[java] Arithmetic coding 알고리즘을 자바로 구현하는 방법

05 Dec 2023

java

Arithmetic coding은 데이터 압축 알고리즘 중 하나로, 데이터를 보다 효율적으로 압축하는 기술입니다. 이 알고리즘은 입력된 데이터의 통계적 특성을 이용하여 각각의 기호들을 바이트가 아닌 비트 단위로 압축합니다.

이제 Java 언어를 사용하여 Arithmetic coding 알고리즘을 구현하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

Step 1: Symbol 모델링

우선, Symbol 모델링을 위해 각 기호의 빈도를 계산해야합니다. 각 기호의 빈도를 계산하기 위해서는 입력 데이터 집합을 분석해야합니다. 이러한 분석은 데이터의 통계적 특성을 파악하는데 도움을 줍니다.

예를 들어, 다음과 같은 입력 데이터가 있다고 가정해봅시다:

String input = "ABACABADABRA";

위 입력 데이터에서 각 기호들의 빈도를 계산하면 다음과 같습니다:

A: 5
B: 2
C: 1
D: 1
R: 1

Step 2: 확률 구하기

Symbol 모델링을 통해 각 기호의 빈도를 알았다면, 이를 활용하여 각 기호의 확률을 계산해야합니다. 각 기호의 확률은 빈도를 총 입력 데이터의 길이로 나누어 계산할 수 있습니다.

예를 들어, 위에서 계산한 각 기호들의 빈도를 활용하여 확률을 계산하면 다음과 같습니다:

A: 5/12
B: 2/12
C: 1/12
D: 1/12
R: 1/12

Step 3: Cumulative Probability 계산하기

Cumulative Probability는 각 기호의 시작 구간과 끝 구간을 나타내는데 사용됩니다. 시작 구간은 이전 기호들의 확률을 더한 값이며, 끝 구간은 시작 구간에 현재 기호의 확률을 더한 값입니다.

예를 들어, 위에서 계산한 확률을 활용하여 Cumulative Probability를 계산하면 다음과 같습니다:

A: 0/12 - 5/12
B: 5/12 - 7/12
C: 7/12 - 8/12
D: 8/12 - 9/12
R: 9/12 - 10/12

Step 4: 구현

Java를 사용하여 Arithmetic coding 알고리즘을 구현하려면 위 단계들을 바탕으로 코드를 작성해야합니다. 아래는 간단한 예제 코드입니다:

public class ArithmeticCoding {

    // Symbol 모델링을 위한 클래스
    private static class Symbol {
        char character;
        double start;
        double end;

        Symbol(char character, double start, double end) {
            this.character = character;
            this.start = start;
            this.end = end;
        }
    }

    // Arithmetic coding 알고리즘 구현
    public static double arithmeticEncode(String input, List<Symbol> symbols) {
        double start = 0;
        double end = 1;
        for (char c : input.toCharArray()) {
            for (Symbol symbol : symbols) {
                if (symbol.character == c) {
                    double range = end - start;
                    end = start + range * symbol.end;
                    start = start + range * symbol.start;
                    break;
                }
            }
        }
        return (start + end) / 2;
    }

    // 예시 코드 실행
    public static void main(String[] args) {
        // Symbol 모델링
        List<Symbol> symbols = new ArrayList<>();
        symbols.add(new Symbol('A', 0/12, 5/12));
        symbols.add(new Symbol('B', 5/12, 7/12));
        symbols.add(new Symbol('C', 7/12 8/12));
        symbols.add(new Symbol('D', 8/12, 9/12));
        symbols.add(new Symbol('R', 9/12, 10/12));

        // 입력 데이터
        String input = "ABACABADABRA";

        // Arithmetic coding 알고리즘 실행
        double encodedValue = arithmeticEncode(input, symbols);

        System.out.println("Encoded value: " + encodedValue);
    }
}

위 코드에서는 입력 데이터를 “ABACABADABRA”로 설정하고, Symbol 모델링을 위한 리스트를 생성합니다. 그리고 arithmeticEncode 메서드를 호출하여 Arithmetic coding 알고리즘을 실행하고, 결과를 출력합니다.

이제 Java를 사용하여 Arithmetic coding 알고리즘을 구현하는 방법을 알게되었습니다. 이 코드를 기반으로 데이터 압축과 관련된 다양한 기능들을 추가하여 활용할 수 있습니다.

Step 1: Symbol 모델링

Step 2: 확률 구하기

Step 3: Cumulative Probability 계산하기

Step 4: 구현

참고 자료