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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 volumen, excepto el último que
237 \begin_inset LatexCommand \label{sub:Execution-Flags}
244 Además de los flags estándar que hemos visto recién, nuestro compresor cuenta
245 con otra serie de ellos para la utilización de los características 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 (mutuamente exclusivo con
260 , al menos uno debe estar presente).
262 \labelwidthstring 00.00.0000
268 Indica que se desea descomprimir un archivo (mutuamente exclusivo con
272 , al menos uno debe estar presente).
274 \labelwidthstring 00.00.0000
280 Indica que se desea un archivo comprimido en multivolumenes.
281 Seguido a dicho flag se debe indicar el tamaño en KBytes que se desea para
284 \labelwidthstring 00.00.0000
290 Puede ser utilizado únicamente en una compresión y activa el feature de
297 \labelwidthstring 00.00.0000
303 Puede ser utilizado únicamente en una compresión y graba el modelo de orden-0
308 generado durante la compresión del archivo (en un archivo de extensión
316 ), para que luego pueda ser reutilizado en otra compresión.
318 \labelwidthstring 00.00.0000
324 Puede ser utilizado únicamente en una compresión y carga un modelo de orden-0
329 para ser utilizado en la compresión del archivo especificado, evitando
330 el escaneado del archivo a comprimir.
331 Deberá ser sucedido por el nombre del archivo que posee el modelo.
333 \labelwidthstring 00.00.0000
339 Especifica la calidad (nivel) de compresión.
340 Puede ser un valor entre 0 y 9, siendo 0 el menor nivel de compresión (más
341 rápido) y 9 el máximo (más lento).
342 Por omisión se utiliza un nivel de compresión 5.
343 \layout Subsubsection*
348 Damos a continuación unos breves ejemplos de invocación utilizando diferentes
352 Compresión multivolumen (de 1024KB, cada uno):
356 ./grupo11 -c -t 1024 libro.txt libro.j
367 ./grupo11 -cz libro.txt libro.j
370 Compresión grabando modelo de
378 ./grupo11 -cs libro.txt libro.j
381 Compresión con carga de
389 ./grupo11 -c libro.txt libro.j -m modelo.ftb
392 Compresión de máxima calidad y volúmenes de 100KB:
396 ./grupo11 -czt100 -q9 libro.txt libro.j
399 Descompresión de cualquiera de los anteriores:
403 ./grupo11 -d libro.j libro_descomprimido.txt
415 La técnica de Block Sorting
421 desde ahora lo llamaremos BS, para minimizar la notación.
424 tiene su principal desventaja en que es un algoritmo que consume muchos
425 recursos, y para ser una solución práctica debe ser trabajada para dar
426 resultados coherentes.
429 En una implementación simple, el BS debe crear una matriz y crear todos
430 los desplazamientos sobre ella.
431 Esto hace que se necesite
432 \begin_inset Formula $O(n^{2})$
436 \begin_inset Formula $n$
439 es la longitud del vector sobre el cual se quiere operar.
440 Claramente es un problema, ya que para una página pequeña, digamos 1kb,
441 se necesita una matriz de 1Mb.
444 El otro problema es el tiempo de ordenamiento de los desplazamientos, que
445 debe ser lo menor posible.
446 Una posibilidad es utilizar un método de ordenamiento de bajo orden, como
453 Se ha optado por utilizar el qsort de la libc por ser ANSI-C y tener una
454 técnica de selección del pivot aceptable.
457 utilizado en esta implementación.
458 Otra posible opción hubiera sido el Heap Sort, pero dada la complejidad
459 de su implementación no se creyó que diera una mejora factible y suficiente
460 apreciable como para implementarlo.
463 Como última opción se estudió el Radix Sort, ya que justamente nuestro dato
464 a ordenar es de longitud fija
465 \begin_inset Formula $n$
468 y se cuenta con un conjunto de
469 \begin_inset Formula $L=255$
472 elementos posibles a aparecer en el dato.
473 El orden de éste método sería
474 \begin_inset Formula $O(n*L)$
477 , pero para que realmente el Radix Sort sea efectivo, se requiere que
478 \begin_inset Formula $255=L<log_{2}(n)=15$
481 , por lo que fue descartado.
