CN107689796B - 一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法 - Google Patents

一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，包括以下步骤：S1：初始化试探压缩文件集，STC＝{C}，其中STC为试探压缩文件集，C为受损压缩文件；S2：基于先验信息从所述试探压缩文件集中选择修复压缩文件，所述先验信息包括信源先验信息和信道先验信息；S3：判断所述修复压缩文件是否存在错误，若是，则执行步骤S4，若否，则输出解压文件；S4：估计错误区段；S5：在所述错误区段上叠加错误图样，形成新的试探压缩文件集，返回步骤S2。与现有技术相比，本发明具有性能高、适用范围广等优点。

Description

一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是涉及一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法。
背景技术
数据压缩是一种以紧凑方式表示信息的技术。人们识别出数据中存在的结构特征并加以利用从而生成这些紧凑表示方式。无损压缩算法是一种在压缩过程中不存在信息损失的压缩算法。数据经过无损压缩后，可以从压缩数据中准确地恢复出原数据。如果无损压缩数据在经过信道后遭受损害，就无法用一般的解压算法对受损无损压缩文件正确地解压。
关于受损无损压缩文件容错解压的发明专利很少，其原因有两点。其一是受损无损压缩文件容错解压的难度大。纠错必须基于数据中的冗余，而压缩文件中的冗余被压缩了。一般来说，压缩率越高，误码的修复率就越低，因此无损压缩文件容错解压的难度很大。其二是有替代方案。当受损压缩文件能够被重新传输或有备份文件时，可以通过重新传输和备份的方法来修复受损压缩文件。这两个原因导致此方向的研究较少。然而，随着互联网技术的发展，数据量暴增。从1980年开始，平均每40个月，互联网上的数据将会翻一倍。为了解决大量数据存储和传输的问题，数据压缩技术被广泛应用，但是存储和带宽资源的稀缺使备份和存储所有重要压缩文件变得越来越难，而同时计算机能力的增加也使实现无损压缩文件容错解压的实现成为可能。
压缩文件容错解压可以分为三类：有损压缩文件的容错解压、具有纠错能力的无损压缩文件的容错解压和不具有纠错能力的无损压缩文件的容错解压。有损压缩文件（如音频和视频）在传输过程中会遭到损坏，在接收端可以通过插值、丢帧等手段来实现受损有损压缩文件的容错解压，这在工程中已经广泛应用。具有纠错能力的无损压缩文件是指在编码端加入了保护比特从而使压缩数据具备一定纠错和检错能力的压缩文件，这种编码方式也被称为信源信道联合编码。现有技术中不具有纠错能力的无损压缩文件的容错解压还存在精度不够等不足。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种性能高、适用范围广的基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，包括以下步骤：
S1：初始化试探压缩文件集，
Figure 104778DEST_PATH_IMAGE002
，其中S TC 为试探压缩文件集，C为受损压缩文件；
S2：基于先验信息从所述试探压缩文件集中选择修复压缩文件；
S3：判断所述修复压缩文件是否存在错误，若是，则执行步骤S4，若否，则输出解压文件；
S4：估计错误区段；
S5：判断容错解压是否失败，若是，则终止容错解压，并输出已解压的部分解压文件，若否，则执行步骤S6；
S6：在所述错误区段上叠加错误图样，形成新的试探压缩文件集，返回步骤S2。
所述步骤S2具体为：
S201：计算试探压缩文件集中所有试探压缩文件的检测点；
S202：将检测点最大的试探压缩文件作为最优试探压缩文件，所述最优试探压缩文件至少有一个；
S203：计算各最优试探压缩文件的后验概率，将所述最优试探压缩文件按后验概率从大到小排序，选择前n个最优试探压缩文件作为修复压缩文件，n为设定值；
其中，所述后验概率
Figure 599083DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 175557DEST_PATH_IMAGE006
TC为试探压缩文件，P(TC)为先验概率，P(C|TC)为似然函数，先验概率由信源先验信息决定，似然函数由信道先验信息决定。
所述试探压缩文件的检测点通过以下步骤获得：
S211：比特检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则执行步骤S212；
S212：压缩数据检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则执行步骤S213；
S213：解压数据检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则修复压缩文件不存在错误。
