Huffmani kodeerimine

Huffmani kodeerimine on prefikskoodide üks liik. Huffmani kodeerimise idee on asendada olemasolev sümboleid kirjeldav bitijada ümber nõnda, et informatsiooni hulgas tihemini esinevad tähemärgid saaksid kirjeldatud lühema bitijadaga. Tulemuseks on informatsiooni kirjeldus esinemistihedust eelistaval ja minimaalset tähemärkide hulka kasutaval alusel. Informatsiooni kirjeldav andmehulk ei pruugi väheneda ja võib eriolukorras isegi kasvada, kuid tegemist on tihendusalgoritmiga, mis tavateksti pakkimisel saavutab märgatava erinevuse (tihti üle 30%).

Algoritmi rakendamine 
Huffmani kodeerimisalgoritm põhineb konkreetse informatsiooni tähemärkide sageduse põhjal binaarpuu ehitamisel ja sellest tähemärkide bitijada kirjeldava kodeerimistabeli loomisel. Faili tihendamise puhul kirjeldatakse väljundfaili puud ja algse sisendfaili sisu. Tähemärgid asendatakse uue kodeeringuga.

Otsese informatsiooni sisaldava faili tihendamisel on mõned lahendamist vajavad kitsaskohad. Näiteks tuleb teha väljundfaili lõpu tuvastus, sest tõenäoliselt ei lõpe fail baidi pealt, vaid selles on mõnebitine ülejääk.

Binaarpuu rakendamiseks kasutatav struktuur

Puu ehitamisel kasutatavad mõisted 
Leht – element, mille tähemärgi numbrikood on määratud positiivselt, harud jäävad ühendamata (tal pole neid).
Vars – element, mille tähemärgi numbrikood on vaid algväärtustatud, harud on väärtustatud, esinemistihedus on varre harudes olevate elementide esinemistiheduse summa.
Juur – element, mille harusid pidi võib jõuda kõigi lehtedeni.
Haru – elemendi viide sama tüüpi elemendile.

Puu ehitamise algoritm 
 Luuakse lehtede massiiv, milles on tähemärgid ja nende esinemissagedused.
 Massiiv sorditakse esinemissageduse alusel.
 Luuakse uus vars, mille harud ühendatakse kahe väiksema esinemissagedusega elemendiga massiivis.
 Massiivi lisatakse vars ja eemaldatakse selle harudes asetsevad elemendid.
 Lisatud varre esinemissageduseks määratakse selle harudes olevate elementide summa.
 Kui massiivis on järgi vaid üks element, on puu valmis, kui mitte, korratakse algoritmi alates punktist 2.

Kodeerimistabeli loomise rekursiivne algoritm 
 Saadakse viit puu juurele.
 Kui tegemist on lehega, lisatakse kodeerimistabelisse loodud kood ja koodi pikkus.
 Kui varrel on vasakpoolne (esimene) haru olemas, pikendatakse koodi ja pöördutakse punkti 1.
 Kui varrel on parempoolne (teine) haru olemas, määratakse koodi viimane bitt 1ks, pikendatakse koodi ja pöördutakse punkti 1.

Tõenäoliselt pole raske iteratiivset algoritmi luua, kuid seda pole vaja, sest tähed on üldjuhul kirjeldatud 8 bitiga, mille kõigi kombinatsioonide hulk on 256.

Kodeerimistabeli näide 
Kodeerimistabeli element koosneb vormist ja pikkusest ning kõik elemendid saavad pärast seda algoritmi määratud unikaalsete bitijadadega. Allpool on tabel eelneva ja uue kodeeringu erinevustest. Kodeerimistabeli informatsiooniks on sõne "this is an example of a huffman tree".

 Kodeerimistabel:
  Tähemärk ' ' nr(32)	| binaarkood:00100000 | uus binaarkood:111
  Tähemärk 'a' nr(97)	| binaarkood:01100001 | uus binaarkood:001
  Tähemärk 'e' nr(101)	| binaarkood:01100101 | uus binaarkood:000
  Tähemärk 'f' nr(102)	| binaarkood:01100110 | uus binaarkood:1101
  Tähemärk 'h' nr(104)	| binaarkood:01101000 | uus binaarkood:1100
  Tähemärk 'i' nr(105)	| binaarkood:01101001 | uus binaarkood:1001
  Tähemärk 'l' nr(108)	| binaarkood:01101100 | uus binaarkood:01101
  Tähemärk 'm' nr(109)	| binaarkood:01101101 | uus binaarkood:1000
  Tähemärk 'n' nr(110)	| binaarkood:01101110 | uus binaarkood:1011
  Tähemärk 'o' nr(111)	| binaarkood:01101111 | uus binaarkood:01100
  Tähemärk 'p' nr(112)	| binaarkood:01110000 | uus binaarkood:01111
  Tähemärk 'r' nr(114)	| binaarkood:01110010 | uus binaarkood:01110
  Tähemärk 's' nr(115)	| binaarkood:01110011 | uus binaarkood:1010
  Tähemärk 't' nr(116)	| binaarkood:01110100 | uus binaarkood:0101
  Tähemärk 'u' nr(117)	| binaarkood:01110101 | uus binaarkood:01001
  Tähemärk 'x' nr(120)	| binaarkood:01111000 | uus binaarkood:01000

Vaata ka
Andmete pakkimine
LZ77
Lempel-Ziv-Welch
ASCII

Välislingid

 Program for explaining the Huffman Coding procedure.
 Huffman Code Applet
 n-ary Huffman Template Algorithm
 Sloane A098950 Minimizing k-ordered sequences of maximum height Huffman tree
 Computing Huffman codes on a Turing Machine
 Mordecai J. Golin, Claire Kenyon, Neal E. Young "Huffman coding with unequal letter costs" (PDF), STOC 2002: 785-791
 Huffman Coding: A CS2 Assignment a good introduction to Huffman coding
 A quick tutorial on generating a Huffman tree
 Pointers to Huffman coding visualizations
 Huffman in C
 Huffman in Java
 Huffman binary algorithm applet
 Implementation approaches to Huffman Decoding

Algoritmid