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29 Organización de Datos (75.06)
46 Leandro Lucarella (77891)
48 Ricardo Markiewicz (78226)
51 Primera Entrega, 28 de Junio del 2004
55 \begin_inset LatexCommand \tableofcontents{}
65 Método de compresión utilizado
68 Dada la asignación de confeccionar un compresor de archivos de cualquier
69 índole, con alguna optimización particular para archivos de texto, hemos
70 optado por la implementación del esquema:
72 Block Sorting + Move to front + Huffman Estático.
76 Si bien un compresor estadístico final más robusto como el
84 podrían producir niveles de compresión un tanto mejores, a fines de resguardar
85 la confección de un compresor estable y poseer tiempo suficiente para realizar
86 pruebas y optimizaciones, se optó por el
91 No obstante, se comparó con una implementación de
95 de ejemplo obtenida de Internet y se observaron que los resultados eran
96 muy similares, a veces obteniendo un mejor nivel de compresión y a veces
97 obteniendo uno peor, descartando luego de estas pruebas la posibilidad
98 de extender el estático al dinámico.
101 Además de la capacidad natural de todo compresor (esto es, de comprimir/descompr
102 imir), la implementación que describiremos a continuación cuenta con característ
103 icas especiales que se verán detallados en la
106 \begin_inset LatexCommand \ref{sec:Features-Especiales}
113 Dichas características se resumen a:
116 Persistencia del Modelo Orden-0 de
131 (Agrupación de Ceros, aplicado a la salida del
142 (Optimización para textos detallada posteriormente)
148 Antes de pasar a la descripción de la implementación de nuestro compresor,
149 detallaremos el modo de uso.
157 Como hemos ancitipado anteriormente, el compresor cuenta con features especiales
158 que pueden ser utilizados a través de opciones en la invocación del programa.
159 Antes de pasar a su descripción, notamos la invocación general para comprimir
160 y descomprimir un archivo como se pidió en el enunciado
170 es un enlace simbólico a
174 , nombre real del ejecutable.
186 ./grupo11 -c [-t volsize] sourcefile targetfile
195 el nombre del archivo a comprimir y
199 el nombre del archivo comprimido.
208 ./grupo11 -d sourcefile targetfile
217 el nombre del archivo a descomprimir y
221 el nombre del archivo descomprimido.
231 opcional que permite generar un archivo comprimido multivolumen, donde
232 volsize será el tamaño en kbytes de cada volúmen, excepto el último que
237 \begin_inset LatexCommand \label{sub:Execution-Flags}
244 Ademas de los flags standards que hemos visto recién, nuestro compresor
245 cuenta con otra serie de ellos para la utilización de los features especiales
246 que veremos más adelante.
247 A fines de documentar la totalidad de los flags de ejecución, detallamos
248 los anteriores y los adicionales a continuación:
250 \labelwidthstring 00.00.0000
256 Indica que se desea comprimir un archivo (mutualmente exclusivo con
260 , al menos uno debe estar presente).
262 \labelwidthstring 00.00.0000
268 Indica que se desea descomprimir un archivo (mutualmente exclusivo con
273 , al menos uno debe estar presente).
275 \labelwidthstring 00.00.0000
281 Indica que se desea un archivo comprimido en multivolumenes.
282 Seguido a dicho flag se debe indicar el tamaño en KBytes que se desea para
285 \labelwidthstring 00.00.0000
291 Puede ser utilizado únicamente en una compresión y activa el feature de
298 \labelwidthstring 00.00.0000
304 Puede ser utilizado únicamente en una compresión y graba el modelo de orden-0
309 generado durante la compresión del archivo (en un archivo de extensión
317 ), para que luego pueda ser reutilizado en otra compresión.
319 \labelwidthstring 00.00.0000
325 Puede ser utilizado únicamente en una compresión y carga un modelo de orden-0
330 para ser utilizado en la compresión del archivo especificado, evitando
331 el escaneado del archivo a comprimir.
332 Deberá ser sucedido por el nombre del archivo que posee el modelo.
334 \labelwidthstring 00.00.0000
340 Especifica la calidad (nivel) de compresión.
341 Puede ser un valor entre 0 y 9, siendo 0 el menor nivel de compresión (más
342 rápido) y 9 el máximo (más lento).
