんに深く感謝いたします。
●プログラムの作成
それではプログラムを作りましょう。今回は高次モデルの次数を order-2 とし、低次モデルの次数を order-0 とします。最初にコンテキストを定義します。
リスト : コンテキストの定義 (混合法)
B_INC0 = 10
B_INC2 = 2
B_LIMIT = 0x200
# コンテキスト
class Context:
def __init__(self):
self.prev = 0
self.c0 = [1] * 5 # 0: order-0, 1 - 4: order-2
self.c1 = [1] * 5
# 記号 0 の出現頻度を求める
def get_c0(self):
return self.c0[0] + self.c0[self.prev + 1]
# 記号 1 の出現頻度を求める
def get_c1(self):
return self.c1[0] + self.c1[self.prev + 1]
クラス Context のインスタンス変数 prev に直前のビット列を記憶します。記号は {0, 1} の 2 種類しかないので、order-2 の状態は "00", "01", "10", "11" の 4 通りになります。インスタンス変数 c0 には記号 0 をカウントする配列、c1 には記号 1 をカウントする配列を用意します。添字 0 が order-0 で、添字 1 - 4 が order-2 に対応します。
なお、今までのように記号 {0, 1} のコンテキストを定義して、order-0 用と order-2 用のオブジェクトを生成する方法もあります。この場合、多数のオブジェクトが生成されるので、有限文脈モデル (order-2) で用いると、Python ではメモリを大量に消費することになります。今回はメモリの消費量を抑えるため配列を使いました。
記号 0 の出現頻度はメソッド get_c0 で求めます。order-0 の個数 c0[0] と order-2 の個数 c0[prev + 1] を加算して返します。order-2 を求めるときは prev に 1 を加算することをお忘れなく。同様に、記号 1 の出現頻度はメソッド get_c1 で求めます。このように、order-0 と order-2 の出現頻度を単純に加算するだけです。これで order-0 と order-2 のモデルを混合し、バイナリレンジコーダで符号化と復号を行うことができます。
次はコンテキストを更新するメソッド update() を作ります。
リスト : コンテキストの更新 (混合法)
def update(self, bit):
x = self.prev + 1
if bit > 0:
self.c1[0] += B_INC0
self.c1[x] += B_INC2
else:
self.c0[0] += B_INC0
self.c0[x] += B_INC2
if self.c0[0] + self.c1[0] >= B_LIMIT:
self.c0[0] = (self.c0[0] >> 1) | 1
self.c1[0] = (self.c1[0] >> 1) | 1
if self.c0[x] + self.c1[x] >= B_LIMIT:
self.c0[x] = (self.c0[x] >> 1) | 1
self.c1[x] = (self.c1[x] >> 1) | 1
self.prev = ((self.prev << 1) | bit) & 0x03
update() で出現頻度を更新するとき、記号数の増分値を変えると圧縮率が向上する場合があります。今回は order-0 と order-2 の増分値を B_INC0 (10) と B_INC2 (2) に設定しました。この方が少しですが圧縮率は良くなります。最後に prev を更新します。記号は {0, 1} しかないので、左へ 1 ビットシフトしてから OR で bit をセットし、0x03 と AND をとれば OK です。
符号化処理と復号処理は、記号の出現頻度を求めるときにメソッド get_c0(), get_c1() を呼び出すだけです。プログラムは簡単なので説明は割愛いたします。詳細は プログラムリスト１ をお読みください。
●評価結果１
それでは、実際に Canterbury Corpus で配布されているテストデータ The Canterbury Corpus を「バイナリモデル」で圧縮してみましょう。結果は次にようになりました。
表 : バイナリモデル (混合法) の結果
(B_LIMIT=0x200, 増分値=+4)
ファイル名 サイズ 混合法 符号化 復号
-------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 83,860 2.739 2.739
asyoulik.txt 125,179 71,851 2.295 2.295
cp.html 24,603 15,649 0.444 0.444
fields.c 11,150 6,426 0.197 0.197
grammar.lsp 3,721 2,113 0.066 0.066
kennedy.xls 1,029,744 356,084 18.130 18.130
lcet10.txt 426,754 233,333 7.730 7.730
plrabn12.txt 481,861 267,318 8.744 8.744
ptt5 513,216 63,440 8.647 8.647
sum 38,240 20,199 0.683 0.683
xargs.1 4,227 2,571 0.079 0.079
-------------------------------------------------
合計 2,810,784 1,122,844 49.754 45.544
符号化と復号の単位 : 秒
実行環境 : Python 3.8.10, Ubuntu 20.04 LTS (WSL1), Intel Core i5-6200U 2.30GHz
バイナリモデルに混合法を適用することで、どのファイルでも圧縮率は向上しています。特に、kennedy.xls の圧縮率は大幅に向上しました。今回のような簡単な方法でも、混合法は大きな効果を発揮するようです。ただし、実行時間はとても遅くなりました。2 つのモデルの出現頻度を加算しているので、バイナリレンジコーダよりも時間がかかるのは仕方がないでしょう。
ところで、バイナリモデルと混合法の組み合わせは、有限文脈モデルでも大きな効果を発揮します。order-1 と order-2 の実行結果を示します。
表 : 有限文脈モデル (混合法) の結果
