Exercise 2.5Z: Compression Factor vs. Residual Redundancy

Datenlänge $L(N)$ nach LZW–Codierung für $\rm BQ1$ und $\rm BQ2$

Wir betrachten wie in der Aufgabe 2.5 die Datenkomprimierung mit dem 1983 veröffentlichten Lempel–Ziv–Welch–Algorithmus. Dabei gilt:

Die Eingangsfolge habe die Länge $N$.
Die Länge der LZW–Coderausgabe ist $L$.

Die Grafik zeigt für zwei verschiedene binäre Nachrichtenquellen $\rm BQ1$ und $\rm BQ2$ den Zusammenhang zwischen den Folgenlängen $N$ und $L$, dargestellt durch den Funktionsverlauf $L(N)$. Die beiden Nachrichtenquellen besitzen die gleichen statistischen Eigenschaften wie in der Aufgabe 2.5:

$\rm BQ1$ ist aufgrund von ungleichen Symbolwahrscheinlichkeiten $(p_{\rm A} = 0.89$ und $p_{\rm B} = 0.11)$ redundant. Es bestehen keine Bindungen zwischen den einzelnen Symbolen. Die Entropie ist $H = 0.5$ bit/Quellensymbol.
$\rm BQ2$ ist redundanzfrei und weist die Entropie $H = 1$ bit/Quellensymbol auf.

Weiter benötigen Sie für die Lösung dieser Aufagbe noch zwei Definitionen:

Der Komprimierungsfaktor ist definitionsgemäß

$$K(N) = \frac{L(N)}{N}\hspace{0.05cm}.$$

Die relative Redundanz der LZW–Coderfolge (im Folgenden Restredundanz genannt) ist

$$r(N) = \frac{L(N) - N \cdot H}{L(N)}= 1 - \frac{ N \cdot H}{L(N)}\hspace{0.05cm}.$$

Hinweise:

Die Aufgabe gehört zum Kapitel Komprimierung nach Lempel, Ziv und Welch.
Insbesondere wird Bezug genommen auf die Seiten

Restredrundanz als Maß für die Effizienz von Codierverfahren,

Effizienz der Lempel-Ziv-Codierung sowie

Quantitative Aussagen zur asymptotischen Optimalität.

Fragebogen

$\rm BQ1$: $K(N = 10000) \ = \ $

$\rm BQ2$: $K(N = 10000) \ = \ $

$\rm BQ1$: $r(N = 10000) \ = \ $

$\ \%$

$\rm BQ2$: $r(N = 10000) \ = \ $

$\ \%$

	Bei beiden Quellen ist $K(N = 50000)$ kleiner als $K(N = 10000)$.
	Bei beiden Quellen ist $r(N = 50000)$ kleiner als $r(N = 10000)$.
	Nur bei $\rm BQ1$ ergeben sich mit $N = 50000$ günstigere Werte.

Musterlösung

Solution

(1) Der Komprimierungsfaktor ist definiert als der Quotient der Längen von LZW–Ausgangsfolge $(L)$ und Eingangsfolge $(N = 10000)$:

$${\rm BQ1:}\hspace{0.3cm} K \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm} \frac{6800}{10000}\hspace{0.15cm}\underline{= 0.680}\hspace{0.05cm},$$

$$ {\rm BQ2:}\hspace{0.3cm} K \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm} \frac{12330}{10000}\hspace{0.15cm}\underline{= 1.233}\hspace{0.05cm}. $$

Die LZW–Codierung macht natürlich nur bei der redundanten Binärquelle $\rm BQ1$ Sinn. Hier kann die Datenmenge um $32\%$ gesenkt werden.
Bei der redundanzfreien Binärquelle $\rm BQ2$ führt dagegen die LZW–Codierung zu einer um $23.3\%$ größeren Datenmenge.

(2) Aus der angegebenen Gleichung erhält man mit $N = 10000$:

$${\rm BQ1:}\hspace{0.3cm} H = 0.5\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} r(N=10000) \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}1 - \frac{0.5 \cdot N}{L } = 1 - \frac{5000}{6800 } \hspace{0.15cm}\underline{\approx 26.5\,\%}\hspace{0.05cm},$$

$$ {\rm BQ2:}\hspace{0.3cm} H = 1.0\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} r(N=10000) \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}1 - \frac{N}{L } = 1 - \frac{10000}{12330 } \hspace{0.15cm}\underline{\approx 19\,\%}\hspace{0.05cm}.$$

Die Restredundanz gibt die (relative) Redundanz der LZWQ–Ausgangsfolge an.
Obwohl die Quelle $\rm BQ1$ für die LZW–Codierung besser geeignet ist als die redundanzfreie Quelle $\rm BQ2$, ergibt sich bei $\rm BQ1$ wegen der Redundanz in der Eingangsfolge eine größere Restredundanz.
Eine kleinere Restredundanz $r(N)$ bei gegebenem $N$ sagt also nichts darüber aus, ob die LZW–Codierung für die vorliegende Quelle sinnvoll ist.
Hierzu muss der Komprimierungsfaktor $K(N)$ betrachtet werden. Allgemein gilt folgender Zusammenhang zwischen $r(N)$ und $K(N)$:

$$r(N) = 1 - \frac{H}{K(N)}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} K(N) = H \cdot (1- r(N)) \hspace{0.05cm}.$$

(3) Aus der Tabelle auf der Angabenseite kann man ablesen (bzw. daraus ableiten)

für die redundante Binärquelle $\rm BQ1$:

$$L(N = 50000) = 32100\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} K(N = 50000) = 0.642\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}r(N = 50000) \hspace{0.15cm}\underline {= 22.2\,\% \hspace{0.05cm}},$$

für die redundanzfreie Binärquelle $\rm BQ2$:

$$L(N = 50000) = 59595\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} K(N = 50000) = 1.192\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}r(N = 50000) \hspace{0.15cm}\underline {= 16.1\,\% \hspace{0.05cm}}.$$

Richtig sind somit die Aussagen 1 und 2:

Für beide Quellen ist der Komprimierungsfaktor $K(N)$ für $N = 50000$ kleiner als für $N = 10000$.
Gleiches gilt für die Restredundanz: $r(N = 50000) < r(N = 10000)$.
Sowohl hinsichtlich $K(N)$ als auch hinsichtlich $r(N)$ ergeben sich also bei größerem $N$ „günstigere” Werte, auch dann, wenn eigentlich wie bei der redundanzfreien Binärquelle $\rm BQ2$ die Anwendung von Lempel–Ziv zu einer Verschlechterung führt.