484 Para solucionar el problema del consumo de memoria se plateó un esquema
485 como el que se indica a continuación :
493 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
498 Dato | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
503 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
513 Desplazamientos | | |
557 | |---------------------------------------------------------+
565 El vector desplazamiento es una estructura de control que almacena :
568 La posición inicial de la palabra desplazada i en el Dato
571 La posición final de la palabra desplazada en el Dato ( se calcula como
575 La ganancia de este método es que se utilizan
576 \begin_inset Formula $2*n$
579 bytes de memoria solamente, es decir, que se bajó a O(n) el orden en memoria
583 Luego de inicializar el vector Desplazamiento (esta parte es
584 \begin_inset Formula $O(n)$
587 en tiempo) se ordena el vector utilizando el qsort, que es del orden de
589 \begin_inset Formula $O(n*log_{2}(n))$
598 En realidad es del orden de O(1.44*n*log2(n)), para el caso promedio.
602 Y como último paso se obtiene la salida recurriendo el vector Desplazamiento
603 ordenado y emitiendo el último byte de cada posición.
604 Si se detecta la posición donde la posición inicial sea 0, se obtiene el
608 Se debe aclara que los órdenes estimados más arriba se basan en la suposición
609 de que el orden de una comparación en
610 \begin_inset Formula $O(1)$
614 En el caso de tener que comprimir archivos donde los desplazamientos queden
615 iguales o solo cambien sobre el final, los órdenes se ven muy afectados.
616 Sin embargo, para el caso promedio no se comporta tan mal.
622 La idea básica del move to front es mantener una lista que represente los
623 símbolos del archivo o bloque a procesar, y a su vez coloca los símbolos
624 mas frecuentes al frente de esta lista.
631 \begin_inset Quotes eld
634 aaaabbabbbaaaaaccccbbccbbbbdddddbbbb
635 \begin_inset Quotes erd
642 \begin_inset Quotes eld
646 \begin_inset Quotes erd
652 Salida: 00001011001000200020101000300010004
655 Un símbolo es codificado como el índice (ó posición) en la lista de símbolos
656 inicial (la cual contiene a todos los símbolos diferentes del archivo o
658 Al comenzar el proceso, se leen uno por uno los símbolos del archivo o
659 bloque original y este mismo símbolo es promovido hacia el frente de la
660 lista, de esta los símbolos mas frecuentes tienden a posicionarse al frente
664 Como este esquema es aplicado luego de ser procesado por el
668 tenemos la seguridad que existirá una fuerte localidad de símbolos en el
669 bloque de datos recibido, esto provocará que la salida del
673 posea una gran cantidad de cadenas de ceros consecutivos, que luego pueden
674 ser codificados nuevamente, lo que favorece la compresión final.
680 Si bien no ahondaremos en detalles de implementación que pueden observarse
681 en la documentación generada por doxygen que acompaña este informe, pasamos
682 a presentar la interfaz a través de la cual el usuario podrá utilizar este
684 Antes, es necesario comentar que el estado del compresor, se mantiene a
685 través de una estructura definida como
689 , en la cual se especificarán cosas tales como si el compresor actúa sobre
690 archivos o chunks de datos, si es un huffman canónico o estándar, archivo
691 a comprimir, archivo destino, etc.
696 El compresor y/o descompresor Huffman Estático, será inicializado y desinicializ
697 ado utilizando las rutinas:
703 HUFF_STATE *shuff_init_encoder_byfile(char *inputfile, char *outputfile,
710 HUFF_STATE *shuff_init_encoder_bychunk(char *outputfile, long volsize);
716 HUFF_STATE *shuff_init_decoder(char *inputfile, char *outputfile);
722 void shuff_deinit_encoder(HUFF_STATE *shuff);
728 void shuff_deinit_decoder(HUFF_STATE *shuff);
731 Para llevar a cabo la compresión efectiva de un archivo o chunks de datos,
732 se cuentan con las siguientes rutinas:
737 int shuff_encode_file(HUFF_STATE *shuff);
742 int shuff_decode_file(HUFF_STATE *shuff);
747 int shuff_scanfreq_chunk(HUFF_STATE *shuff, char* chunk, int chunksize);
752 int shuff_decode_chunk(HUFF_STATE *shuff, char *chunk, int chunksize, int
756 Operación sobre archivos o chunks
761 Dado que se requería la utilización de este compresor en la etapa final
762 de un BS+MTF, el mismo proporciona funcionalidad para comprimir directamente
763 un archivo especificado, o bien para realizar la compresión de chunks de
764 datos, que en nuestro caso serán las salidas del Move to Front.