ファイル名 サイズ order-0 order-1 order-2
---------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 83,860 64,860 52,185
asyoulik.txt 125,179 71,851 53,820 44,753
cp.html 24,603 15,649 11,436 9,356
fields.c 11,150 6,426 4,582 3,769
grammar.lsp 3,721 2,113 1,627 1,503
kennedy.xls 1,029,744 356,084 220,791 140,542
lcet10.txt 426,754 233,333 183,167 145,878
plrabn12.txt 481,861 267,318 203,410 170,445
ptt5 513,216 63,440 52,453 56,485
sum 38,240 20,199 16,997 16,208
xargs.1 4,227 2,571 2,124 2,061
---------------------------------------------------
合計 2,810,784 1,122,844 815,267 643,185
order-1, order-2 ともに、ほとんどのファイルで圧縮率が向上しています。特に、kennedy.xls の圧縮率は大幅に向上しました。kennedy.xls と混合法の相性はとても良いようです。ptt5 の場合、order-2 よりも order-1 の方が高い圧縮率になりました。それでも、ここまで圧縮率が向上するのですから、混合法の効果はとても高いと思います。
●評価結果２
今度は LZRC 符号に混合法を適用してみましょう。結果は次のようになりました。
表 : LZRC 符号 (混合法) の結果 (スライド窓 8 k) [1]
ファイル名 サイズ LZRC 符号化 復号
------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 58,732 2.221 1.539
asyoulik.txt 125,179 52,065 1.930 1.337
cp.html 24,603 8,276 0.311 0.209
fields.c 11,150 3,061 0.116 0.084
grammar.lsp 3,721 1,211 0.046 0.035
kennedy.xls 1,029,744 72,714 10.531 7.131
lcet10.txt 426,754 158,064 6.053 4.157
plrabn12.txt 481,861 209,778 7.869 5.609
ptt5 513,216 49,168 4.070 1.568
sum 38,240 13,170 0.518 0.326
xargs.1 4,227 1,718 0.064 0.045
------------------------------------------------
合計 2,810,784 627,957 33.729 22.040
符号化と復号の単位 : 秒
実行環境 : Python 3.8.10, Ubuntu 20.04 LTS (WSL1), Intel Core i5-6200U 2.30GHz
表 : LZRC 符号 (order-0) の結果 [2]
LHA
ファイル名 サイズ 8 k 32 k 64 k lh5(8k) lh6(32k)
---------------------------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 58,732 54,043 52,427 59,117 54,266
asyoulik.txt 125,179 52,065 48,811 47,813 52,341 48,915
cp.html 24,603 8,276 7,884 7,884 8,384 8,046
fields.c 11,150 3,061 3,061 3,061 3,170 3,172
grammar.lsp 3,721 1,211 1,211 1,211 1,271 1,272
kennedy.xls 1,029,744 72,714 64,876 62,040 198,342 205,745
lcet10.txt 426,754 158,064 144,265 138,690 159,558 144,419
plrabn12.txt 481,861 209,778 195,612 189,666 210,045 194,957
ptt5 513,216 49,168 50.202 50,728 52,305 53,196
sum 38,240 13,170 12,077 12,083 13,993 12,951
xargs.1 4,227 1,718 1,718 1,718 1,778 1,778
--------------------------------------------------------------------
合計 2,810,784 627,957 583,760 567,321 760,304 728,717
テキストファイルの圧縮率は少しですが向上しています。スライド窓が 8 k バイトの場合、テキストファイルの圧縮率は LHA とほぼ同じになりました。さらに、kennedy.xls の圧縮率はとても高くなりました。スライド窓を大きくした場合、ほとんどのファイルで圧縮率は少しですが向上しています。混合法の効果は十分に出ていると思います。そのかわり、実行時間は遅くなります。
次は有限文脈モデル (order-1) を適用した結果を示します。
表 : LZRC 符号 (order-1) の結果 (スライド窓 8 k) [1]
ファイル名 サイズ LZRC1 符号化 復号
------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 54,893 2.715 1.820
asyoulik.txt 125,179 47,883 2.426 1.658
cp.html 24,603 8,085 0.504 0.357
fields.c 11,150 3,108 0.293 0.218
grammar.lsp 3,721 1,250 0.219 0.175
kennedy.xls 1,029,744 70,683 10.424 6.824
lcet10.txt 426,754 146,381 6.891 4.656
plrabn12.txt 481,861 192,112 9.159 6.599
ptt5 513,216 46,857 4.557 1.795
