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LZ77压缩算法编码原理详解(结合图片和简单代码)
前言
LZ77算法是无损压缩算法，由以色列人Abraham Lempel发表于1977年。LZ77是典型的基于字典的压缩算法，现在很多压缩技术都是基于LZ77。鉴于其在数据压缩领域的地位，本文将结合图片和源码详细介绍其原理。
原理介绍：
首先介绍几个专业术语。
1.lookahead buffer(不知道怎么用中文表述，暂时称为待编码区):
等待编码的区域
2. search buffer：
已经编码的区域，搜索缓冲区
3.滑动窗口：
指定大小的窗，包含“搜索缓冲区”（左） + “待编码区”（右）
接下来，介绍具体的编码过程：
为了编码待编码区， 编码器在滑动窗口的搜索缓冲区查找直到找到匹配的字符串。匹配字符串的开始字符串与待编码缓冲区的距离称为“偏移值”，匹配字符串的长度称为“匹配长度”。编码器在编码时，会一直在搜索区中搜索，直到找到最大匹配字符串，并输出(o, l )，其中o是偏移值， l是匹配长度。然后窗口滑动l，继续开始编码。如果没有找到匹配字符串，则输出(0, 0, c)，c为待编码区下一个等待编码的字符，窗口滑动“1”。算法实现将类似下面的：
while( lookAheadBuffer not empty )
{
get a pointer (position, match) to the longest match
in the window for the lookAheadBuffer;
output a (position, length, char());
shift the window length+1 characters along;
}
主要步骤为：
1.设置编码位置为输入流的开始
2.在滑窗的待编码区查找搜索区中的最大匹配字符串
3.如果找到字符串，输出(偏移值， 匹配长度)， 窗口向前滑动“匹配长度”
4.如果没有找到，输出(0, 0, 待编码区的第一个字符)，窗口向前滑动一个单位
5.如果待编码区不为空，回到步骤2
描述实在是太复杂，还是结合实例来讲解吧
实例：
现在有字符串“AABCBBABC”，现在对其进行编码。
一开始，窗口滑入如图位置
由图可见，待编码缓冲区有“AAB”三个字符，此时搜索缓冲区还是空的。所以编码第一个字符，由于搜索区为空，故找不到匹配串，输出(0,0, A),窗口右移一个单位，如下图
此时待编码区有“ABC”。开始编码。最先编码"A"，在搜索区找到"A"。由于没有超过待编码区，故开始编码"AB"，但在搜索区没有找到匹配字符串，故无法编码。因此只能编码"A"。
输出(1, 1)。即为相对于待编码区，偏移一个单位，匹配长度为1。窗口右滑动匹配长度，即移动1个单位。如下图
一样，没找到，输出(0, 0, B),右移1个单号，如下图
输出（0， 0， C）,右移1个单位，如下图
输出(2, 1),右移1个单位，如下图
输出(3, 1)， 右移1个单位，如下图
开始编码"A"，在搜索缓冲区查找到匹配字符串。由于待编码缓冲区没有超过，继续编码。开始编码"AB",也搜索到。不要停止，继续编码“ABC”，找到匹配字符串。由于继续编码，则超过了窗口，故只编码“ABC”，输出(5, 3),偏移5，长度3。右移3个单位，如下图
此时待编码缓冲区为空，停止编码。
最终输出结果如下
python代码实现：
1 class Lz77: 2 def __init__(self, inputStr): 3 self.inputStr = inputStr #输入流 4 self.searchSize = 5 #搜索缓冲区(已编码区)大小 5 self.aheadSize = 3 #lookAhead缓冲区（待编码区）大小 6 self.windSpiltIndex = 0 #lookHead缓冲区开始的索引 7 self.move = 0 8 self.notFind = -1 #没有找到匹配字符串 9 10 #得到滑动窗口的末端索引 11 def getWinEndIndex(self): 12 return self.windSpiltIndex + self.aheadSize 13 14 #得到滑动窗口的始端索引 15 def getWinStartIndex(self): 16 return self.windSpiltIndex - self.searchSize 17 18 #判断lookHead缓冲区是否为空 19 def isLookHeadEmpty(self): 20 return True if self.windSpiltIndex + self.move> len(self.inputStr) - 1 else False 21 22 def encoding(self): 23 step = 0 24 print("Step Position Match Output") 25 while not self.isLookHeadEmpty(): 26 #1.滑动窗口 27 self.winMove() 28 #2. 得到最大匹配串的偏移值和长度 29 (offset, matchLen) = self.findMaxMatch() 30 #3.