767 Persistencia del Modelo Estadístico de Orden 0
772 A fines de poder grabar o cargar un modelo de orden-0 el cual simplemente
773 consiste en una tabla de frecuencias/probabilidades de los 255 símbolos
774 posibles en un archivo, dando lugar al Huffman Canónico que será explicado
775 posteriormente, se cuenta con dos funciones:
787 Uno de los problemas que teníamos al principio era que las tareas estaban
788 mezcladas, entonces donde se estaba comprimiendo, se estaba guardando también
789 en un archivo y manejando la lógica de hacer los splits de los archivos.
792 Obviamente como eso resultaba muy molesto planteamos un modelo más abstracto
793 al que llamamos Virtual File, que es una API escrita sobre la API ANSI-C
794 de Input/Output que maneja de manera transparente este tema.
797 Utilizar la API esta tan simple como agregar una
798 \begin_inset Quotes eld
802 \begin_inset Quotes erd
805 delante de las funciones fopen, fclose, fread, etc y reemplazar la estructura
809 Cuando se abre un archivo para escritura a medida que se van escribiendo
810 bytes se va incrementando un contador.
811 Si el contador llega al limite pedido, se cierra el archivo actual, se
812 abre el siguiente y se sigue escribiendo en éste, de manera totalmente
813 transparente para el usuario/programador.
816 La lectura es similar.
817 Cada vez que se llega al EOF de un archivo, si éste no es el último volumen,
818 se cierra el archivo actual y se abre el siguiente hasta llegar al EOF
823 \begin_inset LatexCommand \label{sec:Features-Especiales}
827 Optimizaciones y Características adicionales
830 Como fue anticipado al inicio de este documento, nuestro compresor cuenta
831 con funcionalidad extra que permite en ciertos casos obtener mejores niveles
833 Pasamos a describir las mismas una por una, terminando por último con una
834 optimización específica para textos.
840 Dada la naturaleza del Huffman Estático que hemos implementado como el compresor
841 estadístico final de la cadena
845 , el mismo se vale de un modelo estadístico de orden-0, el cual es obtenido
846 realizando una pasada inicial al archivo a comprimir, en la cual obtiene
847 una tabla de frecuencias/probabilidades, y la cual es utilizada para generar
848 el árbol de Huffman, que a su vez da origen a una tabla de códigos prefijos
849 que finalmente es utilizada en el compresor, para codificar los símbolos
850 o caracteres del archivo original.
853 Dicho esto, destacamos la extensión que hemos realizado a nuestro compresor
854 de Huffman para que pueda guardar y/o cargar un modelo estadístico de orden-0
855 y el usuario pueda por ejemplo utilizar para comprimir cualquier archivo
856 de texto, un modelo que él crea óptimo para la compresión de dichos archivos,
857 en vez de generar un modelo diferente para cada archivo que comprime.
860 Esta capacidad de un compresor de Huffman, se la conoce como Huffman Canónico,
861 y se encuentra presente en nuestro compresor.
862 Para saber más sobre su modo de uso, dirigirse a la sección
865 \begin_inset LatexCommand \ref{sub:Execution-Flags}
877 Este algoritmo se aplica a la salida del
885 que aumenta la localidad, genera estadísticamente muchas secuencias de
887 Como el Huffman Estático no aprovecha esta característica (comprime igual
896 ), se buscó un método que sí la explote para optimizar el compresor y se
897 llegó a un algoritmo muy simple que bautizamos
904 Cada secuencia de ceros se codifica con 2 bytes, el primero es siempre 0
909 ) y el segundo indica la cantidad de ceros que le siguen.
910 En el caso de haber un byte de valor cero aislado, también se codifica
915 , que indica que viene un cero y luego de ese cero no viene ningún cero
916 más), expandiendo la salida, pero estos son casos aislados que estadísticamente
917 se ven superados por la cantidad de secuencias largas de ceros que son
918 comprimidas a sólo 2 bytes.