所述比特检测具体为：
对试探压缩文件中每一个比特进行检测，判断P(1|tb i )>P b 或P(0|tb i )>P b 是否成立，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为对应比特的位置，终止比特检测；
其中，常数P b 为比特检测阈值，tb i 表示试探压缩文件中的第i个比特，P(1|tb i )和P(0|tb i )分别表示tb i 被判断为1和0的概率。
所述压缩数据检测具体为：
对试探压缩文件中每一个压缩字段进行检测，判断各压缩字段是否符合压缩编码规则，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为对应压缩字段的最后一个比特的位置，终止压缩数据检测；
其中，所述压缩字段为够译出一个以上字符的最短压缩数据。
所述解压数据检测具体为：
对试探压缩文件的每一个压缩字段进行译码，获得解压文件，判断该解压文件是否符合原文件先验信息，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为所述试探压缩文件中已译码的最后一个压缩字段的最后一个比特的位置，终止解压数据检测；
其中，所述压缩字段为够译出一个以上字符的最短压缩数据，所述原文件先验信息包括文件内容语法规则和数据结构信息。
所述步骤S4具体为：
若在所述比特检测中找到检测点，则修复压缩文件存在比特错误，对应的错误区段长度为1比特，位于检测点处，即ER=[d T ]，其中，ER为错误区段，d T 为检测点；
若在所述压缩数据检测或解压数据检测中找到检测点，则修复压缩文件存在数据错误，对应的错误区段表示为：ER=[d T -l ER +1,d T ]，其中，l ER 为错误区段长度。
所述步骤S5中，根据错误区段判断当前文件是否严重不符合先验信息，若是，则判定为容错解压失败。
每一修复压缩文件中叠加的所述错误图样为一段与该修复压缩文件的错误区段长度相等的二进制数据，每一修复压缩文件叠加若干错误图样，形成多个新的试探压缩文件，所述错误图样为根据误码特性预先设计好的二进制数据，存储于一错误图样集中。
所述错误图样通过与修复压缩文件中错误区段数据作异或运算叠加至修复压缩文件中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明不同于以往的容错解压方法。以往的容错解压方法需要设计一种新的压缩编码方法，通过在编码数据中加入保护比特从而对误码进行修复，因此这些方法对于通用无损压缩文件并不适用。本发明提出的容错解压方法利用先验信息对误码进行修复，因此它能够适用于所有无损压缩文件。
本发明充分利用信源先验信息和信道先验信息，因此相较于以往的容错解压方法，此方法具有较高的性能。
本发明可用于在存储信道中受损无损压缩文件的容错解压，尤其可应用于对受损电子证据的恢复，从而有助于刑侦破案。
本发明也可用于无线信道中受损无损压缩数据的容错解压，尤其可应用于对受损电子情报的修复，从而有助于军事情报的获取。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明选择修复压缩文件的流程示意图；
图3为本发明计算检测点的流程示意图；
图4为实施例中容错解压失败判断流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，包括以下步骤：
S1：初始化试探压缩文件集，
Figure 180554DEST_PATH_IMAGE002
，其中S TC 为试探压缩文件集，C为受损压缩文件；
S2：基于先验信息从所述试探压缩文件集中选择修复压缩文件；
S3：判断所述修复压缩文件是否存在错误，若是，则执行步骤S4，若否，则输出解压文件；
S4：估计错误区段；
S5：判断容错解压是否失败，若是，则终止容错解压，并输出已解压的部分解压文件，若否，则执行步骤S6；
S6：在所述错误区段上叠加错误图样，形成新的试探压缩文件集，返回步骤S2。
如图2所示，步骤S2中，选择修复压缩文件具体为：
S201：计算试探压缩文件集中所有试探压缩文件的检测点；
S202：将检测点最大的试探压缩文件作为最优试探压缩文件，所述最优试探压缩文件至少有一个；检测点最大的试探压缩文件中信道误码是最少的，因为只有前面的误码被纠正了才会检测到后面的误码；
S203：计算各最优试探压缩文件的后验概率，将所述最优试探压缩文件按后验概率从大到小排序，选择前n个最优试探压缩文件作为修复压缩文件，n为设定值；
其中，所述后验概率
Figure 791664DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
TC为试探压缩文件，P(TC)为先验概率，P(C|TC)为似然函数，先验概率由信源先验信息决定，似然函数由信道先验信息决定。
所述试探压缩文件的检测点通过以下步骤获得：
S211：比特检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则执行步骤S212。