sum 38,240 13,044 0.710 0.487
xargs.1 4,227 1,748 0.253 0.194
------------------------------------------------
合計 2,810,784 586,044 38.151 24.783
符号化と復号の単位 : 秒
実行環境 : Python 3.8.10, Ubuntu 20.04 LTS (WSL1), Intel Core i5-6200U 2.30GHz
表 : LZRC 符号 (order-1) の結果 [2]
LHA
ファイル名 サイズ 8 k 32 k 64 k lh5(8k) lh6(32k)
---------------------------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 54,893 51,765 50,583 59,117 54,266
asyoulik.txt 125,179 47,883 46,082 45,416 52,341 48,915
cp.html 24,603 8,085 7,741 7,741 8,384 8,046
fields.c 11,150 3,108 3,113 3,113 3,170 3,172
grammar.lsp 3,721 1,250 1,250 1,250 1,271 1,272
kennedy.xls 1,029,744 70,683 58,565 54,793 198,342 205,745
lcet10.txt 426,754 146,381 136,606 132,470 159,558 144,419
plrabn12.txt 481,861 192,112 183,602 179,609 210,045 194,957
ptt5 513,216 46,857 47.642 47,860 52,305 53,196
sum 38,240 13,044 12,071 12,074 13,993 12,951
xargs.1 4,227 1,748 1,748 1,748 1,778 1,778
--------------------------------------------------------------------
合計 2,810,784 586,044 550,185 536,657 760,304 728,717
混合法を適用することで kennedy.xls の圧縮率は大幅に向上しました。大きなテキストファイルも圧縮率は少し向上しますが、逆に圧縮率が悪くなるファイルもあります。混合法の効果は order-0 よりも少ないようです。それだけ order-1 の効果が大きいということでしょう。当然ですが、実行時間は遅くなります。
なお、実行時間の結果は M.Hiroi のコーディング、実行したマシン、プログラミング言語などの環境に大きく依存しています。また、これらの環境だけではなく、データの種類によっても実行時間はかなり左右されます。興味のある方は、いろいろなデータをご自分の環境で試してみてください。
●プログラムリスト１
#
# rangecoder2m.py : バイナリレンジコーダ (混合法)
#
# Copyright (C) 2007-2022 Makoto Hiroi
#
from rangecoder import *
B_INC0 = 10
B_INC2 = 2
B_LIMIT = 0x200
# コンテキスト
class Context:
def __init__(self):
self.prev = 0
self.c0 = [1] * 5 # 0: order-1, 1 - 4: order-2
self.c1 = [1] * 5
# 更新
def update(self, bit):
x = self.prev + 1
if bit > 0:
self.c1[0] += B_INC0
self.c1[x] += B_INC2
else:
self.c0[0] += B_INC0
self.c0[x] += B_INC2
if self.c0[0] + self.c1[0] >= B_LIMIT:
self.c0[0] = (self.c0[0] >> 1) | 1
self.c1[0] = (self.c1[0] >> 1) | 1
if self.c0[x] + self.c1[x] >= B_LIMIT:
self.c0[x] = (self.c0[x] >> 1) | 1
self.c1[x] = (self.c1[x] >> 1) | 1
self.prev = ((self.prev << 1) | bit) & 0x03
# 記号 0 の出現頻度を求める
def get_c0(self):
return self.c0[0] + self.c0[self.prev + 1]
# 記号 1 の出現頻度を求める
def get_c1(self):
return self.c1[0] + self.c1[self.prev + 1]
# 符号化
def encode(self, rc, bit):
c0 = self.get_c0()
c1 = self.get_c1()
temp = rc.range_ // (c0 + c1)
if bit > 0:
rc.low += temp * c0
rc.range_ = temp * c1
else:
rc.range_ = temp * c0
rc.encode_normalize()
self.update(bit)
# 復号
def decode(self, rc):
c0 = self.get_c0()
c1 = self.get_c1()
temp = rc.range_ // (c0 + c1)
if rc.low // temp < c0:
bit = 0
rc.range_ = temp * c0
else:
bit = 1
rc.low -= temp * c0
rc.range_ = temp * c1
rc.decode_normalize()
self.update(bit)
return bit
##### バイナリモデル (binary model) #####
# 出現頻度表
class Freq2:
def __init__(self, size):
self.size = size
self.context = [Context() for _ in range(size - 1)]
# 符号化
def encode(self, rc, code):
def encode_sub(node):
if node > 0:
p = (node - 1) // 2
encode_sub(p)