919 Además, la salida del
923 (Zero Grouping) es comprimida con Huffman por lo que en casos extremos
924 la expansión no se manifiesta en forma notoria.
927 Como la cantidad de ceros que le siguen al primero en una secuencia es expresada
928 con un byte, sólo se pueden comprimir a 2 bytes secuencias de hasta 256
929 ceros (el primer cero más los 0-255 siguientes).
930 De haber secuencias con mayor cantidad de ceros, simplemente se generan
943 la cantidad de ceros en la secuencia dividido 256, redondeando hacia arriba)
945 Por ejemplo, una secuencia de 257 ceros será expresada como
949 (2 grupos) y una de 525 como
951 0x00 0xFF 0x00 0xFF 0x00 0x0B
954 Nuevamente, se comprobó estadísticamente que las secuencias de ceros rara
955 vez superan los 50 ceros seguidos, por lo que de utilizar más de un byte
956 para expresar la cantidad de ceros que siguen al primero se obtendrían
958 \layout Subsubsection*
965 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
971 Salida de ZG: 0 5 1 5 3 0 3 12 0 0 1 0 8 1 1
987 Como se puede ver, la salida del MTF es de 33 bytes, mientras que la del
992 es de 22 (incluso cuando hubieron expansiones).
993 Como se podrá ver en las pruebas del capítulo
994 \begin_inset LatexCommand \vref{cha:Benchmarks}
998 , en la mayoría de los casos se logra una mejora introduciendo este algoritmo,
999 y en casos extremos esta mejora llega obtener resultados con la mitad de
1000 bpb (bits por byte) que la salida original del
1010 Esta optimización se ha realizado específicamente para mejorar la compresión
1011 de archivos de texto.
1012 La base de esta técnica es la previa confección de un diccionario de palabras
1013 (en nuestro caso 255 palabras máximo), a través del cual aplicando un pre-proce
1014 samiento al archivo a comprimir, reemplazamos las palabras de ese diccionario
1015 que se encuentren en el archivo, por un código de escape sucedido por el
1016 índice en el diccionario de la palabra que se abrevia.
1019 Es decir, si tenemos el siguiente diccionario de 4 palabras:
1035 ; y poseemos el texto:
1038 \begin_inset Quotes eld
1050 \begin_inset Quotes erd
1055 , luego del pre-procesamiento tendremos:
1058 \begin_inset Quotes eld
1074 \begin_inset Quotes erd
1082 Para la confección de un buen diccionario, hemos desarrollado una utilidad
1083 que contabiliza las 255 palabras que más aparecen dentro de una fuente
1084 especificada, y luego del análisis de varios textos en castellano de toda
1085 índole (informáticos, novelas, noticias), se obtiene el diccionario que
1086 será entregado con el software.
1089 Documentación de la API
1092 Para obtener una documentación de la API, se incluye en formato HTML en
1093 el CD-ROM la documentación generada con Doxygen para los distintos componentes
1095 Esta documentación se encuentra en el directorio
1103 \begin_inset LatexCommand \label{cha:Benchmarks}
1110 Prueba Calgary Corpus
1113 El conjunto de prueba Calgary Corpus Test es utilizado internacionalmente
1114 para la prueba y comparación de compresores, contando con archivos diseñados
1115 específicamente para estos fines.
1116 Es por ello que hemos utilizado dicho conjunto y a continuación exponemos
1121 \begin_inset Float table
1128 Comparación de compresores JACU, GZIP y BZIP2 con Test de Calgary Corpus,
1129 utilizando un microprocesador Athlon XP 1.7+ Thunderbird con 256 MB RAM.
1130 La compresión JACU se realiza con página default de 32 Kbytes.
1134 \begin_inset Tabular
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2498 Comparación de ratio de compresión con JACU utilizando distintos tamaños
2499 de página en el Block Sorting, y comparando contra Zero Grouping y Word
2501 Las mediciones son en BPB (Bits per Byte)
2505 \begin_inset Tabular
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4169 de página en el Block Sorting, y comparando contra Zero Grouping y Word
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