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(luò )圖形格式的簡(jiǎn)稱(chēng)，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(wú)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(diǎn)就是先利用LZ77算法進(jìn)行短語(yǔ)式重復的壓縮得到未匹配的字節和匹配長(cháng)度、距離的組合值，然后再根據Huffman算法進(jìn)行單字節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(guò)程，那么解碼時(shí)可根據碼表信息和壓縮碼流還原出原始圖像數據。
PNG文件的解碼通常由軟件完成，軟件解碼實(shí)現方式靈活，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(shí)現方法，其應用對象是手機專(zhuān)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)調和硬件加速等實(shí)現方法，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(cháng)了手機的待機時(shí)間，具有很大研究與開(kāi)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(chēng)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(yǔ)字典；要壓縮的字符串若在窗口中出現，則輸出匹配長(cháng)度和距離的組合信息，來(lái)替換前面出現的相同字符串，且要求最小匹配的字符串為3個(gè)字節，這樣可以保證壓縮后的數據量小于原始數據。
例如窗口的大小為15個(gè)字符，岡0剛編碼過(guò)的15個(gè)字符為：byhelloeveryone，即將編碼的字符為：helloto―e、，eryonehi?？梢园l(fā)現有些字符串前面已經(jīng)出現過(guò)，則用()起來(lái)的字符串表示滑動(dòng)窗口中已出現過(guò)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(cháng)度和距離的組合信息來(lái)替換有匹配的字符串，若碰到未匹配的字節則直接輸出，壓縮后的內容為：(5，13)to(8，15)hi。在LZ77解壓縮時(shí)，只要維護好滑動(dòng)窗口，隨著(zhù)壓縮信息的不斷輸入，可根據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，即可還原出原始數據。
1．2 Huffman算法介紹
Huffman算法屬于編碼式壓縮，利用各個(gè)單字節所使用頻率不一樣的特點(diǎn)，使定長(cháng)編碼轉變?yōu)樽冮L(cháng)的編碼，給頻率高的字節更短的編碼，使用頻率低的字節更長(cháng)的編碼，起到無(wú)損壓縮的效果。這樣，經(jīng)過(guò)LZ77壓縮后的未匹配的字節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}，其對應的出現頻率為P={10，2，2，2，2，9}。圖1是根據以上信息建立的Huffman樹(shù)。各元素出現頻率和元素值如圖1所示，編碼后的各個(gè)元素長(cháng)度分別為L(cháng)一{1，3，3，3，3，2}，可見(jiàn)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(shù)是根據PNG規范的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(mǎn)足“前綴編碼”的要求，即較短的編碼不能是較長(cháng)編碼的前綴，這保證了碼的惟一性；
(3)每一層葉子的節點(diǎn)頻率按從小到大排列，而同樣頻率的節點(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(shù)，其中每個(gè)葉結點(diǎn)應包含有碼長(cháng)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據。
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