343 Por omisión se utiliza un nivel de compresión 5.
344 \layout Subsubsection*
349 Damos a continuación unos breves ejemplos de invocación utilizando diferentes
353 Compresión multivolumen (de 1024KB, cada uno):
357 ./grupo11 -c -t 1024 libro.txt libro.j
368 ./grupo11 -cz libro.txt libro.j
371 Compresión grabando modelo de
379 ./grupo11 -cs libro.txt libro.j
382 Compresión con carga de
390 ./grupo11 -c libro.txt libro.j -m modelo.ftb
393 Compresión de máxima calidad y volúmenes de 100KB:
397 ./grupo11 -czt100 -q9 libro.txt libro.j
400 Descompresión de cualquiera de los anteriores:
404 ./grupo11 -d libro.j libro_descomprimido.txt
416 La técnica de Block Sorting
422 desde ahora lo llamaremos BS, para minimizar la notación.
425 tiene su principal desventaja en que es un algoritmo que consume muchos
426 recursos, y para ser una solución práctica debe ser trabajada para dar
427 resultados coherentes.
430 En una implementación simple, el BS debe crear una matriz y crear todos
431 los desplazamientos sobre ella.
432 Esto hace que se necesito
433 \begin_inset Formula $O(n^{2})$
437 \begin_inset Formula $n$
440 es la longitud del vector sobre el cual se quiere operar.
441 Claramente es un problema, ya que para una página pequeña, digamos 1kb,
442 se necesita una matriz de 1Mb.
445 El otro problema es el tiempo de ordenamiento de los desplazamientos, que
446 debe ser lo menor posible.
447 Una posibiliad es utilizar un método de ordenamiento de bajo órden, como
454 Se ha optado por utilizar el qsort de la libc por ser ANSI-C y tener una
455 técnica de selección del pivot aceptable.
458 utilizado en esta implementación.
459 Otra posible opción hubiera sido el Heap Sort, pero dada la complejidad
460 de su implementación no se creyó que diera una mejora factible y suficiente
461 apreciable como para implementarlo.
464 Como última opción se estudió el Radix Sort, ya que justamente nuestro dato
465 a ordenar es de longitud fija
466 \begin_inset Formula $n$
469 y se cuenta con un conjunto de
470 \begin_inset Formula $L=255$
473 elementos posibles a aparecer en el dato.
474 El orden de éste método sería
475 \begin_inset Formula $O(n*L)$
478 , pero para que realmente el Radix Sort sea efectivo, se requiere que
479 \begin_inset Formula $255=L<log_{2}(n)=15$
482 , por lo que fue descartado.
485 Para solucionar el problema del consumo de memoria se plateó un esquema
486 como el que se indica a continuación :
494 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
499 Dato | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
504 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
514 Desplazamientos | | |
558 | |---------------------------------------------------------+
566 El vector desplazamiento es una estructura de control que almacena :
569 La posición inicial de la palabra desplazada i en el Dato
572 La posición final de la palabra desplazada en el Dato ( se calcula como
576 La ganancia de este método es que se utilizan
577 \begin_inset Formula $2*n$
580 bytes de memoria solamente, es decir, que se bajó a O(n) el orden en memoria
584 Luego de inicializar el vector Desplazamiento (esta parte es
585 \begin_inset Formula $O(n)$
588 en tiempo) se ordena el vector utilizando el qsort, que es del orden de
590 \begin_inset Formula $O(n*log_{2}(n))$
599 En realidad es del orden de O(1.44*n*log2(n)), para el caso promedio.
603 Y como último paso se obtiene la salida recurriendo el vector Desplazamiento
604 ordenado y emitiendo el último byte de cada posición.
605 Si se detecta la posición donde la posición inicial sea 0, se obtiene el
609 Se debe aclara que los órdenes estimados más arriba se basan en la suposición
610 de que el orden de una comparación en
611 \begin_inset Formula $O(1)$
615 En el caso de tener que comprimir archivos donde los desplazamientos queden
616 iguales o solo cambien sobre el final, los órdenes se ven muy afectados.
617 Sin embargo, para el caso promedio no se comporta tan mal.
623 La idea básica del move to front es mantener una lista que represente los
624 símbolos del archivo o bloque a procesar, y a su vez coloca los símbolos
625 mas frecuentes al frente de esta lista.
632 \begin_inset Quotes eld
635 aaaabbabbbaaaaaccccbbccbbbbdddddbbbb
636 \begin_inset Quotes erd
643 \begin_inset Quotes eld
647 \begin_inset Quotes erd
653 Salida: 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 2 0 1 0 1 0 0 0 3 0 0 0 1 0
657 Un símbolo es codificado como el índice (ó posición) en la lista de símbolos
658 inicial (la cual contiene a todos los símbolos diferentes del archivo o
660 Al comenzar el proceso, se leen uno por uno los símbolos del archivo o
661 bloque original y este mismo símbolo es promovido hacia el frente de la
662 lista, de esta los símbolos mas frecuentes tienden a posicionarse al frente
666 Como este esquema es aplicado luego de ser procesado por el
670 tenemos la seguridad que existirá una fuerte localidad de símbolos en el
671 bloque de datos recibido, esto provocará que la salida del
675 posea una gran cantidad de cadenas de ceros consecutivos, que luego pueden
676 ser codificados nuevamente, lo que favorece la compresión final.
