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基于LPC2292的手持JPEG圖像顯示器設計

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

關鍵詞： 微處理器|微控制器 LPC2292 JPEG ARM7 Huffman IDCT

Abstract：

Key words :

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

        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構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行,。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用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解碼的臨時結果,，IDCT解碼的臨時結果等。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編碼技術主要包括顏色轉換,、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，軟件事先構造了一張預查找表,，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，解碼結果都可以從該預查找表中直接讀出,，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),。

預查表分兩部分,，其構造思想如下：

假設某個亮度的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張預查表中,，最后一個數(shù)據(jù)均為0，構造的預查表如下：

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，假設為01012（510）,，則我們在2張預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轉換為行和列的2個一維數(shù)組的IDCT，進而再轉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信號轉換成RGB信號,，兩者對應的轉換公式如下：

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）的結果制成表格，計算時只要查表即可得到結果,，免去了由于浮點運算而占用的大量處理時間,。

4 結論

由于采用了Huffman預解碼查找表，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算法及色彩轉換算法,，減少了大量復雜的乘法運算；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：