比特检测具体为：
对试探压缩文件中每一个比特进行检测，判断P(1|tb i )>P b 或P(0|tb i )>P b 是否成立，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为对应比特的位置，终止比特检测；
其中，常数P b 为比特检测阈值，tb i 表示试探压缩文件中的第i个比特，P(1|tb i )和P(0|tb i )分别表示tb i 被判断为1和0的概率。
S212：压缩数据检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则执行步骤S213。
压缩数据检测具体为：
对试探压缩文件中每一个压缩字段进行检测，判断各压缩字段是否符合压缩编码规则，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为对应压缩字段的最后一个比特的位置，终止压缩数据检测；其中，所述压缩字段为够译出一个以上字符的最短压缩数据。
解压规则与无损压缩文件采用的压缩编码算法有关，比如，zip文件的编码规则就是zip文件结构规则和deflate32编码规则，此方法可以适用于所有无损编码规则。
S213：解压数据检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则修复压缩文件不存在错误。
解压数据检测具体为：
对试探压缩文件的每一个压缩字段进行译码，获得解压文件，判断该解压文件是否符合原文件先验信息，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为所述试探压缩文件中已译码的最后一个压缩字段的最后一个比特的位置，终止解压数据检测。
原文件先验信息是原文件中所有的先验知识，先验知识包括文件内容语法规则、数据结构信息等。比如，原文件为一篇英语文章，此原文件先验信息就是英语语法规则，而解压数据检测就是检测解压数据是否符合英语语法规则。对于内容为自然语言的原文件而言，先验信息为自然语言语法规则，因此这个容错解压方法还适用于所有以自然语言为内容的文件和所有原文件先验信息已知的文件。
上述过程中，比特检测过程中检测到的错误称为比特错误，压缩数据检测和解压数据检测过程中检测到的错误称为数据错误。
如图4所示，步骤S4中，估计错误区段具体为：
若修复压缩文件存在比特错误，则对应的错误区段长度为1比特，位于检测点处，即ER=[d T ]，其中，ER为错误区段，d T 为检测点；
若修复压缩文件存在数据错误，则ER=[d T -l ER +1,d T ]，其中，l ER 为错误区段长度，它是根据大量实验统计得到的，是由误码的检测延迟概率分布决定。
步骤S5中，根据错误区段判断当前文件是否严重不符合先验信息，若是，则判定为容错解压失败。
本实施例中，通过以下过程判断当前文件是否严重不符合先验信息：
S501：根据错误区段判断
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是否成立，若是，则令
Figure 988027DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 989482DEST_PATH_IMAGE013
，若否，则
Figure 735852DEST_PATH_IMAGE015
，其中，常数
Figure 263785DEST_PATH_IMAGE017
为检测间隔，变量
Figure 303154DEST_PATH_IMAGE019
为跳跃数，变量
Figure 791904DEST_PATH_IMAGE021
为上一次检测点；
S502：判断
Figure 325654DEST_PATH_IMAGE019
是否满足
Figure 458826DEST_PATH_IMAGE023
，常数
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为跳跃数上限，若是，即表明此时的文件已严重不符合先验信息，则容错解压失败，终止容错解压，不再进行后续步骤，并输出已解压的部分解压文件，若否，则继续后续步骤。
除上述流程外，也可通过其余方式判断文件是否严重不符合先验信息。
步骤S6中，叠加错误图样具体为：
每一修复压缩文件中叠加的所述错误图样为一段与该修复压缩文件的错误区段长度相等的二进制数据，每一修复压缩文件叠加若干错误图样，形成多个新的试探压缩文件。错误图样为根据误码特性预先设计好的二进制数据，存储于一错误图样集S E 中。错误图样通过与修复压缩文件中错误区段数据作异或运算叠加至修复压缩文件中。如果引入的误码（被叠加的错误图样）与信道误码的位置相同，则误码被纠正，否则，压缩文件中会引入更多的误码，通过选择修复压缩文件可以找出与先验信息较符合的试探压缩文件，从而误码被纠正。