# 奇数は左の子 (1), 偶数は右の子 (0)
bit = node & 1
self.context[p].encode(rc, bit)
#
encode_sub(code + self.size - 1)
# 復号
def decode(self, rc):
node = 0
node_size = self.size - 1
while node < node_size:
bit = self.context[node].decode(rc)
if bit > 0:
# 1 は左の子
node = 2 * node + 1
else:
# 0 は右の子
node = 2 * node + 2
return node - node_size
##### αモデル #####
class AlphaFreq:
def __init__(self, size):
self.size = size - 1
self.context = [Context() for _ in range(size - 1)]
# 符号化
def encode(self, rc, c):
for x in range(self.size):
if x < c:
bit = 0
else:
bit = 1
self.context[x].encode(rc, bit)
if bit: break
# 復号
def decode(self, rc):
c = 0
while c < self.size:
bit = self.context[c].decode(rc)
if bit: break
c += 1
return c
##### γモデル #####
class BitsFreq:
def __init__(self, size):
self.size = size
self.context = [Context() for _ in range(size)]
# 符号化
def encode(self, rc, c):
for x in range(self.size):
bit = (c >> x) & 1
self.context[x].encode(rc, bit)
# 復号
def decode(self, rc):
c = 0
for x in range(self.size):
bit = self.context[x].decode(rc)
if bit: c |= bit << x
return c
class GammaFreq:
def __init__(self, size):
n2 = size >> 1
n1 = 0
while n2 > 0:
n1 += 1
n2 >>= 1
self.size = n1
self.context1 = AlphaFreq(n1 + 1)
self.context2 = [None] * (n1 + 1)
for x in range(1, n1 + 1):
self.context2[x] = BitsFreq(x)
# 符号化
def encode(self, rc, n):
n1 = 0
n2 = (n + 1) >> 1
while n2 > 0:
n1 += 1
n2 >>= 1
self.context1.encode(rc, n1)
if n1 > 0:
self.context2[n1].encode(rc, n + 1)
# 復号
def decode(self, rc):
n1 = self.context1.decode(rc)
if n1 > 0:
n2 = self.context2[n1].decode(rc)
n1 = (1 << n1) + n2 - 1
return n1
●スプレー符号
今回は スプレー木 を応用した符号化法である「スプレー符号 (Splay Tree Coding)」を紹介します。スプレー符号は「適応型符号化」の一種で、符号木に対してスプレー操作を適用することにより、頻繁に現れる記号に短い符号語を割り当てることができます。
●符号木のスプレー操作
スプレー木は二分木の一種で、節の子に順序をつける「順序木」です。このため、スプレー操作は「左の子 < 右の子」という関係を保つように行われます。ところが、符号木は節にデータを格納する必要がありません。このため、符号木のスプレー操作は拙作のページ スプレー木 で説明した方法とは異なります。
具体的には、出現した記号の符号語長が半分になるようにスプレー操作を行います。次の図を見てください。
上図の場合、A, B, C, D, E が葉で、0, 1, 2, 3 が節を表します。左の子をたどるときは符号 0 を、右の子をたどるときは符号 1 を割り当てます。(1) の場合、記号 A の符号語は 0 0 0 0 となります。
ここで A にスプレー操作を適用します。符号木にスプレー操作を適用する場合、記号を表す「葉」はスプレー操作を行ったあとでも「葉」でなければいけません。このため、スプレー符号のスプレー操作は、次に示す規則で葉や節を交換していくことで実現します。
- 移動する節を N, N の親節を P, P の親節を G とする。
- N が G の右部分木ならば、N と G の左の子を交換する。
- 逆に、N が G の左部分木ならば、N と G の右の子を交換する。
- 次は G を移動する（節 G を移動する節 N に置き換えて 1 に戻る）。
- 1 - 4 の操作を N または P がルートに達するまで繰り返す。
上図 (1) の場合、節 2 の右の子 C と A を交換して (2) の状態になります。そして、次は A を移動するのではなく、節 2 を移動します。この場合は節 0 の右の子 E と節 2 を交換して (3) の状態になります。次は節 0 を移動しますが、節 0 はルートなのでスプレー操作を終了します。記号 A の符号語は 1 1 になり、長さは半分になりました。
再度、A にスプレー操作を適用します。次の図を見てください。
上図 (3) の状態で、節 A にスプレー操作を適用します。節 0 の左部分木と節 A を交換するので、上図 (4) の状態になります。次は節 0 を移動しますが、節 0 はルートなのでスプレー操作を終了します。記号 A の符号語は 0 になり、長さは半分になりました。(4) の状態で、再度 A にスプレー操作を適用しても、A の親節 0 がルートなのでスプレー操作は行われません。
このように、スプレー符号は符号木にスプレー操作を適用することで、頻繁に現れる記号に短い符号語を割り当てることができます。そうはいっても、スプレー符号は符号木を変形するだけなので、これだけで高い圧縮率を達成できるというわけではありません。そこで、実際にプログラムを作って、スプレー符号の性能を確かめてみましょう。
●プログラムの作成
