JPEG 圖像解碼器在STM32上的應(yīng)用研究

覃松，李冰

（廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，桂林541004）

引 言

一幅圖像如果按照原始的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示，必定會(huì)耗費(fèi)很大的設(shè)備內(nèi)存和很長(zhǎng)的時(shí)間。為了減少圖像在電子設(shè)備中所占的容量，需要對(duì)圖像進(jìn)行壓縮。JPEG 標(biāo)準(zhǔn)在保證圖像質(zhì)量的情況下具有高壓縮率、圖像占用容量小、解碼簡(jiǎn)單、代碼量小等特點(diǎn)。目前它主要應(yīng)用在DSP、FPGA、ARM9等高速處理器上，這些處理器成本都比較高。

本文研究了一種在保證解碼速度和同等圖像質(zhì)量的情況下，采用更低成本的ARM 處理器STM32F103ZET6對(duì)圖像進(jìn)行解碼的方案。為了節(jié)省片內(nèi)存儲(chǔ)資源，利用SD卡存儲(chǔ)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行分塊解碼，并且邊解碼邊在2.8寸TFT 屏幕顯示。

1 總體設(shè)計(jì)方案

硬件方面，由 4 個(gè)部分構(gòu)成：解碼芯片STM32F103ZET6、SD 卡電路、驅(qū)動(dòng)芯片HX8347控制的2.8寸TFT 顯示屏幕、鍵盤(pán)輸入控制電路。其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。軟件方面，主要由4個(gè)功能模塊構(gòu)成：SD 卡的驅(qū)動(dòng)及FatFS 文件系統(tǒng)程序、JPEG 解碼算法程序、TFT 屏幕的顯示驅(qū)動(dòng)程序、按鍵控制程序。

系統(tǒng)工作過(guò)程：首先把JPEG 圖像存儲(chǔ)在高速SD 卡中，利用STM32F103ZET6自帶的SD卡接口，通過(guò)SD 卡模式讀取SD卡中的圖像；然后，利用JPEG 解碼算法解碼出格式為RGB565的數(shù)據(jù)；最后，顯示在TFT 上。另外，用3個(gè)按鍵作為輸入，功能分別為復(fù)位、向后翻一張圖片和向前翻一張圖片。

圖1 系統(tǒng)硬件方框圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 STM32F103VET6處理器簡(jiǎn)介

STM32F103VET6是內(nèi)核為32位的Cortex-M3處理器，最高工作頻率為72 MHz，具有512KB的閃存程序存儲(chǔ)器和64 KB 的SRAM。內(nèi)核具有突出的中斷處理能力，其實(shí)時(shí)性高，系統(tǒng)存儲(chǔ)要求低，并且功耗和成本很低，所以具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1.2 SD卡的硬件電路工作模式選擇

STM32F103ZET6驅(qū)動(dòng)SD 卡，具有兩種工作模式：SPI模式和SD卡模式。本文采用SD卡模式，它用4根數(shù)據(jù)線，因此比僅用2 根數(shù)據(jù)線的SPI模式讀寫(xiě)速度快了一倍。

1.1.3 TFT硬件電路設(shè)計(jì)

本文把TFT 當(dāng)作外部存儲(chǔ)器來(lái)使用，對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片HX8347的讀寫(xiě)和控制信號(hào)進(jìn)行編程，只需指定指針就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT 的讀寫(xiě)。這樣既簡(jiǎn)化了對(duì)TFT 的編程，而且又提高了訪問(wèn)速度，避免了用I／O 口模擬時(shí)序訪問(wèn)TFT 產(chǎn)生的“拖影”。

2 JPEG解碼器原理簡(jiǎn)介

解碼框圖如圖2所示。首先，從SD 卡中讀取圖像的信息頭，它包含圖像識(shí)別碼、Huffman表，量化表，圖像的高、寬，采樣因子等解碼需要的信息。其次，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行Huffman解碼、反量化、反離散余弦變換（IDCT）、轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)。最后，進(jìn)行圖像顯示。

圖2 解碼框圖

JPEG 圖像是按照很多數(shù)據(jù)塊（MCU）進(jìn)行存儲(chǔ)，每一塊分為8×8 像素。數(shù)據(jù)塊和像素點(diǎn)都是按照從左到右、從上到下的順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。JPEG 利用Huffman亮度表和色度表分別對(duì)圖像亮度和色度進(jìn)行解碼。值得注意的是，解碼出的直流系數(shù)DC是校正值，而不是真正的DC值，需要加上后一個(gè)MCU 解碼出來(lái)的DC值；AC值解碼出來(lái)就是AC值。用亮度和色度量化矩陣對(duì)它們進(jìn)行反量化，公式如下：

其中，C（x，y）是Huffman解碼出來(lái)的矩陣，Q（x，y）是量化矩陣。

在量化后8×8的矩陣中，數(shù)據(jù)是按照“之”形進(jìn)行排列，所以，需要進(jìn)行反Zig-zag變換。根據(jù)編碼，對(duì)圖像數(shù)據(jù)正向離散余弦變換。解碼就用IDCT 進(jìn)行反變換，即從頻域向時(shí)域變換。反向離散余弦變換公式為：

