PNG的硬件解碼加速設(shè)計(jì)
PNG(Portable Network Graphic Format)是流式網(wǎng)絡(luò)圖形格式的簡稱，是一種位圖文件(Bitmap File)存儲(chǔ)格式。PNG文件采用壓縮率高的LZ77和Huffman兩種無損壓縮算法，支持網(wǎng)絡(luò)彩色圖像傳輸，支持Alpha通道、定義透明區(qū)域和多重透明，逐步細(xì)化地顯示圖片。
PNG壓縮的核心算法是采用Zip壓縮算法，該算法的特點(diǎn)就是先利用LZ77算法進(jìn)行短語式重復(fù)的壓縮得到未匹配的字節(jié)和匹配長度、距離的組合值，然后再根據(jù)Huffman算法進(jìn)行單字節(jié)重復(fù)的壓縮最終得到壓縮碼流。PNG解碼的原理也就是壓縮的反過程，那么解碼時(shí)可根據(jù)碼表信息和壓縮碼流還原出原始圖像數(shù)據(jù)。
PNG文件的解碼通常由軟件完成，軟件解碼實(shí)現(xiàn)方式靈活，但相對硬件解碼而言，軟件解碼速度慢，能量消耗大，不利于移動(dòng)設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)優(yōu)化。為此，這里討論了PNG圖像的硬件解碼實(shí)現(xiàn)方法，其應(yīng)用對象是手機(jī)專用芯片，對低功耗和解碼速度都有較高的要求，并解決了PNG解碼的快速查表、軟硬件協(xié)調(diào)和硬件加速等實(shí)現(xiàn)方法，而硬件加速解碼功能的主要作用是減少CPU的負(fù)擔(dān)，極大加快PNG圖片顯示速度，并在一定程度上減少了功耗，延長了手機(jī)的待機(jī)時(shí)間，具有很大研究與開發(fā)的實(shí)際價(jià)值。
1 PNG圖像解碼原理的介紹
1．1 LZ77算法介紹
LZ77算法可以稱為“滑動(dòng)窗口壓縮”，該算法將一個(gè)虛擬的，可以跟隨壓縮進(jìn)程滑動(dòng)的窗口作為術(shù)語字典；要壓縮的字符串若在窗口中出現(xiàn)，則輸出匹配長度和距離的組合信息，來替換前面出現(xiàn)的相同字符串，且要求最小匹配的字符串為3個(gè)字節(jié)，這樣可以保證壓縮后的數(shù)據(jù)量小于原始數(shù)據(jù)。
例如窗口的大小為15個(gè)字符，岡0剛編碼過的15個(gè)字符為：byhelloeveryone，即將編碼的字符為：helloto—e、，eryonehi?？梢园l(fā)現(xiàn)有些字符串前面已經(jīng)出現(xiàn)過，則用()起來的字符串表示滑動(dòng)窗口中已出現(xiàn)過的匹配串：(hello)to(everyone)hi。
以上這些原始信息，可利用LZ77算法用匹配長度和距離的組合信息來替換有匹配的字符串，若碰到未匹配的字節(jié)則直接輸出，壓縮后的內(nèi)容為：(5，13)to(8，15)hi。在LZ77解壓縮時(shí)，只要維護(hù)好滑動(dòng)窗口，隨著壓縮信息的不斷輸入，可根據(jù)匹配的組合信息從窗口中找到相應(yīng)的匹配字符串作為輸出，即可還原出原始數(shù)據(jù)。
1．2 Huffman算法介紹
Huffman算法屬于編碼式壓縮，利用各個(gè)單字節(jié)所使用頻率不一樣的特點(diǎn)，使定長編碼轉(zhuǎn)變?yōu)樽冮L的編碼，給頻率高的字節(jié)更短的編碼，使用頻率低的字節(jié)更長的編碼，起到無損壓縮的效果。這樣，經(jīng)過LZ77壓縮后的未匹配的字節(jié)和匹配的組合信息可以進(jìn)一步地進(jìn)行Huffman壓縮，從而得到很高的壓縮效率。