最初にスプレー符号を表すクラスを定義します。次のリストを見てください。
リスト : スプレー符号の定義
from bitio import *
class SplayCode:
def __init__(self, size):
self.size = size
self.parent = [None] * (2 * size - 1)
self.left = [None] * (size - 1)
self.right = [None] * (size - 1)
for x in range(size - 1):
self.parent[x] = (x - 1) // 2
self.left[x] = 2 * x + 1
self.right[x] = 2 * x + 2
for x in range(size - 1, 2 * size - 1):
self.parent[x] = (x - 1) // 2
クラス名は SplayCode としました。符号木の節は配列で表します。size が記号の種類、配列 parent が親節の番号、配列 left が左の子の番号、配列 right が右の子の番号を表します。記号の種類が size の場合、葉の個数が size になるので、節の個数は size - 1 個になります。parent の大きさは 2 * size - 1 になりますが、left と right は節の部分だけが必要なので大きさは size - 1 になります。
符号木はバランスの取れた状態に初期化します。節の番号を N とすると、次に示す式で初期化すると、木はバランスの取れた状態になります。
節 N : 左の子 : 2 * N + 1 右の子 : 2 * N + 2 親 : (N - 1) / 2
たとえば、記号の種類が 256 の場合、0 - 254 が節で、255 - 510 が葉になります。節の番号を x とすると、x が 0 - 254 の範囲では、parent[x] を (x - 1) / 2 に、left を (2 * x + 1) に、right を (2 * x + 2) に初期化します。255 - 510 の範囲では、parent を (x - 1) / 2 に初期化します。これで記号 0 - 255 の符号語長は 8 に初期化されます。
●スプレー操作
次はスプレー操作を行うメソッド splay() を作ります。
リスト : Splay 操作で符号長を半分にする
def splay(self, code):
n = self.size - 1 + code
while n > 0:
p = self.parent[n]
if p == 0: break
g = self.parent[p]
if self.left[g] == p:
gc = self.right[g]
self.right[g] = n
else:
gc = self.left[g]
self.left[g] = n
self.parent[n] = g
if self.left[p] == n:
self.left[p] = gc
else:
self.right[p] = gc
self.parent[gc] = p
n = g
先に説明したスプレー操作をそのままプログラムしています。変数 n が移動する節、p が n の親節、g が p の親節、gc が g の子を表します。記号 code の節番号は self.size - 1 + code になります。
最初に n の親節 p を求めて、それがルートであるかチェックします。そうであればスプレー操作を終了します。次に、p の親節 g を求めて、n が左右どちらの部分木にあるかチェックします。p が g の左の子であれば、n と g の右の子を交換します。gc に g の右の子をセットし、right[g] に n をセットします。逆に、p が右の子であれば、n と g の左の子を交換します。そして、parent[n] を g に書き換えます。
次に、p の子を gc に書き換えます。p の左の子が n であれば、left[p] を gc に書き換えます。そうでなければ、rigth[p] を gc に書き換えます。そして、parent[gc] を p に書き換えます。最後に、移動する節 n を g に書き換えます。もし、n がルートであればスプレー操作を終了します。そうでなければ、節 n を移動します。
●符号化
次は記号を符号化するメソッド encode() を作ります。
リスト : 記号の符号化
def encode(self, fout, code):
def encode_sub(n, p):
if p > 0: encode_sub(p, self.parent[p])
if self.right[p] == n:
fout.putbit(1)
else:
fout.putbit(0)
#
n = self.size - 1 + code
encode_sub(n, self.parent[n])
self.splay(code)
引数 fout は出力ファイル (BitIO のオブジェクト) で、code は符号化する記号です。符号化は記号の葉からルートに向かって木をたどって符号語を生成します。
実際の処理は内部関数 encode_sub() で行います。引数 n が節で、p はその親節です。p が 0 よりも大きい場合は encode_sub() を再帰呼び出ししてルート方向へ木をたどります。それから、左の枝には 0 を、右の枝には 1 の符号語を割り当てて、BitIO のメソッド putbit() で符号語を出力します。最後に、splay() でスプレー操作を行います。
●復号
次は記号を復号するメソッド decode() を作ります。
リスト : 記号の復号
def decode(self, fin):
n = 0
n_size = self.size - 1
while n < n_size:
if fin.getbit() == 1:
n = self.right[n]
else:
n = self.left[n]
code = n - n_size
self.splay(code)
return code
復号は入力ファイル fin から 1 ビットずつ読み込み、ルートから葉まで符号木をたどるだけです。n_size は記号 0 の番号を表します。n < n_size であれば、n はまだ節なので符号木をたどります。n >= n_size であれば n は葉に到達したので、while ループを終了して記号 code を求めます。そして、splay() でスプレー操作を行ってから code を返します。
●ファイルの符号化と復号
最後に符号化と復号を行う関数 encode() と decode() を作ります。
リスト : スプレー符号による符号化と復号