实现上述基于先验信息的受损无损压缩文件的容错解压方法的装置包括选择修复压缩文件模块、估计错误区段模块和叠加错误区段模块，其中，修复压缩文件模块用于从试探压缩文件中选择与先验信息较符合的若干文件作为修复压缩文件；估计错误区段模块用于估计误码的大致范围；叠加错误区段用于在修复压缩文件的错误区段中多次引入误码从而得到若干试探压缩文件。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：初始化试探压缩文件集，STC＝{C}，其中STC为试探压缩文件集，C为受损压缩文件；
S2：基于先验信息从所述试探压缩文件集中选择修复压缩文件，所述先验信息包括信源先验信息和信道先验信息；
S3：判断所述修复压缩文件是否存在错误，若是，则执行步骤S4，若否，则输出解压文件；
S4：估计错误区段；
S5：判断容错解压是否失败，若是，则终止容错解压，并输出已解压的部分解压文件，若否，则执行步骤S6；
S6：在所述错误区段上叠加错误图样，形成新的试探压缩文件集，返回步骤S2；
所述步骤S2具体为：
S201：计算试探压缩文件集中所有试探压缩文件的检测点，通过以下步骤获得：
S211：比特检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则执行步骤S212；
S212：压缩数据检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则执行步骤S213；
S213：解压数据检测，判断是否找到检测点，若是，则输出检测点，若否，则修复压缩文件不存在错误；
S202：将检测点最大的试探压缩文件作为最优试探压缩文件，所述最优试探压缩文件至少有一个；
S203：计算各最优试探压缩文件的后验概率，将所述最优试探压缩文件按后验概率从大到小排序，选择前n个最优试探压缩文件作为修复压缩文件，n为设定值；
其中，所述后验概率P(TC|C)的计算公式为：
Figure FDA0002815526280000021
TC为试探压缩文件，P(TC)为先验概率，P(C|TC)为似然函数，先验概率由信源先验信息决定，似然函数由信道先验信息决定；
所述步骤S4具体为：
若在所述比特检测中找到检测点，则修复压缩文件存在比特错误，对应的错误区段长度为1比特，位于检测点处，即ER＝[dT]，其中，ER为错误区段，dT为检测点；
若在所述压缩数据检测或解压数据检测中找到检测点，则修复压缩文件存在数据错误，对应的错误区段表示为：ER＝[dT-lER+1,dT]，其中，lER为错误区段长度；
所述步骤S5中，根据错误区段判断当前文件是否严重不符合先验信息，若是，则判定为容错解压失败。
2.根据权利要求1所述的基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，其特征在于，所述比特检测具体为：
对试探压缩文件中每一个比特进行检测，判断P(1|tbi)>Pb或P(0|tbi)>Pb是否成立，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为对应比特的位置，终止比特检测；
其中，常数Pb为比特检测阈值，tbi表示试探压缩文件中的第i个比特，P(1|tbi)和P(0|tbi)分别表示tbi被判断为1和0的概率。
3.根据权利要求1所述的基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，其特征在于，所述压缩数据检测具体为：
对试探压缩文件中每一个压缩字段进行检测，判断各压缩字段是否符合压缩编码规则，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为对应压缩字段的最后一个比特的位置，终止压缩数据检测；
其中，所述压缩字段为够译出一个以上字符的最短压缩数据。
4.根据权利要求1所述的基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，其特征在于，所述解压数据检测具体为：
对试探压缩文件的每一个压缩字段进行译码，获得解压文件，判断该解压文件是否符合原文件先验信息，若是，则未找到检测点，若否，则检测点为所述试探压缩文件中已译码的最后一个压缩字段的最后一个比特的位置，终止解压数据检测；
其中，所述压缩字段为够译出一个以上字符的最短压缩数据，所述原文件先验信息包括文件内容语法规则和数据结构信息。
5.根据权利要求1所述的基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，其特征在于，每一修复压缩文件中叠加的所述错误图样为一段与该修复压缩文件的错误区段长度相等的二进制数据，每一修复压缩文件叠加若干错误图样，形成多个新的试探压缩文件，所述错误图样为根据误码特性预先设计好的二进制数据，存储于一错误图样集中。
6.根据权利要求1或5所述的基于先验信息的无损压缩文件容错解压方法，其特征在于，所述错误图样通过与修复压缩文件中错误区段数据作异或运算叠加至修复压缩文件中。
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