设置窗口下一步需要滑动的距离 31 self.setMoveSteps(matchLen) 32 if matchLen == 0: 33 #匹配为0，说明无字符串匹配，输出下一个需要编码的字母 34 nextChar = self.inputStr[self.windSpiltIndex] 35 result = (step, self.windSpiltIndex, ‘-‘, ‘(0,0)‘ + nextChar) 36 else: 37 result = (step, self.windSpiltIndex, self.inputStr[self.windSpiltIndex - offset: self.windSpiltIndex - offset + matchLen], ‘(‘ + str(offset) + ‘,‘ + str(matchLen) + ‘)‘) 38 #4.输出结果 39 self.output(result) 40 step = step + 1 #仅用来设置第几步 41 42 43 #滑动窗口(移动分界点) 44 def winMove(self): 45 self.windSpiltIndex = self.windSpiltIndex + self.move 46 47 #寻找最大匹配字符并返回相对于窗口分界点的偏移值和匹配长度 48 def findMaxMatch(self): 49 matchLen = 0 50 offset = 0 51 minEdge = self.minEdge() + 1 #得到编码区域的右边界 52 #遍历待编码区，寻找最大匹配串 53 for i in range(self.windSpiltIndex + 1, minEdge): 54 #print("i: %d" %i) 55 offsetTemp = self.searchBufferOffest(i) 56 if offsetTemp == self.notFind: 57 return (offset, matchLen) 58 offset = offsetTemp #偏移值 59 60 matchLen = matchLen + 1 #每找到一个匹配串，加1 61 62 return (offset, matchLen) 63 64 #入参字符串是否存在于搜索缓冲区，如果存在，返回匹配字符串的起始索引 65 def searchBufferOffest(self, i): 66 searchStart = self.getWinStartIndex() 67 searchEnd = self.windSpiltIndex 68 #下面几个if是处理开始时的特殊情况 69 if searchEnd < 1: 70 return self.notFind 71 if searchStart < 0: 72 searchStart = 0 73 if searchEnd == 0: 74 searchEnd = 1 75 searchStr = self.inputStr[searchStart : searchEnd] #搜索区字符串 76 findIndex = searchStr.find(self.inputStr[self.windSpiltIndex : i]) 77 if findIndex == -1: 78 return -1 79 return len(searchStr) - findIndex 80 81 #设置下一次窗口需要滑动的步数 82 def setMoveSteps(self, matchLen): 83 if matchLen == 0: 84 self.move = 1 85 else: 86 self.move = matchLen 87 88 89 def minEdge(self): 90 return len(self.inputStr) if len(self.inputStr) - 1 < self.getWinEndIndex() else self.getWinEndIndex() + 1 91 92 def output(self, touple): 93 print("%d %d %s %s" % touple) 94 95 96 97 98 if __name__ == "__main__": 99 lz77 = Lz77("AABCBBABC")100 lz77.encoding()只是简单的写了下，没有过多考虑细节，请注意，这不是最终的代码，只是用来阐述原理，仅供参考。输出结果就是上面的输出（格式由于坑爹的博客园固定样式，代码位置有偏移，请注意）
参考文章：
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ee916854.aspx
http://en.wikipedia.org/wiki/LZ77_and_LZ78
http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects/2000-01/data-compression/lossless/lz77/algorithm.htm
以上几篇文章都是很好的讲解LZ77原理的，大家有兴趣的可以参考下。由于国内介绍该算法的比较少，故这些英文文章帮助还是挺大的。
LZ77压缩算法编码原理详解(结合图片和简单代码)