《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LPC2292的手持JPEG圖像顯示器設(shè)計
摘要: 文章介紹了基于32位ARM7芯片LPC2292實現(xiàn)的軟件JPEG解碼算法及應(yīng)用了此算法的手持JPEG圖像顯示器的設(shè)計。
Abstract:
Key words :

        文章介紹了基于32位ARM7芯片LPC2292實現(xiàn)的軟件JPEG解碼算法及應(yīng)用了此算法的手持JPEG圖像顯示器的設(shè)計。

        文章從JPEG的編碼原理入手,針對LPC2292的資源和性能特點,進行了可行性分析。重點論述了Huffman解碼和IDCT解碼的優(yōu)化算法的實現(xiàn),很大程度上提高了解碼算法的效率,使得算法在ARM7芯片上的移植成為可能。


1 概述

        在數(shù)字圖像處理過程中,JPEG編碼是一種經(jīng)常運用的壓縮算法,目的是有效地壓縮數(shù)字圖像大小,便于存儲和傳輸。其具有壓縮比例高、失真小等特點。目前對應(yīng)的JPEG解碼方式有兩種:硬件解碼和軟件解碼。硬件解碼是利用硬件解碼芯片來完成對JPEG數(shù)據(jù)的解碼;軟件解碼則是通過編寫程序來完成對數(shù)據(jù)的還原。由于軟件解碼需要大量的浮點運算,目前較多的由PC及DSP來實現(xiàn)。 

       本文主要介紹了一種基于Philips公司的ARM芯片LPC2292來實現(xiàn)JPEG圖像軟件解碼的方法及基于此算法實現(xiàn)的手持式JPEG圖像顯示器。

2 JPEG解碼可行性分析

2.1 LPC2292的特點

        LPC2292是一款基于32位ARM7TDMI-S,并支持實時仿真和跟蹤的CPU,帶有256 k字節(jié)(kB)嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼 規(guī)模降低超過30%,而性能的損失卻很小。

2.2 存儲器容量計算

        JPEG解碼涉及到大量的數(shù)據(jù)計算,因此需要大量的數(shù)據(jù)緩存器。手持JPEG顯示器的緩存主要包括原始JPEG圖像數(shù)據(jù)緩存、JPEG解碼緩存以及RGB數(shù)據(jù)顯示緩存等。原始JPEG圖像數(shù)據(jù)緩存用于存放需要解碼的JPEG圖像數(shù)據(jù),根據(jù)JPEG圖像的復(fù)雜度及壓縮比不同,一般一幀320×240的彩色JPEG圖像的大小在2k~20k字節(jié)。JPEG解碼緩存主要用于存放一些JPEG解碼過程中的中間數(shù)據(jù),主要包括MCU解碼中Huffman解碼的臨時結(jié)果,IDCT解碼的臨時結(jié)果等。RGB數(shù)據(jù)顯示緩存用來存放JPEG解碼完后的RGB原始數(shù)據(jù),用于LCD液晶顯示,一幀320×240的彩色16位RGB圖像,共需要320×240×16÷8=57600字節(jié)。

        LPC2292內(nèi)部帶有16k的SRAM。如果采用整張圖像緩存、解碼完再顯示的話,根據(jù)上面的分析,僅顯示緩存區(qū)一項就不能滿足需要。因此,設(shè)計采用一邊讀取數(shù)據(jù)、一邊解碼、一邊顯示的策略,來減少對存儲器的需求。

3 具體實現(xiàn)

3.1硬件實現(xiàn)

        JPEG圖像顯示器的硬件實現(xiàn)框圖如下圖所示:
 

圖1  JPEG圖像顯示器硬件框圖

        系統(tǒng)以LPC2292為控制核心,采用CAN總線來從外界讀取原始JPEG數(shù)據(jù),彩色LCD顯示模塊則選用TFT6758彩色LCD液晶顯示模塊。LPC2292內(nèi)部自帶的CAN接口及32位寬度的數(shù)據(jù)總線,可以很方便的與CAN總線及LCD液晶顯示模塊實現(xiàn)連接。

3.2軟件實現(xiàn):

       JPEG編碼技術(shù)主要包括顏色轉(zhuǎn)換、DCT變換、量化、熵編碼及Huffman編碼等部分,其數(shù)據(jù)格式在文獻[1]中進行了詳盡的闡述。

       JPEG解碼主要包括Huffman解碼、反量化及IDCT變換、色彩變換等模塊,其流程框圖如下:

 

圖2  JPEG圖像解碼軟件流程框圖

 

3.2.1 Hffman解碼的實現(xiàn):

       Huffman解碼主要通過反向查找Huffman表來實現(xiàn)。由于查找過程需要大量的移位及循環(huán),效率很低。為了提高效率,軟件事先構(gòu)造了一張預(yù)查找表,該表的維數(shù)由宏定義HUFF_LOOKAHEAD來決定。位數(shù)低于HUFF_LOOKAHEAD的Huffman編碼,解碼結(jié)果都可以從該預(yù)查找表中直接讀出,而對于位數(shù)大于HUFF_LOOKAHEAD的則再通過移位循環(huán)來遍歷Huffman表實現(xiàn)解碼。可以看出,預(yù)查找表維數(shù)越高,則整個Huffman解碼所需的循環(huán)移位次數(shù)越少,解碼效率越高,但同時,需要存放預(yù)查找表的空間也越高,其占用字節(jié)數(shù)為2的HUFF_LOOKAHEAD次方字節(jié)。

       預(yù)查表分兩部分,其構(gòu)造思想如下:

