信息论与编码课程设计报告

信息论与编码课程设计报告

设计题目：计算信源熵、哈夫曼编码

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

教师评分

年月日

目录

一、课程设计目的 ................................................................................... 错误！未定义书签。

二、课程设计思路、流程及结果........................................................ 错误！未定义书签。

(1) 题目一： (1)

2.1设计思路 (1)

2.2程序流程图 (2)

2.3程序运行及结果 (3)

(2) 题目二： (4)

2.1设计思路 (4)

2.2程序流程图 (5)

2.3程序运行及结果 (6)

三、心得体会 (6)

参考文献 ......................................................................................................................................... 附录：源程序 ................................................................................................................................

一、课程设计目的

进一步让学生深刻理解信源熵的概念以及最佳码哈夫曼编码的原理，信源熵的计算方法以及哈夫曼编码过程。让学生掌握利用程序编程的原理实现信源熵计算和最佳码哈夫曼编码，增加学生的自主动手能力，培养学生的编程能力。

二、课程设计思路、流程及结果

（1）题目一

计算信源熵：

统计任意文本文件中各字符（不区分大小写）数量，计算字符概率，并计算信源熵。

2.1设计思路

使用c语言进行程序编写，利用c语言中的文件打开函数fopen()打开记事本文件，再利用fgetc()函数将记事本中的字母读取出来放在一个数组中，同时用一个变量记录读取的字母的个数，最后通过信源熵计算公式进行信源熵计算。

2.2程序流程图

2.3程序运行及结果

（2）题目二

哈夫曼编码：

任意输入消息概率，利用哈夫曼编码方法进行编码，并计算信源熵和编码效率。

2.1设计思路

利用c语言中的结构体进行程序编写，建立两个结构体，用来存放哈夫曼树的节点和存放哈夫曼码。

设置一个结构数组TreeNode 保存哈夫曼树中各结点的信息。根据二叉树的性质可知，具有n个叶子结点的哈夫曼树共有2n-1 个结点，所以数组TreeNode 的大小设置为2n-1 。TreeNode 结构中有weight, lchild, rchild 和parent 域。其中，weight 域保存结点的权值, lchild 和rchild 分别保存该结点的左、右孩子的结点在数组HuffNode 中的序号，从而建立起结点之间的关系。为了判定一个结点是否已加入到要建立的哈夫曼树中，可通过parent 域的值来确定。初始时parent 的值为-1。当结点加入到树中去时，该结点parent 的值为其父结点在数组HuffNode 中的序号，而不会是-1 了。

求哈夫曼码：

设置一个结构体数组TreeType保存哈夫曼码，TreeType结构中有bit，start。bit 字符数组用来保存哈夫曼码，start用来保存码长。根据哈夫曼树的节点中的parent 找到父节点，根据父节点中的lchild和rchlid给TreeType中的bit赋值0或者1，然后根据parent结构体中的parent找到下一个节点重复上边的步骤，知道parent 的值为-1，表示该概率的码字结束。

2.2程序流程图

N

2.3程序运行及结果

三、心得体会

本次课程设计，我主要担任程序设计任务，在编写程序之前我先看了一下以前学过的c语言程序书，复习一下c语言的基本语法知识。第一个题目的程序设计主要用到了一个fopen函数来打开文本文件，将里边的字符读取出来进行处理。第二个题目编写起来有些难度，参考了网上的一些哈夫曼树建立的一些理论知识和程序，其中在建立树节点联系中比较困难，最后通过两个结构体数组分别保存对方的数组的数组序号建立联系。设计中也遇到了其他的困难，但最终在我和小伙伴的努力下共同克服困难，完成了最终的课程设计，心里还是比较高兴的。

参考文献

[1]曹雪红，张宗橙《信息论与编码》[2]清华大学出版社.2009.

[2]贾宗璞，许合利《C语言程序设计》人民邮电出版社.2010.