需要注意RGB轉(zhuǎn)換結(jié)果，此TFT 支持RGB值的范圍是（0，255），轉(zhuǎn)換的結(jié)果如果不在這個(gè)范圍內(nèi)，小于0就設(shè)置為0，大于255就設(shè)置為255。

3 簡(jiǎn)化IDCT公式

IDCT 公式有兩個(gè)0到7累加和計(jì)算，這樣要獲得一個(gè)IDCT 系數(shù)，需要做64次乘法和64次加法，而完成整個(gè)8×8像素的IDCT 需要4 096次乘法和4 096次加法，計(jì)算量非常大。對(duì)于STM32F103ZET6處理器來(lái)說(shuō)，將產(chǎn)生極大的運(yùn)算量，極大地占用CPU 的資源。為此，可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)一維的公式：

經(jīng)過(guò)公式的簡(jiǎn)化，分別計(jì)算行和列的IDCT 變換。對(duì)于一行來(lái)說(shuō)需要計(jì)算的是64次乘法和64次加法，8行就是512次乘法和512次加法；列同行計(jì)算一樣，結(jié)果總運(yùn)算量為1024次乘法和1024次加法，相對(duì)于二維運(yùn)算量減少了3／4。

4 STM32F103ZET6解碼流程分析

利用STM32F103ZET6平臺(tái)解碼一幅JPEG 圖像的流程圖如圖3所示。程序代碼在ST 公司自帶的庫(kù)文件上編寫(xiě)。初始化階段，先配置好STM32F103ZET6內(nèi)部時(shí)鐘、中斷處理和FSMC、按鍵、SD 卡、TFT 等外設(shè)接口，再初始化FatFS文件系統(tǒng)、TFT 屏幕。初始化成功之后，讀取JPEG 圖像文件的信息頭，讀完段標(biāo)記SOS后是圖像數(shù)據(jù)，每次讀取一個(gè)MCU（即64個(gè)數(shù)據(jù)）塊，對(duì)它進(jìn)行Huffman解碼、反量化、反Zig-zag編碼、IDCT 變換、YUV 到RGB的顏色轉(zhuǎn)換和顯示，直到結(jié)束。

5 解碼結(jié)果分析

將像素為320×240，位深度為24 位，大小為40 KB左右的JPEG 圖像進(jìn)行解碼。在Keil4軟件里測(cè)試，公式簡(jiǎn)化后平均每一幅圖像的解碼時(shí)間大約是0.25s，比簡(jiǎn)化前提高了大約1.25s。速度比較快的主要原因是二維IDCT 公式的簡(jiǎn)化，減少了STM32F103ZET6 的計(jì)算量，讀取SD 卡用SD 卡模式而不是SPI 模式，同時(shí)利用FSMC接口電路連接TFT 屏幕。經(jīng)過(guò)研究對(duì)比，在算法和圖像質(zhì)量一樣的前提下，用TMS320DM2375的DSP雙核處理器和ARM7進(jìn)行解碼，速度分別是0.03s和2.4s，STM32F103ZET6比ARM7 處理器快了大約2.15s，比TMS320DM2375慢了0.22s。雖然比TMS320DM-2375慢了0.22s，但是不會(huì)有太大的影響。而ARM7解碼速度太 慢，并 不 利 于 嵌 入 式 的 應(yīng) 用。另 外，STM32F103ZET6還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是其官方提供了庫(kù)函數(shù)，使其軟件開(kāi)發(fā)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DSP。STM32-F103ZET6解碼前和解碼后的圖像如圖4和圖5所示。

圖3 解碼流程圖

圖4 解碼前圖像

圖5 解碼后圖像

結(jié) 語(yǔ)

本文完成了JPEG 標(biāo)準(zhǔn)在STM32F103ZET6上解碼的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了邊讀取SD卡中的圖像數(shù)據(jù)邊在TFT上的顯示，這種方法減少了內(nèi)存容量。解碼器占用的RAM 僅3KB，ROM 為4.5～9.5KB。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)解碼器進(jìn)行封裝，只留一個(gè)接口函數(shù)，因此具有很強(qiáng)的移植性；并且進(jìn)行了二維ICDT 公式的簡(jiǎn)化和代碼的優(yōu)化。雖然51、LPC、AVR單片機(jī)成本比STM32F103ZET6稍微低點(diǎn)，但是解碼的速度很慢。DSP、ARM9、FPGA 等雖然解碼很快，但在電子廣告、數(shù)碼播放器、電子玩具、車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)等對(duì)解碼圖像要求不高的嵌入式產(chǎn)品上使用就顯得成本較高。此外，ST 公司已經(jīng)推出了價(jià)格與STM32F103系列相當(dāng)?shù)腟TM32F4 系列，專(zhuān)門(mén)處理視頻圖像的處理器，勢(shì)必大大提高視頻圖像的解碼速度。綜合以上考慮，以STM32F103ZET6作為新一代的解碼設(shè)備具有較高的研究及應(yīng)用價(jià)值。

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