2022-05-24 游程编码与位图压缩（C++）

游程编码与位图压缩

游程编码
位图
具体算法

游程编码

如果一个二进制数据是大量重复的 0000… 连接大量的 1111… ，我们就可以用每段数字的长度进行描述，压缩数据。

比如 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 00000000 可以被描述为 8 8 32.

代表8个0，连接8个1，连接32个0.

对于一些杂乱的信息，可能没有太多的压缩能力，但对于位图这种比较特殊的结构数据，则可能存在较为适应的压缩。

位图

我们所见的黑白位图，最朴素的描述方法是长 * 宽 bool 矩阵，比如：
4 * 4 矩阵：

而位图，通常要大很多，如果连续的重复序列非常多，就可以用游程编码进行压缩了。

具体算法

我们通常用一个固定位数的数值，比如char的8位表示长度，通过二进制读取原文件，一个个数重复的序列的长度，将长度用char表示，但由于位数原因，char最多表示255的长度，更长的情况，则用中间插0的方式解决。

比如我有265个连续的0，此时就用 255 0 10 表示，255个连续的0，0个连续的1，10个连续的0.

代码：还是二进制读写，略改动，这个玩具类设计很不C++，使用中还是有陷阱，仅供参考。

#ifndef BINSTDIO
#define BINSTDIO#include <bitset>
#include <cassert>
#include <iostream>
#include <string>namespace BIO
{struct cbin
{//单例模式，不可实体化cbin() = delete;//比特流是否为空static auto isEmpty() -> bool{return std::cin.eof();}//读取1位数据并返回一个bool值static auto readBool() -> bool{if (isEmpty()){std::cerr << "EOF" << std::endl;buffer = -1;N = -1;}if (N == 0){fillBuffer();}N--;bool bit = buffer[N];return bit;}//读取8位数据并返回一个char值static auto readChar() -> unsigned char{if (isEmpty()){std::cerr << "EOF" << std::endl;buffer = -1;N = -1;}if (N == buffersize){auto x = buffer;fillBuffer();return x.to_ulong() & bufferfill;}auto x = buffer;x <<= (buffersize - N);int oldN = N;fillBuffer();if (isEmpty()){std::cerr << "EOF" << std::endl;buffer = -1;N = -1;}N = oldN;x |= (buffer >> N);return x.to_ulong() & bufferfill;}//读取r(1~16)位数据并返回一个char值static auto readChar(int r) -> unsigned char{if (r < 1 || r > 2 * buffersize){throw std::string("Illegal value for r = ") + std::to_string(r);}if (r == buffersize){return readChar();}unsigned char x = 0;for (int i = 0; i != r; ++i){x <<= 1;bool bit = readBool();if (bit){x |= 1;}}return x;}static auto readInt() -> int{int x = 0;for (int i = 0; i < 4; i++){unsigned char c = readChar();x <<= buffersize;x |= c;}return x;}//关闭比特流static void close(){std::cin.setstate(std::ios::eofbit);}//静态初始化static void begin(){fillBuffer();}private://读流到缓冲区static void fillBuffer(){if (std::cin.read(reinterpret_cast<char *>(&buffer),sizeof(unsigned char))){N = buffersize;}else{std::cerr << "EOF" << std::endl;buffer = -1;N = -1;}}static constexpr int buffersize = 8;static constexpr unsigned int bufferfill = 0xff;//缓冲区static std::bitset<buffersize> buffer;//缓冲区比特指针static int N;
};
constexpr int buffersize = 8;
std::bitset<buffersize> cbin::buffer;
int cbin::N;struct cbout
{cbout() = delete;//刷新缓冲流static void flush(){clearBuffer();std::cout.flush();}//写入指定的比特static void write(bool bit){writeBit(bit);}//写入指定的8位字符static void write(unsigned char c){writeByte(c);}static void write(unsigned int x){writeByte((x >> 3 * buffersize) & bufferfill);writeByte((x >> 2 * buffersize) & bufferfill);writeByte((x >> buffersize) & bufferfill);writeByte((x >> 0) & bufferfill);}//写入指定字符的第r(1~16)位static void write(unsigned char c, int r){if (r == buffersize){write(c);}if (r < 1 || r > 2 * buffersize){throw std::string("Illegal value for r = ") + std::to_string(r);}for (int i = 0; i != r; ++i){bool bit = ((c >> (r - i - 1)) & 1) == 1;writeBit(bit);}}//关闭比特流static void close(){clearBuffer();std::cout.flush();}private:static void writeBit(bool bit){buffer <<= 1;if (bit){buffer |= 1;}N++;if (N == buffersize){clearBuffer();}}static void writeByte(unsigned int x){assert(x >= 0 && x < 256);unsigned char c = static_cast<unsigned char>(x);if (N == 0){std::cout.write(reinterpret_cast<char *>(&c),sizeof(unsigned char));return;}for (int i = 0; i != buffersize; ++i){bool bit = ((c >> (buffersize - i - 1)) & 1) == 1;writeBit(bit);}}static void clearBuffer(){if (N <= 0){return;}if (N > 0){buffer <<= (buffersize - N);}std::cout.write(reinterpret_cast<char *>(&buffer),sizeof(unsigned char));N = 0;buffer = 0;}static constexpr unsigned int bufferfill = 0xff;static constexpr unsigned int buffersize = 8;//缓冲区static std::bitset<buffersize> buffer;//缓冲区比特指针static int N;
};std::bitset<buffersize> cbout::buffer;
int cbout::N;inline void BinaryDump(char *argv[])
{cbin::begin();int width = std::stoi(argv[1]);int cnt = 0;for (cnt = 0; !cbin::isEmpty();){if (width == 0){continue;}if (cnt != 0 && cnt % width == 0){std::cout << '\n';}if (cbin::readBool() && !cbin::isEmpty()){std::cout << '1';++cnt;}else if (!cbin::isEmpty()){std::cout << '0';++cnt;}}std::cout << std::endl;std::cout << cnt << " bits" << std::endl;
}
} // namespace BIO
#endif

游程编码代码：

#include "BinStdio_2.h"
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>void expand()
{bool b = false;while (true){unsigned char cnt = BIO::cbin::readChar();if (!BIO::cbin::isEmpty()){for (int i = 0; i != cnt; ++i){BIO::cbout::write(b);}b = !b;}else{break;}}BIO::cbout::close();
}void compress()
{unsigned char cnt = 0;bool b = false;bool old = false;while (true){b = BIO::cbin::readBool();if (!BIO::cbin::isEmpty()){if (b != old){BIO::cbout::write(cnt);cnt = 0;old = !old;}else{if (cnt == 255){BIO::cbout::write(cnt);cnt = 0;BIO::cbout::write(cnt);}}cnt++;}else{break;}}BIO::cbout::write(cnt);BIO::cbout::close();
}auto main(int /*argc*/, char *argv[]) -> int
{//    BIO::BinaryDump(argv);if (argv[1][0] == '-'){compress();}if (argv[1][0] == '+'){expand();}return 0;
}

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