例如，對于一組元素的字符值為s={a，b，c，d，e，f}，其對應(yīng)的出現(xiàn)頻率為P={10，2，2，2，2，9}。圖1是根據(jù)以上信息建立的Huffman樹。各元素出現(xiàn)頻率和元素值如圖1所示，編碼后的各個(gè)元素長度分別為L一{1，3，3，3，3，2}，可見編碼后儲(chǔ)存這些字符值所需的空間極大地減少了。
這棵Huffman樹是根據(jù)PNG規(guī)范的Dellate原則建立的，具有以下特點(diǎn)：
(1)左邊的葉子編碼為0，右邊的為1；
(2)編碼必須滿足“前綴編碼”的要求，即較短的編碼不能是較長編碼的前綴，這保證了碼的惟一性；
(3)每一層葉子的節(jié)點(diǎn)頻率按從小到大排列，而同樣頻率的節(jié)點(diǎn)按字符值從小到大排列，這點(diǎn)也是PNG采用的zip算法對Huffman算法的一種改進(jìn)。因此，解碼時(shí)首先要提取出壓縮流中的碼表信息建立出Huffman樹，其中每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)應(yīng)包含有碼長和字符值信息，并把最終生成的碼表保存在RAM中供給Huff_man解碼模塊查表還原出圖像原始數(shù)據(jù)。
2 PNG解碼的軟硬件協(xié)調(diào)機(jī)制
整個(gè)PNG硬件解碼過程都是由軟件來調(diào)度的，在硬件解碼中若校驗(yàn)到圖片數(shù)據(jù)出錯(cuò)或解碼完成時(shí)，則PNG硬件模塊通過配置專門的寄存器給軟件檢查做中斷處理；當(dāng)軟件檢測到這個(gè)寄存器信號(hào)使能時(shí)就產(chǎn)生中斷，就能即使關(guān)閉PNG硬件解碼模塊，在數(shù)據(jù)有誤的情況下節(jié)省了硬件解碼的功耗。
解碼前后數(shù)據(jù)的搬運(yùn)機(jī)制是通過公用的AVI模塊(相當(dāng)于FIF0實(shí)現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的緩存)實(shí)現(xiàn)了PNG數(shù)據(jù)的搬運(yùn)：解碼前，軟件通過調(diào)配AVI模塊從內(nèi)存中搬取壓縮數(shù)據(jù)給PNG硬件模塊做解碼；解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過Resize模塊縮放后又可以利用AVI搬運(yùn)給VGA做顯示，這種較優(yōu)的軟件調(diào)配機(jī)制，解決了該設(shè)計(jì)的軟硬件協(xié)調(diào)問題，可以在節(jié)省功耗的前提下實(shí)現(xiàn)高效率的解碼，具體的軟件硬件協(xié)調(diào)原理如圖2所示。
3 PNG解碼的總體硬件結(jié)構(gòu)
PNG硬件解碼加速的整體結(jié)構(gòu)主要由Bytesshift字符容器、PNG頭信息處理模塊、Inflate table建Huffman表模塊、Inflate fast快速解碼模塊、Lz77尋找匹配串模塊、Filter反濾波反交織模塊和Resize放大縮小模塊7大模塊組成。具體PNG解碼的硬件流程圖如圖3所示。
如圖3可見，PNG解碼的基本流程為：通過AVI模塊從總線上搬取壓縮數(shù)據(jù)到Bytesshift字符容器進(jìn)行緩存，并轉(zhuǎn)換為壓縮比特流；通過PNG頭信息處理模塊保留下文件的頭信息，通過控制Inflate table模塊讀取碼長信息來建立Huffman表，并對壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過Filter模塊進(jìn)行反濾波和反交織等處理，然后發(fā)給Resize模塊做放大縮小處理后，并通過AVI模塊將最終解碼后的數(shù)據(jù)傳輸出去。其中，解碼核心模塊和Filter模塊通過采用了數(shù)據(jù)的流水線處理方式，也極大地提高了．PNG的解碼效率。