# 符号化
def encode(fin, fout):
sc = SplayCode(256)
for x in read_file(fin):
sc.encode(fout, x)
# 復号
def decode(fin, fout, size):
sc = SplayCode(256)
for _ in range(size):
fout.putc(sc.decode(fin))
スプレー符号は適応型符号化なので、どちらの処理も簡単です。SplayCode のオブジェクトを生成して変数 sc にセットします。符号化処理は read_file() でファイルから読み込んだ記号を sc.encode() で符号化します。復号処理は sc.decode() で記号を復号するだけです。
あとのプログラムは簡単なので説明は割愛いたします。詳細は下記プログラムリストをお読みください。
●評価結果
それでは、実際に Canterbury Corpus で配布されているテストデータ The Canterbury Corpus を圧縮してみましょう。結果は次にようになりました。
表 : スプレー符号の結果
ファイル名 サイズ Splay 符号化 復号
--------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 104,868 0.831 0.678
asyoulik.txt 125,179 90,030 0.723 0.572
cp.html 24,603 19,016 0.148 0.125
fields.c 11,150 7,879 0.065 0.055
grammar.lsp 3,721 2,509 0.024 0.022
kennedy.xls 1,029,744 500,991 4.364 3.549
lcet10.txt 426,754 289,919 2.305 1.821
plrabn12.txt 481,861 335,971 2.676 2.155
ptt5 513,216 109,739 1.199 0.868
sum 38,240 23,560 0.195 0.168
xargs.1 4,227 3,043 0.027 0.025
--------------------------------------------------
合計 2,810,784 1,487,525 12.557 10.038
符号化と復号の単位 : 秒
実行環境 : Python 3.8.10, Ubuntu 20.04 LTS (WSL1), Intel Core i5-6200U 2.30GHz
結果を見ればおわかりのように、スプレー符号の圧縮率はそれほど高くはありません。ハフマン符号やレンジコーダよりも悪くなります。ハフマン符号やレンジコーダは記号の出現確率を利用しているので、スプレー符号よりも圧縮率が高くなるのは当然のことです。ですが、符号木にスプレー操作を適用するだけのスプレー符号で、ここまでファイルを圧縮できるとは大変驚きました。スプレー符号は面白い方法だと思います。
スプレー符号の処理時間ですが、素朴な適応型レンジコーダよりも速く、高速化を施した適応型レンジコーダと同じくらいになりました。適応型符号化の中ではけっこう速いアルゴリズムだと思います。
なお、実行時間の結果は M.Hiroi のコーディング、実行したマシン、プログラミング言語などの環境に大きく依存しています。また、これらの環境だけではなく、データの種類によっても実行時間はかなり左右されます。興味のある方は、いろいろなデータをご自分の環境で試してみてください。
●有限文脈モデル
次はスプレー符号に「有限文脈モデル」を適用してみましょう。有限文脈モデルは、拙作のページ 有限文脈モデル で詳しく説明しています。よろしければ参考にしてください。
スプレー符号は適応型符号化の一種なので、有限文脈モデルの実装は簡単です。次のリストを見てください。
リスト : 有限文脈モデル (order-1)
# 符号化
def encode(fin, fout):
sc = [SplayCode(256) for _ in range(256)]
c0 = 0
for x in read_file(fin):
sc[c0].encode(fout, x)
c0 = x
# 復号
def decode(fin, fout, size):
sc = [SplayCode(256) for _ in range(256)]
c0 = 0
for _ in range(size):
x = sc[c0].decode(fin)
fout.putc(x)
c0 = x
order-1 の場合、256 個の符号木を用意します。符号木は配列 sc に格納します。そして、直前の記号 c0 に対応する符号木を sc[c0] から取り出します。あとは、この符号木を使って符号化・復号を行って、直前の記号 c0 の値を更新します。
order-2 のプログラムも簡単に作成できます。直前の 2 記号を変数 c0 と c00 に記憶しておいて、c0 と c00 の値によって符号木を選択します。ただし、order-2 は order-1 とは違って、メモリを大量に消費することに注意してください。詳細は下記プログラムリストをお読みください。
●評価結果
それでは、実際に Canterbury Corpus で配布されているテストデータ The Canterbury Corpus を圧縮してみましょう。結果は次にようになりました。
表 : スプレー符号の結果
ファイル名 サイズ order-0 order-1 order-2
------------------------------------------------------
alice29.txt 152,089 104,868 76,552 60,499
asyoulik.txt 125,179 90,030 62,095 51,638
cp.html 24,603 19,016 13,312 10,732
fields.c 11,150 7,879 4,941 4,314
grammar.lsp 3,721 2,509 1,713 1,698
kennedy.xls 1,029,744 500,991 384,575 199,899
lcet10.txt 426,754 289,919 215,078 167,295
plrabn12.txt 481,861 335,971 243,581 200,811
ptt5 513,216 109,739 101,377 104,618
sum 38,240 23,560 17,761 17,898
xargs.1 4,227 3,043 2,326 2,284
------------------------------------------------------
