基于LZW算法的數(shù)據(jù)無損壓縮硬件實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)分為有損壓縮和無損壓縮，算術(shù)編碼、游程編碼、霍夫曼和LZW壓縮是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮方法，屬于無損數(shù)據(jù)壓縮;而基于小波變換的數(shù)據(jù)壓縮和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼方式是近年來新發(fā)展起來的現(xiàn)代數(shù)據(jù)壓縮方法，屬于有損數(shù)據(jù)壓縮。本研究主要探討一種基于LZW算法的數(shù)據(jù)無損壓縮硬件實(shí)現(xiàn)。

　　1 LZW算法及其改進(jìn)算法

　　LZW壓縮算法在壓縮的過程中自適應(yīng)建立一個(gè)字典，以后的數(shù)據(jù)同字典中的數(shù)據(jù)相匹配，匹配上則輸出字典的索引。由于表示字典的索引所用的比特?cái)?shù)遠(yuǎn)小于字符的比特?cái)?shù)，從而達(dá)到壓縮的效果。這個(gè)生成的字典不需要隨著壓縮的數(shù)據(jù)一同傳輸，而是能夠根據(jù)壓縮的數(shù)據(jù)在解壓時(shí)重新動(dòng)態(tài)生成一模一樣的字典。

　　LZW編碼原理如圖1所示，在進(jìn)行壓縮時(shí)首先把字典中的前256(0～255)項(xiàng)初始為全部的256個(gè)8位字符，分別為十進(jìn)制數(shù)0～255。當(dāng)輸入第一個(gè)字符時(shí)，總是在字典中可以找到，直到新的字符X不在字典詞條中時(shí)，便將字符串IX加入到字典的第256項(xiàng)，以此類推。以字符串流5，6，7，8，9，5，5，6，6，7，8，9，5，…為例，表1給出了字典存儲(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)和壓縮過程中字典項(xiàng)的讀寫示意。壓縮后編碼輸出為5，6，7，8，9，5，256，257，259，…。

　　傳統(tǒng)的LZW壓縮算法采用8位數(shù)據(jù)輸入，固定長(zhǎng)度編碼輸出，隨著字典內(nèi)容的不斷增多，輸出編碼的位數(shù)不斷增加勢(shì)必造成資源的浪費(fèi)，也會(huì)損失壓縮率。另外，由于字典的容量有限，隨著壓縮過程的進(jìn)行，字典會(huì)被填滿，若是簡(jiǎn)單的不再向字典中增加內(nèi)容，那么后面的壓縮率就會(huì)降低，而如果將字典全部清除重新建立字典，在字典建立初期壓縮率也是很低的。針對(duì)以上不足，文獻(xiàn)對(duì)LZW算法做以下改進(jìn)：采用12位數(shù)據(jù)作為壓縮輸入，變長(zhǎng)度的碼字輸出。

　　壓縮字典最多可容納16 384個(gè)碼，共分為三部分，其中0～4 095為12位輸出，4 096～8 191為13位，8 192～16 383為14位。每當(dāng)輸出長(zhǎng)度變化時(shí)，同時(shí)輸出一個(gè)變長(zhǎng)標(biāo)識(shí)，便于解碼器解碼。[!--empirenews.page--]

　　2 LZW算法FPGA實(shí)現(xiàn)

　　2.1 算法實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)

　　LZW數(shù)據(jù)壓縮算法的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部功能模塊劃分如圖2所示。