4 PNG核心解碼模塊的硬件結(jié)構(gòu)
由于編碼長度可變和編碼長度不統(tǒng)一，解碼時(shí)若按位比較來查找Huffman表會(huì)消耗很多時(shí)間，且PNG數(shù)據(jù)流中Huffman編碼的最長碼長為9。因此，為了實(shí)現(xiàn)快速查表解碼，本算法中將碼長小于9的Huffman樹的葉結(jié)點(diǎn)作為父結(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展到9層，即擴(kuò)展出來的葉結(jié)點(diǎn)信息都同父結(jié)點(diǎn)一樣，每次用固定的9比特壓縮數(shù)據(jù)作為地址去查表。這樣可以保證在每一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)都可以查找到相應(yīng)的字符值，就可以極大地提高硬件解碼的效率。以前面的Huffman樹為例子(如圖4所示)，簡單地將第4層以內(nèi)的葉結(jié)點(diǎn)補(bǔ)充到第4層，即把整個(gè)Huffman二叉樹補(bǔ)滿，則在第4層的子葉結(jié)點(diǎn)的長度和字符信息都同父結(jié)點(diǎn)一樣。
這種擴(kuò)展Huffman樹的方法，可以實(shí)現(xiàn)迅速查找Huffman表，得到相應(yīng)的字符值和匹配的組合信息值，對解出匹配的組合信息值，則根據(jù)LZ77原則還原出解碼數(shù)據(jù)作為輸出。
該設(shè)計(jì)中的硬件解碼核心模塊可參考圖5。這種硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是利用擴(kuò)展碼表的方法實(shí)現(xiàn)快速解碼。核心解碼的基本流程為：每次用固定的9 b壓縮數(shù)據(jù)作為地址去查表，查出包含有碼長和字符信息的葉結(jié)點(diǎn)，并根據(jù)碼長信息從字符容器模塊移出使用過的壓縮數(shù)據(jù)，并等待新進(jìn)的壓縮數(shù)據(jù)與字符容器剩余的壓縮數(shù)據(jù)組成新的9 b數(shù)據(jù)作為查表地址。在下一個(gè)時(shí)鐘重復(fù)查表的過程，以此方式反復(fù)查表直至Huffman解碼結(jié)束。
5 仿真和綜合結(jié)果
經(jīng)Modelsim 6．3仿真提取出解碼后數(shù)據(jù)，在Matlab工具中進(jìn)行對原圖顯示與該設(shè)計(jì)解碼后提取出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，比較結(jié)果完全一致，并且在驗(yàn)證平臺(tái)上比較其對應(yīng)的原始圖像數(shù)據(jù)也完全吻合，因此，該硬件設(shè)計(jì)能夠完全不失真的恢復(fù)PNG圖像數(shù)據(jù)。
在設(shè)計(jì)中，使用臺(tái)積電90 nlTl的工藝庫，在100 MHz的頻率下對PNG解碼核心模塊用DC進(jìn)行綜合，結(jié)果如表1所示。(其中面積大小和功耗不包括RAM的面積和讀寫RAM的功耗)
6 結(jié) 語
這里討論了PNG解碼加速的硬件實(shí)現(xiàn)方法。其中分析了LZ77和Huffman兩種算法的硬件解碼原理，以及采用補(bǔ)滿Huffman樹的機(jī)制實(shí)現(xiàn)快速查表解碼，并運(yùn)用較優(yōu)的軟硬件協(xié)調(diào)機(jī)制，在節(jié)省功耗前的前提下實(shí)現(xiàn)PNG硬件解碼加速。
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