合計 2,810,784 1,487,525 1,123,311 821,686
order-0 と order-1 を比べると圧縮率は大幅に向上してます。order-1 の圧縮率はハフマン符号や適応型レンジコーダ (order-0) よりも高くなります。order-2 の場合、ほとんどのファイルで圧縮率は向上しますが、order-1 よりも悪くなるファイルもあります。全体的に見ると、有限文脈モデルはスプレー符号でも大きな効果を発揮するようです。
●参考文献 (スプレー符号)
- 井谷宣子, 吉田茂, 『圧縮ソフト SLC/ELC のアルゴリズム』, C MAGAZINE 2004 年 10 月号, ソフトバンクパブリッシング
●プログラムリスト２
#
# splaycode.py : スプレー符号 (splay tree coding)
#
# Copyright (C) 2007-2022 Makoto Hiroi
#
from bitio import *
class SplayCode:
def __init__(self, size):
self.size = size
self.parent = [None] * (2 * size - 1)
self.left = [None] * (size - 1)
self.right = [None] * (size - 1)
for x in range(size - 1):
self.parent[x] = (x - 1) // 2
self.left[x] = 2 * x + 1
self.right[x] = 2 * x + 2
for x in range(size - 1, 2 * size - 1):
self.parent[x] = (x - 1) // 2
# Splay 操作で符号長を半分にする
def splay(self, code):
n = self.size - 1 + code
while n > 0:
p = self.parent[n]
if p == 0: break
g = self.parent[p]
if self.left[g] == p:
gc = self.right[g]
self.right[g] = n
else:
gc = self.left[g]
self.left[g] = n
self.parent[n] = g
if self.left[p] == n:
self.left[p] = gc
else:
self.right[p] = gc
self.parent[gc] = p
n = g
# 符号化
def encode(self, fout, code):
def encode_sub(n, p):
if p > 0: encode_sub(p, self.parent[p])
if self.right[p] == n:
fout.putbit(1)
else:
fout.putbit(0)
#
n = self.size - 1 + code
encode_sub(n, self.parent[n])
self.splay(code)
# 復号
def decode(self, fin):
n = 0
n_size = self.size - 1
while n < n_size:
if fin.getbit() == 1:
n = self.right[n]
else:
n = self.left[n]
code = n - n_size
self.splay(code)
return code
●プログラムリスト３
#
# sc0.py : スプレー符号 (order-0)
#
# Copyright (C) 2007-2022 Makoto Hiroi
#
import argparse, os.path, time
from splaycode import *
# ファイルの読み込み
def read_file(fin):
while True:
c = fin.getc()
if c is None: break
yield c
# order-0 の符号化
def encode(fin, fout):
sc = SplayCode(256)
for x in read_file(fin):
sc.encode(fout, x)
# order-0 の復号
def decode(fin, fout, size):
sc = SplayCode(256)
for _ in range(size):
fout.putc(sc.decode(fin))
# 符号化
def encode_file(name1, name2):
size = os.path.getsize(name1)
with ByteIO(name1, ROPEN) as fin, BitIO(name2, WOPEN) as fout:
fout.putbits(32, size)
if size > 0: encode(fin, fout)
# 復号
def decode_file(name1, name2):
with BitIO(name1, ROPEN) as fin, ByteIO(name2, WOPEN) as fout:
size = fin.getbits(32)
if size > 0: decode(fin, fout, size)
# オプション解析
parser = argparse.ArgumentParser(description='SplayCode(order-0)符号')
parser.add_argument('name1', help='入力ファイル')
parser.add_argument('name2', help='出力ファイル')
parser.add_argument('-e', '--encode', action='store_true', help='符号化')
parser.add_argument('-d', '--decode', action='store_true', help='復号')
args = parser.parse_args()
# 実行
s = time.time()
if args.encode and not args.decode:
encode_file(args.name1, args.name2)
elif args.decode:
decode_file(args.name1, args.name2)
else:
print('option error')
e = time.time()
print('{:.3f}'.format(e - s))
●プログラムリスト４