682 Si bien no ahondaremos en detalles de implementación que pueden observarse
683 en la documentación generada por doxygen que acompaña este informe, pasamos
684 a presentar la interfaz a través de la cual el usuario podrá utilizar este
686 Antes, es necesario comentar que el estado del compresor, se mantiene a
687 través de una estructura definida como
691 , en la cual se especificarán cosas tales como si el compresor actua sobre
692 archivos o chunks de datos, si es un huffman canonico o standard, archivo
693 a comprimir, archivo destino, etc.
698 El compresor y/o descompresor Huffman Estático, será inicializado y desinicializ
699 ado utilizando las rutinas:
705 HUFF_STATE *shuff_init_encoder_byfile(char *inputfile, char *outputfile,
712 HUFF_STATE *shuff_init_encoder_bychunk(char *outputfile, long volsize);
718 HUFF_STATE *shuff_init_decoder(char *inputfile, char *outputfile);
724 void shuff_deinit_encoder(HUFF_STATE *shuff);
730 void shuff_deinit_decoder(HUFF_STATE *shuff);
733 Para llevar a cabo la compresión efectiva de un archivo o chunks de datos,
734 se cuentan con las siguientes rutinas:
739 int shuff_encode_file(HUFF_STATE *shuff);
744 int shuff_decode_file(HUFF_STATE *shuff);
749 int shuff_scanfreq_chunk(HUFF_STATE *shuff, char* chunk, int chunksize);
754 int shuff_decode_chunk(HUFF_STATE *shuff, char *chunk, int chunksize, int
758 Operación sobre archivos o chunks
763 Dado que se requería la utilización de este compresor en la etapa final
764 de un BS+MTF, el mismo proporciona funcionalidad para comprimir directamente
765 un archivo especificado, o bien para realizar la compresión de chunks de
766 datos, que en nuestro caso serán las salidas del Move to Front.
769 Persistencia del Modelo Estadístico de Orden 0
774 A fines de poder grabar o cargar un modelo de orden-0 el cual simplemente
775 consiste en una tabla de frecuencias/probabilidades de los 255 symbolos
776 posibles en un archivo, dando lugar al Huffman Canónico que será explicado
777 posteriormente, se cuenta con dos funciones:
787 \begin_inset LatexCommand \label{sec:Features-Especiales}
791 Optimizaciones y Características adicionales
794 Como fue anticipado al inicio de este documento, nuestro compresor cuenta
795 con funcionalidad extra que permite en ciertos casos obtener mejores niveles
797 Pasamos a describir las mismas una por una, terminando por último con una
798 optimización específica para textos.
804 Dada la naturaleza del Huffman Estático que hemos implementado como el compresor
805 estadístico final de la cadena
809 , el mismo se vale de un modelo estadístico de orden-0, el cual es obtenido
810 realizando una pasada inicial al archivo a comprimir, en la cual obtiene
811 una tabla de frecuencias/probabilidades, y la cual es utilizada para generar
812 el árbol de Huffman, que a su vez da origen a una tabla de códigos prefijos
813 que finalmente es utilizada en el compresor, para codificar los símbolos
814 o caracteres del archivo original.
817 Dicho esto, destacamos la extensión que hemos realizado a nuestro compresor
818 de Huffman para que pueda guardar y/o cargar un modelo estadístico de orden-0
819 y el usuario pueda por ejemplo utilizar para comprimir cualquier archivo
820 de texto, un modelo que él crea óptimo para la compresión de dichos archivos,
821 en vez de generar un modelo diferente para cada archivo que comprime.
824 Esta capacidad de un compresor de Huffman, se la conoce como Huffman Canónico,
825 y se encuentra presente en nuestro compresor.
826 Para saber más sobre su modo de uso, dirigirse a la sección
829 \begin_inset LatexCommand \ref{sub:Execution-Flags}
841 Este algoritmo se aplica a la salida del
849 que aumenta la localidad, genera estadísticamente muchas secuencias de
851 Como el Huffman Estático no aprovecha esta característica (comprime igual
860 ), se buscó un método que sí la explote para optimizar el compresor y se
861 llegó a un algoritmo muy simple que bautizamos
868 Cada secuencia de ceros se codifica con 2 bytes, el primero es siempre 0
873 ) y el segundo indica la cantidad de ceros que le siguen.
