基于LPC2292的手持JPEG图像显示器设计

文章介绍了基于32位ARM7芯片LPC2292实现的软件JPEG解码算法及应用了此算法的手持JPEG图像显示器的设计。

文章从JPEG的编码原理入手，针对LPC2292的资源和性能特点，进行了可行性分析。重点论述了Huffman解码和IDCT解码的优化算法的实现，很大程度上提高了解码算法的效率，使得算法在ARM7芯片上的移植成为可能。


1 概述

在数字图像处理过程中，JPEG编码是一种经常运用的压缩算法，目的是有效地压缩数字图像大小，便于存储和传输。其具有压缩比例高、失真小等特点。目前对应的JPEG解码方式有两种：硬件解码和软件解码。硬件解码是利用硬件解码芯片来完成对JPEG数据的解码；软件解码则是通过编写程序来完成对数据的还原。由于软件解码需要大量的浮点运算，目前较多的由PC及DSP来实现。

本文主要介绍了一种基于Philips公司的ARM芯片LPC2292来实现JPEG图像软件解码的方法及基于此算法实现的手持式JPEG图像显示器。

2 JPEG解码可行性分析

2.1 LPC2292的特点

LPC2292是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，带有256 k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码 规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

2.2 存储器容量计算

JPEG解码涉及到大量的数据计算，因此需要大量的数据缓存器。手持JPEG显示器的缓存主要包括原始JPEG图像数据缓存、JPEG解码缓存以及RGB数据显示缓存等。原始JPEG图像数据缓存用于存放需要解码的JPEG图像数据，根据JPEG图像的复杂度及压缩比不同，一般一帧320×240的彩色JPEG图像的大小在2k～20k字节。JPEG解码缓存主要用于存放一些JPEG解码过程中的中间数据，主要包括MCU解码中Huffman解码的临时结果，IDCT解码的临时结果等。RGB数据显示缓存用来存放JPEG解码完后的RGB原始数据，用于LCD液晶显示，一帧320×240的彩色16位RGB图像，共需要320×240×16÷8＝57600字节。

LPC2292内部带有16k的SRAM。如果采用整张图像缓存、解码完再显示的话，根据上面的分析，仅显示缓存区一项就不能满足需要。因此，设计采用一边读取数据、一边解码、一边显示的策略，来减少对存储器的需求。

3 具体实现

3.1硬件实现

JPEG图像显示器的硬件实现框图如下图所示：

图1 JPEG图像显示器硬件框图 系统以LPC2292为控制核心，采用CAN总线来从外界读取原始JPEG数据，彩色LCD显示模块则选用TFT6758彩色LCD液晶显示模块。LPC2292内部自带的CAN接口及32位宽度的数据总线，可以很方便的与CAN总线及LCD液晶显示模块实现连接。 3.2软件实现： JPEG编码技术主要包括颜色转换、DCT变换、量化、熵编码及Huffman编码等部分，其数据格式在文献[1]中进行了详尽的阐述。 JPEG解码主要包括Huffman解码、反量化及IDCT变换、色彩变换等模块，其流程框图如下： 图2 JPEG图像解码软件流程框图 3.2.1 Hffman解码的实现： Huffman解码主要通过反向查找Huffman表来实现。由于查找过程需要大量的移位及循环，效率很低。为了提高效率，软件事先构造了一张预查找表，该表的维数由宏定义HUFF_LOOKAHEAD来决定。位数低于HUFF_LOOKAHEAD的Huffman编码，解码结果都可以从该预查找表中直接读出，而对于位数大于HUFF_LOOKAHEAD的则再通过移位循环来遍历Huffman表实现解码。可以看出，预查找表维数越高，则整个Huffman解码所需的循环移位次数越少，解码效率越高，但同时，需要存放预查找表的空间也越高，其占用字节数为2的HUFF_LOOKAHEAD次方字节。 预查表分两部分，其构造思想如下： 假设某个亮度的DC 系数的Huffman编码表如下，HUFF_LOOKAHEAD的值为4： 表1 亮度DC Huffman编码表 则构造2张维数为24的表，一张中的数据为码长，另一张为真实值。 表中第一行码字00代表的是真实数据0，则构造的码长表中，序号为00XX2（其中X表示0或1，即00XX2为0－310）的数据全为2，真实值表中，序号为00XX2（0－310）的数据全为0； 表中第二行码字010代表的是真实数据1，同理码长表中，序号为010X2（4－510）的数据全为3，真实值表中，序号为010X2（4－510）的数据全为1； 依次类推，直到填满，序号为11112（