#
# sc1.py : スプレー符号 (order-1)
#
# Copyright (C) 2007-2022 Makoto Hiroi
#
import argparse, os.path, time
from splaycode import *
# ファイルの読み込み
def read_file(fin):
while True:
c = fin.getc()
if c is None: break
yield c
# order-1 の符号化
def encode(fin, fout):
sc = [SplayCode(256) for _ in range(256)]
c0 = 0
for x in read_file(fin):
sc[c0].encode(fout, x)
c0 = x
# order-1 の復号
def decode(fin, fout, size):
sc = [SplayCode(256) for _ in range(256)]
c0 = 0
for _ in range(size):
x = sc[c0].decode(fin)
fout.putc(x)
c0 = x
# 符号化
def encode_file(name1, name2):
size = os.path.getsize(name1)
with ByteIO(name1, ROPEN) as fin, BitIO(name2, WOPEN) as fout:
fout.putbits(32, size)
if size > 0: encode(fin, fout)
# 復号
def decode_file(name1, name2):
with BitIO(name1, ROPEN) as fin, ByteIO(name2, WOPEN) as fout:
size = fin.getbits(32)
if size > 0: decode(fin, fout, size)
# オプション解析
parser = argparse.ArgumentParser(description='SplayCode(order-1)符号')
parser.add_argument('name1', help='入力ファイル')
parser.add_argument('name2', help='出力ファイル')
parser.add_argument('-e', '--encode', action='store_true', help='符号化')
parser.add_argument('-d', '--decode', action='store_true', help='復号')
args = parser.parse_args()
# 実行
s = time.time()
if args.encode and not args.decode:
encode_file(args.name1, args.name2)
elif args.decode:
decode_file(args.name1, args.name2)
else:
print('option error')
e = time.time()
print('{:.3f}'.format(e - s))
●プログラムリスト５
#
# sc2.py : スプレー符号 (order-2)
#
# Copyright (C) 2007-2022 Makoto Hiroi
#
import argparse, os.path, time
from splaycode import *
# ファイルの読み込み
def read_file(fin):
while True:
c = fin.getc()
if c is None: break
yield c
# order-2 の符号化
def encode(fin, fout):
sc = [[None] * 256 for _ in range(256)]
c0 = 0
c00 = 0
for x in read_file(fin):
if sc[c00][c0] is None:
sc[c00][c0] = SplayCode(256)
sc[c00][c0].encode(fout, x)
c00 = c0
c0 = x
# order-2 の復号
def decode(fin, fout, size):
sc = [[None] * 256 for _ in range(256)]
c0 = 0
c00 = 0
for _ in range(size):
if sc[c00][c0] is None:
sc[c00][c0] = SplayCode(256)
x = sc[c00][c0].decode(fin)
fout.putc(x)
c00 = c0
c0 = x
# 符号化
def encode_file(name1, name2):
size = os.path.getsize(name1)
with ByteIO(name1, ROPEN) as fin, BitIO(name2, WOPEN) as fout:
fout.putbits(32, size)
if size > 0: encode(fin, fout)
# 復号
def decode_file(name1, name2):
with BitIO(name1, ROPEN) as fin, ByteIO(name2, WOPEN) as fout:
size = fin.getbits(32)
if size > 0: decode(fin, fout, size)
# オプション解析
parser = argparse.ArgumentParser(description='SplayCode(order-2)符号')
parser.add_argument('name1', help='入力ファイル')
parser.add_argument('name2', help='出力ファイル')
parser.add_argument('-e', '--encode', action='store_true', help='符号化')
parser.add_argument('-d', '--decode', action='store_true', help='復号')
args = parser.parse_args()
# 実行
s = time.time()
if args.encode and not args.decode:
encode_file(args.name1, args.name2)
elif args.decode:
decode_file(args.name1, args.name2)
else:
print('option error')
e = time.time()
print('{:.3f}'.format(e - s))
改訂 2022 年 9 月 23 日