PNG的硬件解碼加速設計
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PNG(Portable Network Graphic Format)是流式網(wǎng)絡圖形格式的簡稱，是一種位圖文件(Bitmap File)存儲格式。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，該算法的特點就是先利用LZ77算法進行短語式重復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算法進行單字節(jié)重復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，不利于移動設備的低功耗設計優(yōu)化。為此，這里討論了PNG圖像的硬件解碼實現(xiàn)方法，其應用對象是手機專用芯片，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)和硬件加速等實現(xiàn)方法，而硬件加速解碼功能的主要作用是減少CPU的負擔，極大加快PNG圖片顯示速度，并在一定程度上減少了功耗，延長了手機的待機時間，具有很大研究與開發(fā)的實際價值。
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“滑動窗口壓縮”，該算法將一個虛擬的，可以跟隨壓縮進程滑動的窗口作為術語字典；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個字符，岡0剛編碼過的15個字符為：byhelloeveryone，即將編碼的字符為：helloto―e、，eryonehi。可以發(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，只要維護好滑動窗口，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，利用各個單字節(jié)所使用頻率不一樣的特點，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一步地進行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，編碼后的各個元素長度分別為L一{1，3，3，3，3，2}，可見編碼后儲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：
(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)點頻率按從小到大排列，而同樣頻率的節(jié)點按字符值從小到大排列，這點也是PNG采用的zip算法對Huffman算法的一種改進。因此，解碼時首先要提取出壓縮流中的碼表信息建立出Huffman樹，其中每個葉結點應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)。
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