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基于DSP的JPEG圖像解碼算法的實現(xiàn)

基于DSP的JPEG圖像解碼算法的實現(xiàn)

作者:佚名來源:不詳錄入:jdzj868 更新時間：2009-6-5 9:18:11 點擊數(shù)：2

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摘　要：概述了JPEG圖像解碼算法的基本原理，論述了JPEG圖像解碼算法基于DSP的實現(xiàn)過程，并重點討論了JPEG圖像解碼中IDCT變換和Huffman解碼算法的實現(xiàn)和優(yōu)化。本文介紹的JPEG圖像解碼算法可以應(yīng)用到數(shù)碼相機、多媒體手機等多種場合。
　　關(guān)鍵詞：DSP；JPEG；IDCT變換；Huffman解碼　JPEG算法是一種數(shù)字圖像壓縮編碼算法，具有壓縮比例高、失真小的特點，并已被確定為國際標準［1］。要對以JPEG文件格式進行存儲的數(shù)字圖像進行顯示和回放，需對其進行解碼。DSP處理器具有特殊的處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和指令流程，是一種特別適合數(shù)字信號處理的微處理器［2］。DSP對JPEG圖像的解碼處理，具有小巧靈活、實時高效的特點，在諸如數(shù)碼相機、****系統(tǒng)、手機、PDA以及可視電話等多媒體嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 1JPEG圖像解碼算法的基本原理
　　JPEG圖像解碼需要將JPEG圖像數(shù)據(jù)恢復(fù)成壓縮編碼前的圖像數(shù)據(jù)。如圖1所示，JPEG圖像解碼須經(jīng)過預(yù)處理、Huffman解碼、反量化、IDCT變換這幾個主要步驟，然后還要經(jīng)過后續(xù)處理才能最終將JPEG圖像顯示出來。

2JPEG圖像解碼算法的實現(xiàn)和優(yōu)化
　　本文以16位定點ADSP為例，論述使用DSP將24位真彩色JPEG圖像解碼為可顯示的RGB顏色空間圖像的算法流程。
2.1預(yù)處理
　　JPEG圖像解碼需要從JPEG圖像文件中提取解碼需要的各種信息和壓縮數(shù)據(jù)。JPEG圖像文件大體上可分為2個部分：壓縮數(shù)據(jù)和標記碼。壓縮數(shù)據(jù)是以MCU（最小編碼單元）形式存儲的經(jīng)過壓縮編碼后的數(shù)據(jù)。標記碼給出了諸如圖像長度、寬度、量化表、Huffman表等重要信息，而這些信息都包含在不同類型的標記碼中。預(yù)處理算法需要識別不同的標記碼，并提取標記碼中的有用信息。當進入SOS（掃描開始）標記碼并開始讀取壓縮數(shù)據(jù)時，預(yù)處理任務(wù)結(jié)束，開始進入解碼階段。
2.2基于IDCT的解碼實現(xiàn)
　　基于IDCT的解碼過程如圖1虛線框所示，包括：Huffman解碼、反量化和IDCT變換。如前所述JPEG文件中的壓縮數(shù)據(jù)是以MCU形式存儲的，因此解碼過程也必須以MCU為單元來實現(xiàn)，即不斷對MCU單元進行循環(huán)解碼，直到取完所有壓縮數(shù)據(jù)為止。JPEG文件中MCU可以定義成多種模式，本文以MCU的4∶1∶1模式進行說明。
2.2.1Huffman解碼的實現(xiàn)