附录

源程序1：

#include

#include

#include

main()

{

FILE *fp; //设置文件指针

char c,filename[30];

int a[26]={0},m,j;

float b[26]={0},sum=0.0;

double H=0;

printf("Enter a file name:");

scanf("%s",filename);

if ((fp=fopen(filename,"r"))==NULL) //文件打开

{

printf("File %s can't open\n",filename);

exit(0);

}

while ((c=fgetc(fp))!=EOF) //顺序读取文件中的字符并将各个字母的统计值放在a中

{

sum++;

if (c>='a'&&c<='z')

{

int i;

m='a';

for(i=0;i<26;i++)

{

if(c==m)

{

a[i]++;

break;

}

else

m++;

}

}

else if (c>='A'&&c<='Z')

{

int i;

m='A';

for (i=0;i<26;i++)

{

if (c==m)

{

a[i]++;

break;

}

else

m++;

}

}

}

for (j=0;j<26;j++) //计算各个字母的概率{

b[j]=a[j]/sum;

}

for (j=0;j<26;j++) //计算信源熵

{

if(b[j]!=0)

H+=-b[j]*log10(b[j])/log10(2);

}

for (j=0;j<26;j++) //输出显示

{

printf(" %c&%c=%-3d ",j+'a',j+'A',a[j]);

printf("P(%c)=%f\n",j+'a',b[j]);

}

printf (" H=%lf\n",H);

fclose(fp);

}

源程序2：

#include

#include

#include

#define kMaxBit 20 //码字的最大长度

#define kMaxLeaf 50 //输入概率的最多个数#define kMaxNode kMaxLeaf*2-1 //节点的最大值

#define kMaxValue 1

typedef struct //码树节点结构体

{

int parent;

float weight;

int lchild;

int rchild;

}TreeNode;

typedef struct //码字结构体

{

char bit[kMaxBit];

int start;

}TreeType;

CreatTree(TreeNode TNode[kMaxNode],int n) //码树构建函数{

int x1,x2,i,j;

float m1,m2;

for(i=0;i<2*n-1;i++) //所有码树节点机构体初始化

{

TNode[i].parent=-1;

TNode[i].weight=0.0;

TNode[i].lchild=-1;

TNode[i].rchild=-1;

}

for(i=0;i

{

printf("请输入第%d个节点的概率:\n",i);

scanf("%f",&TNode[i].weight);

}

for(i=0;i

m1=m2=kMaxValue;

x1=x2=0;

for(j=0;j

{

if(TNode[j].weight

{

m2=m1;

x2=x1;

m1=TNode[j].weight;

x1=j;

}

else if(TNode[j].weight

{

m2=TNode[j].weight;

x2=j;

}

}

TNode[x1].parent=n+i;

TNode[x2].parent=n+i;

TNode[n+i].weight=TNode[x1].weight+TNode[x2].weight;

TNode[n+i].lchild=x1;

TNode[n+i].rchild=x2;

}

}

main()

{

TreeNode TN[kMaxNode];

TreeType Code[kMaxLeaf],cd;

int n,i,j,c,p,cdnum;

float H,K; //设置信源熵

H=K=0;

printf("请输入数据的总量:\n");

scanf("%d",&n);

CreatTree(TN,n);

for(i=0;i

{

cdnum=n-1;

c=i;

p=TN[i].parent;

while(p!=-1)

{

if(TN[p].lchild==c)

cd.bit[cdnum]='1';

else

cd.bit[cdnum]='0';

c=p;

p=TN[p].parent;

cdnum--;

}

for(j=0;j

{

Code[i].bit[j]=cd.bit[cdnum+1+j];

Code[i].start=n-1-cdnum;

}

}

for(i=0;i

{

printf("%f ",TN[i].weight);

if(TN[i].weight!=0)

H+=(-(TN[i].weight)*log10(TN[i].weight))/log10(2);

K+=(TN[i].weight)*Code[i].start;

for(j=0;j

printf("%c",Code[i].bit[j]);

printf("\n");

}

printf("信源熵H=%f\n",H);

printf("平均码长K=%f\n",K);

printf("编码效率R=%f\n",H/K);

}