       假設(shè)某個亮度的DC 系數(shù)的Huffman編碼表如下,HUFF_LOOKAHEAD的值為4:

 

表1  亮度DC Huffman編碼表

 

則構(gòu)造2張維數(shù)為24的表,一張中的數(shù)據(jù)為碼長,另一張為真實值。

       表中第一行碼字00代表的是真實數(shù)據(jù)0,則構(gòu)造的碼長表中,序號為00XX2(其中X表示0或1,即00XX2為0-310)的數(shù)據(jù)全為2,真實值表中,序號為00XX2(0-310)的數(shù)據(jù)全為0;

       表中第二行碼字010代表的是真實數(shù)據(jù)1,同理碼長表中,序號為010X2(4-510)的數(shù)據(jù)全為3,真實值表中,序號為010X2(4-510)的數(shù)據(jù)全為1;

       依次類推,直到填滿,序號為11112(1510)的碼字在Huffman表中沒有出現(xiàn),則在2張預(yù)查表中,最后一個數(shù)據(jù)均為0,構(gòu)造的預(yù)查表如下:

碼長表

{2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 4, 0 }

真實值表

{0, 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 0}

       預(yù)查找解碼時,收到一串2進制數(shù)據(jù),我們先將前4個bit(HUFF_LOOKAHEAD = 4)的數(shù)據(jù)讀入移位緩存,假設(shè)為01012(510),則我們在2張預(yù)查表中分別讀取序號為5的數(shù)據(jù)(第6個數(shù)據(jù)),得到碼長為3,真實值為1,因此解碼得到第一個真實數(shù)據(jù)為1,丟棄緩存中前3個bit,從接收到的數(shù)據(jù)流中重新移入3個bit的數(shù)據(jù),與之前的最后一位1組成一個新的4bit數(shù)據(jù),進行下一次預(yù)查找解碼。

       3.2.2 反量化及IDCT變換的實現(xiàn)

       在進行IDCT變換前,先要將數(shù)據(jù)進行反量化及重排列處理。將8×8塊中的數(shù)據(jù)對應(yīng)的乘上量化表中的系數(shù),再將64個數(shù)據(jù)進行Z字型的重新排列,用于后面的IDCT變換。

       IDCT可以用下面的計算公式來實現(xiàn):

       其中x,y=0...7   當(dāng)u=v=0時,C(u)=C(v)=0.5,其他情況 C(u)=C(v)=1

       由于ARM7芯片在數(shù)據(jù)處理方面性能遠(yuǎn)不及DSP,如果簡單按照這個公式來計算IDCT變換,則會因為運算量太大而嚴(yán)重影響解碼速度。因此,文獻[2]中提到了IDCT變換的另一種實現(xiàn)算法。該算法的思想是將二維8×8數(shù)組的IDCT轉(zhuǎn)換為行和列的2個一維數(shù)組的IDCT,進而再轉(zhuǎn)換成一系列簡單的加減法及與常數(shù)相乘的乘法運算,大大減小了運算量。

       3.2.3 色彩轉(zhuǎn)換的實現(xiàn):

       經(jīng)過IDCT變換后,JPEG數(shù)據(jù)被解碼成YCrCb信號。圖像數(shù)據(jù)要在液晶顯示器上顯示,還需要進行最后一步變換,即將YCrCb信號轉(zhuǎn)換成RGB信號,兩者對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式如下:

R = Y + 1.402 ×(Cr-128)

G = Y - 0.34414×(Cb-128) - 0.71414×(Cr-128)

B = Y + 1.772 ×(Cb-128)

       其中,R、G、B、Y、Cr、Cb都是0~255的無符號數(shù)據(jù)。

       公式中有浮點數(shù)的乘法運算,為了提高性能,軟件事先將1.402×(0~255)、0.34414×(0~255)、0.71414×(0~255)以及1.772×(0~255)的結(jié)果制成表格,計算時只要查表即可得到結(jié)果,免去了由于浮點運算而占用的大量處理時間。

       4  結(jié)論

       由于采用了Huffman預(yù)解碼查找表,用簡單的查表語句代替了Huffman解碼過程中大量繁瑣的循環(huán)和移位操作;優(yōu)化的IDCT算法及色彩轉(zhuǎn)換算法,減少了大量復(fù)雜的乘法運算;提高了解碼的效率,大大壓縮了解碼所需的時間,使得原本復(fù)雜的解碼算法在數(shù)據(jù)處理能力并不出色的ARM7芯片上得以很好的實現(xiàn)。

       設(shè)計完成的手持JPEG圖像顯示器如圖3所示,其已經(jīng)在自行設(shè)計的電纜排管疏通監(jiān)視機器人項目中取得了很好的效果,在320×240的液晶屏上顯示的JPEG解碼圖像效果如圖4所示:

 

圖3  手持JPEG圖像顯示器

 

 

圖4  JPEG顯示器圖像顯示效果

 

        本文作者創(chuàng)新點:將計算量龐大的JPEG解碼算法成功地在數(shù)據(jù)處理性能并不出眾的ARM7系統(tǒng)上實現(xiàn)了移植,并由此設(shè)計完成了手持式彩色圖像顯示器。

       參考文獻:

       [1]邢賽鵬,平西建,詹杰勇.JPEG圖像數(shù)據(jù)格式簡明分析[J].微計算機信息,2005,12-3:166-168

       [2]魏忠義,朱磊,基于DSP的JPEG圖像解碼算法的實現(xiàn) [J],陜西 西安,2005年

       [3]Information Technology Digital Compression And Coding Of Continuous-Tone Still Images Requirements And Guidelines   CCITT Recommendation T.81

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