 　　如圖2所示，對一個MCU進行Huffman解碼，需在完成亮度解碼后才能進行色度解碼。解碼后得到6個具有64位元素的一維數(shù)組，分別是：4個Y亮度數(shù)組、1個C_b色度數(shù)組、1個Cr色度數(shù)組。對亮度和色度進行解碼其實就是對亮度數(shù)組和色度數(shù)組的解碼。對一個數(shù)組來說，Huffman解碼包括直流解碼和交流解碼。對數(shù)組第一個元素的解碼稱為直流解碼（簡記為DC解碼），對剩下的63個元素的解碼稱為交流解碼（簡記為AC解碼）。JPEG文件中一般包含4個Huffman表，即亮度DC表、AC表，色度DC表、AC表。對不同的數(shù)據(jù)進行解碼需要調(diào)用不同的Huffman表。DC解碼出的數(shù)據(jù)稱為DC值，但最終的DC值卻是直接解碼出的DC值與該數(shù)組緊跟的前面一個數(shù)組的DC值之和。AC解碼一般會得到多個數(shù)據(jù)，包括一些連續(xù)0數(shù)據(jù)和一個非0數(shù)據(jù)。
　　不管是亮度還是色度解碼，也不管是AC還是DC解碼， Huffman碼是其最小解碼單位，且每個Huffman碼的解碼流程都是大致相同的。一個Huffman碼包括碼頭和碼值2部分，碼頭用來惟一的標識該Huffman碼，并與Huffman表一一對應(yīng)，碼值是該碼的實際大小。圖3是ADSP完成一個Huffman碼解碼的流程圖。在圖3中，SR是ADSP中32位移位寄存器，他包括2個可以單獨使用的16位寄存器：SR0和SR1。當SR從低16位開始將SR0中的數(shù)據(jù)向左移位時，從SR0移出的數(shù)據(jù)會進入SR1中。對一個Huffman碼進行解碼需要首先找到該碼的碼頭，而最短的碼頭有2個二進制位。為此，從JPEG文件中讀取一個字的數(shù)據(jù)后，先取其高兩位來分析。圖3中，判斷A是指：判斷SR1中的數(shù)據(jù)是否是包含在Huffman判斷表中的Huffman碼頭，判斷B是指：判斷SR0移位后剩下的數(shù)的位數(shù)是否不小于查得的Huffman碼值位數(shù)，X是指SR0中剩下的還沒有移位的數(shù)的位數(shù)，Y是指查得的Huffman碼值位數(shù)。
　　Huffman碼是變長編碼，Huffman解碼時需要將所有壓縮數(shù)據(jù)都按位在Huffman表中進行分析比較以確定惟一標識Huffman碼的碼頭，如果直接采用從JPEG文件頭中讀取的Huffman表將非常浪費時間。為此，根據(jù)從JPEG文件中讀取的Huffman表，生成了2個單獨的表，即圖3中的Huffman值表和判斷表。值表存放的是與Huffman碼頭相對應(yīng)的碼值位數(shù)信息。判斷表專門用于判斷識別碼頭。判斷表確定碼頭后，根據(jù)碼頭就可以在值表中直接查到Huffman碼值的位數(shù)，知道了碼值的位數(shù)就可以從JPEG文件中輕松取出該碼值來，從而完成一個Huffman碼的解碼。

 2.2.2反量化的實現(xiàn)
　　由圖1可知：量化運算需要量化表的配合。從JPEG文件中讀取的量化表一般有2個，分別用2個64位元素的一維數(shù)組來存儲，分別用于對亮度和色度行進反量化。反量化運算就是將上面經(jīng)Huffman解碼得到的數(shù)組中的元素與量化表中對應(yīng)位置元素相乘。反量化的計算可以利用ADSP的可變址寄存器尋址方式和循環(huán)指令，靈活快捷地裝載操作數(shù)并循環(huán)執(zhí)行，這樣可以大大減少非計算指令消耗DSP指令周期。反量化運算的ADSP實現(xiàn)代碼如下：
　

　　為了進行后面的IDCT，還需要將完成反量化運算的數(shù)組進行Z字型變換，即按圖4所示折線先后的順序?qū)⒁痪S數(shù)組變換成8×8的二維數(shù)組。這樣，一個MCU經(jīng)過反量化和Z字型變換后，就得到了8×8的Y數(shù)組4個，C_b，C_r數(shù)組各一個。

2.2.3IDCT的實現(xiàn)
　　IDCT變換(離散余弦反變換)，其計算可用下面的公式表示為：
　　

為其他情況時，C（u）=C（v）=1。直接按照上面的公式計算，將會有很大的運算量，勢必影響JPEG的解碼速度，為此可以將二維的IDCT分為2個一維的IDCT，轉(zhuǎn)換如下：
　　