874 En el caso de haber un byte de valor cero aislado, también se codifica
879 , que indica que viene un cero y luego de ese cero no viene ningún cero
880 más), expandiendo la salida, pero estos son casos aislados que estadísticamente
881 se ven superados por la cantidad de secuencias largas de ceros que son
882 comprimidas a sólo 2 bytes.
883 Además, la salida del
887 (Zero Grouping) es comprimida con Huffman por lo que en casos extremos
888 la expansión no se manifiesta en forma notoria.
891 Como la cantidad de ceros que le siguen al primero en una secuencia es expresada
892 con un byte, sólo se pueden comprimir a 2 bytes secuencias de hasta 256
893 ceros (el primer cero más los 0-255 siguientes).
894 De haber secuencias con mayor cantidad de ceros, simplemente se generan
907 la cantidad de ceros en la secuencia dividido 256, redondeando hacia arriba)
909 Por ejemplo, una secuencia de 257 ceros será expresada como
913 (2 grupos) y una de 525 como
915 0x00 0xFF 0x00 0xFF 0x00 0x0B
918 Nuevamente, se comprobó estadísticamente que las secuencias de ceros rara
919 vez superan los 50 ceros seguidos, por lo que de utilizar más de un byte
920 para expresar la cantidad de ceros que siguen al primero se obtendrían
922 \layout Subsubsection*
929 Salida de MTF: 0 0 0 0 0 0 1 5 3 0 0 0 0 12 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
935 Salida de ZG: 0 5 1 5 3 0 3 12 0 0 1 0 8 1 1
951 Como se puede ver, la salida del MTF es de 33 bytes, mientras que la del
956 es de 22 (incluso cuando hubieron expansiones).
957 Como se podrá ver en las pruebas del capítulo
958 \begin_inset LatexCommand \vref{cha:Benchmarks}
962 , en la mayoría de los casos se logra una mejora introduciendo este algoritmo,
963 y en casos extremos esta mejora llega obtener resultados con la mitad de
964 bpb (bits por byte) que la salida original del
974 Esta optimización se ha realizado específicamente para mejorar la compresión
975 de archivos de texto.
976 La base de esta técnica es la previa confección de un diccionario de palabras
977 (en nuestro caso 255 palabras máximo), a través del cual aplicando un pre-proce
978 samiento al archivo a comprimir, reemplazamos las palabras de ese diccionario
979 que se encuentren en el archivo, por un código de escape sucedido por el
980 índice en el diccionario de la palabra que se abrevia.
983 Es decir, si tenemos el siguiente diccionario de 4 palabras:
999 ; y poseemos el texto:
1002 \begin_inset Quotes eld
1014 \begin_inset Quotes erd
1019 , luego del pre-procesamiento tendremos:
1022 \begin_inset Quotes eld
1038 \begin_inset Quotes erd
1046 Para la confección de un buen diccionario, hemos desarrollado una utilidad
1047 que contabiliza las 255 palabras que más aparecen dentro de una fuente
1048 especificada, y luego del análisis de varios textos en castellano de toda
1049 índole (informáticos, novelas, noticias), se obtiene el diccionario que
1050 será entregado con el software.
1053 Documentación de la API
1056 Para obtener una documentación de la API, se incluye en formato HTML en
1057 el CD-ROM la documentación generada con Doxygen para los distintos componentes
1059 Esta documentación se encuentra en el directorio
1067 \begin_inset LatexCommand \label{cha:Benchmarks}
1074 Prueba Calgary Corpus
1077 El set de prueba Calgary Corpus Test es utilizado internacionalmente para
1078 la prueba y comparación de compresores, contando con archivos diseñados
1079 especificamente para estos fines.
1080 Es por ello que hemos utilizado dicho set y a continuación exponemos los
1084 Bench 1) JACU vs GZIP vs BZIP2
1087 Se prueba el set de Calgary utilizando nuestro compresor, y enfrentandolo
1088 al GZIP y BZIP2 en términos de tiempo utilizado para la compresion y nivel
1089 de compresión (bits per byte).
1090 Los resultados se dan a continuación, para dos configuraciones de PC distintas:
1094 \begin_inset Float table
1101 Comparación de compresores JACU, GZIP y BZIP2 con Test de Calgary Corpus,
1102 utilizando un microprocesador Athlon XP 1.7+ Thunderbird con 256 MB RAM.
1103 La compresión JACU se realiza con página default de 32 Kbytes.
1107 \begin_inset Tabular
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2472 de página en el Block Sorting, y comparando contra Zero Grouping y Word
2474 Las mediciones son en BPB (Bits per Byte)
2478 \begin_inset Tabular
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3751 \begin_inset Float table
3758 Comparación de tiempo de compresión con JACU utilizando distintos tamaños
3759 de página en el Block Sorting, y comparando contra Zero Grouping.
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