　　這樣對8×8的二維數(shù)組進行IDCT的計算可以轉(zhuǎn)化為先對該數(shù)組的行分別進行8次一維IDCT，再對列分別進行8次一維IDCT，這樣就簡化了計算復(fù)雜度。下面研究如何快速實現(xiàn)一維IDCT。
　　由文獻［3］可得到8點一維DCT變換（用S8（u）表示）同16點DFT（離散傅里葉變換，用F16（u）表示）的關(guān)系公式如下：
　　

　　由上面的公式可知：對應(yīng)的16點DFT的實部等于8點一維DCT變換乘以一個常數(shù)。因此，8點一維IDCT可由16點DFT來代替。根據(jù)參考文獻［3］的推導并結(jié)合ADSP的特點，8點一維IDCT可用如下公式流程來實現(xiàn)：
　　


　　從上面的運算步驟可以看出，一維IDCT運算已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了一系列簡單的加減法及與常數(shù)相乘的乘法運算。簡化了IDCT運算的復(fù)雜度，并大大降低了運算量。用ADSP實現(xiàn)上面的運算，要注意結(jié)合ADSP自身的特點，以上述第（3）步計算b3，b4為例，ADSP實現(xiàn)代碼如下：
　　

　　上述代碼利用了操作數(shù)的特點，合理調(diào)整了各公式數(shù)據(jù)的計算次序并選用合適的指令，使一次裝載的4個數(shù)據(jù)可以完成乘、加、減三種運算，節(jié)約了指令周期。
2.3后續(xù)處理的實現(xiàn)
　　經(jīng)過上述處理后，JPEG圖像解碼任務(wù)基本完成，但是要將解碼出的圖像進行顯示還需要一些后續(xù)處理。后續(xù)處理的任務(wù)之一就是完成顏色空間的轉(zhuǎn)換，即將JPEG圖像數(shù)據(jù)的YC_bC_r顏色空間轉(zhuǎn)換為RGB顏色空間，其轉(zhuǎn)換公式如圖5左邊所示。但是，為了使計算出的R，G，B的值都是正數(shù)，需要對Y，C_b，C_r分別加128進行修正，同時該公式中乘法運算出現(xiàn)了浮點數(shù)，故需要對浮點數(shù)進行定標處理。此處，參與乘法運算的浮點數(shù)定為Q14，為了使乘法運算的結(jié)果能直接參與加減運算，還需要將積再除以214。因此，圖5左邊的公式就需要轉(zhuǎn) 變成右邊的公式。從公式中可以看出：每計算出一對R，G，B數(shù)據(jù)，需要一對Y，C_b，C_r數(shù)據(jù)參與運算，但是一個MCU計算出的Y，C_b，C_r數(shù)據(jù)是4∶1∶1的關(guān)系，為此，在進行顏色空間轉(zhuǎn)換前，需將1個C_b和1個C_r數(shù)組擴展成4個Cb和4個Cr數(shù)組。完成顏色空間的轉(zhuǎn)換后，再將計算出的R，G，B數(shù)據(jù)按顯示設(shè)備要求的格式排列，就可以顯示圖像了。



3結(jié)語
　　本文以上述算法和流程為基礎(chǔ)，在ADSP的開發(fā)環(huán)境Visual DSP下，實現(xiàn)了JPEG的解碼算法,并進行了優(yōu)化，其中，消耗程序存儲器2 566 B，數(shù)據(jù)存儲器893 B。圖6是原始JPEG圖像，圖7是采用上述算法流程，在ADSP中進行解碼后得到的BMP圖像。對本算法進行適當?shù)男薷模?/FONT>就可以應(yīng)用到數(shù)碼相機、PDA等多種嵌入式系統(tǒng)中。 參考文獻［1］張益貞，劉滔.VisualC⁺⁺.實現(xiàn)MPEG/JPEG編解碼技術(shù)［M］ .北京：人民郵電出版社，2002
［2］徐科軍，黃云志.定點DSP的原理、開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學出版社，2002
［3］The Implementation of the 2D-IDCT［J］.http://rnvs.informatik.tu- chemnit.zde/_~jan/MPEG/HTML/IDCT.html.2000

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