CN104952088A - 一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，包括当未压缩显存中的图像数据被更新后，由CPU计算出被更新数据在未压缩显存中所处的行地址，从未压缩显存中取出该行数据进行压缩，并存储到压缩显存中该行对应的存储地址中；当显存数据更新速率较快时，CPU停止对原始显存中更新数据的压缩，并通过对显示控制器寄存器的配置使显示控制器在下一帧开始从未压缩显存中读取数据等步骤。本发明能够通过对显存数据进行压缩和解压缩，降低在对高分辨率显示过程中对总线带宽的占用，以提高系统性能。

Description

一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法

技术领域

本发明涉及一种图像压缩技术，尤其是一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法。

背景技术

显示设备的一般显示原理是显示控制器按照一定的屏幕刷新率从显示缓冲区中读取显示数据，进行处理后，依次输出到显示接口进行显示。随着显示设备不断向高色阶、高分辨率、高色深发展，在图像显示过程中显示控制器对数据的读取会占用巨大的总线带宽，严重影响系统性能。如果显示缓冲区中的数据可以被压缩，且压缩后的数据量只有未压缩数据量的△％，那么读取数据过程中对总线带宽的占用和对内存的访存次数都将减少到原先的△％。但其代价是每当显存数据被更新时，都需要对显存数据进行压缩。

压缩算法按照压缩、解压缩后是否造成图像质量的下降，可分为有损压缩和无损压缩两类。有损压缩算法的压缩效率较高、但却以牺牲图像质量为代价。而无损压缩算法虽效率较低，但算法较为简单，对计算资源占用小、且不会造成图像质量的下降。为了在节省带宽的同时保证图像质量，显存压缩技术多采用无损压缩算法。

根据压缩时如何利用图像中像素间的相关性，无损压缩算法可以分为行压缩和块压缩。行压缩是以行为单位进行压缩，利用了左右相邻像素的相关性；块压缩是以块为单位进行压缩，利用了一个块中像素的相关性。相比于块压缩，行压缩地址计算较为简单，更适用于左右相邻像素相关性较大的典型应用场景；而块压缩需要相应的地址查找表，更适用于较为复杂的图像、视频处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，能够通过对显存数据进行压缩和解压缩，降低在对高分辨率显示过程中对总线带宽的占用，以提高系统性能。

本发明所采用的技术方案为：一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，包括以下步骤，

A、维护两个显示存储区域，分别是存储未压缩图像数据的原始显存和存储压缩数据的压缩显存；

B、当未压缩显存中的图像数据被更新后，由CPU计算出被更新数据在未压缩显存中所处的行地址，从未压缩显存中取出该行数据进行压缩，并存储到压缩显存中该行对应的存储地址中；

C、当显存数据更新速率较快时，CPU停止对原始显存中更新数据的压缩，并通过对显示控制器寄存器的配置使显示控制器在下一帧开始从未压缩显存中读取数据；当原始显存中写入的显示数据相邻像素间的相关性较低，使得压缩后的显示数据量比未压缩的显示数据量更大时，CPU停止对原始显存中的更新数据进行压缩，并通过对显示控制器寄存器的配置使显示控制器在下一帧开始从未压缩显存中读取数据；

D、显示控制器根据寄存器的配置命令，从相应显存中读取图像数据；

E、若从压缩显存中读取数据，显示控制器对压缩后的图像数据进行解压缩，并依次输出到显示接口进行显示；

F、若从未压缩显存中读取数据，显示控制器不用进行解压缩处理，直接进行其他相关处理后将显示数据依次输出到显示接口进行显示。

进一步的说，本发明所述的步骤A包括：

A1、压缩显存中数据的存储方式是由未压缩显存中存储数据的分辨率决定的，未压缩显存中数据的分辨率可通过配置寄存器设置，该显示配置在一帧有效显示过程中不允许改变，以防止出现画面错误；

A2、若未压缩显存中存储的图像数据的横向分辨率为X_SIZE，纵向分辨率为Y_SIZE，图形缓存区的行存储跨度为Stride，则压缩显存中每行的有效数据量为压缩后的行数据量，行数仍未Y_SIZE，压缩显存的行存储跨度为未压缩显存的横向分辨率X_SIZE乘以色深再乘以1.5倍。

再进一步的说，本发明所述的步骤B包括：

B1、以行为单位读入未压缩的行数据；使用压缩后行数据中的前两个字节存储该行压缩后的总数据量；

B2、依次处理未压缩行中的像素值，每次读入的像素值称为当前像素值，在当前像素值之前读入的像素值称为之前像素值；让当前像素值与之前像素值进行比较，利用左右相邻像素的相关性对比较结果进行编码；

B3、图形层数据的更新一般为局部更新，而非整帧更新，CPU每次向显存中传入数据块、数据块的长宽、数据块起始像素点在显存中的地址信息；每当发生显存更新时，并非将整帧图像重新压缩，而是对发生更新的像素点所在的行进行压缩，并将压缩后的行数据存放在压缩显存中对应的位置；视频数据为整帧更新，在这种情况下，对视频数据进行整帧压缩，再配置寄存器令显示控制器从压缩显存中读取数据进行显示。

再进一步的说，本发明所述的步骤C包括：

C1、进行显存压缩后，带宽消耗比没有进行显存压缩前带宽的消耗小；若显示控制器从未压缩显存中读取数据占用的带宽是B，未压缩的显存数据大小是 F，显示器的屏幕刷新率是fr，则B＝F×f_r；

C2、若压缩比是η，经过显存压缩后，显示控制器从压缩显存中读取数据占用的带宽是B’，则B’＝η×B；

C3、因为未压缩显存的更新，每秒钟CPU需要从未压缩显存中读取W的未压缩数据进行压缩，经过压缩后，该数据量变为η×W，CPU将η×W的数据量存放到压缩显存中，该压缩过程中占用的带宽量为(1+η)×W；

C4、进行显存压缩后，带宽消耗比没有进行显存压缩前的带宽消耗小；即B＞η×B+(1+η)×W；

C5、每秒钟从未压缩显存中读取的未压缩数据量满足根据评测数据，压缩比大于0.5，显存更新频率为每秒60帧，则当W＜20×F时，采用显存压缩技术即可取得效果；其中F等于显示图像的分辨率和色深的乘积；

C6、记录1秒钟内从未压缩显存中读取的未压缩数据量W，每秒钟结束时按照C5所述对W进行一次检验，若符合要求则继续操作；若不符合要求，则停止对显存数据进行压缩，通过寄存器配置，令显示控制器从未压缩显存中读取数据进行显示；

C7、若压缩后的数据量比未压缩的数据量大，则需停止压缩，记录1秒钟内读取的未压缩显存的数据量W和压缩后写入压缩显存的数据量W’，每秒结束时对比W和W’的大小，若W’>W，则停止显存压缩，配置寄存器，令显示控制器从未压缩显存中读取数据。

再进一步的说，本发明所述的步骤D包括：

D1、显示控制器根据内部寄存器的配置进行工作，显示控制器内部寄存器的更新并非是实时的，而是需要等待寄存器更新窗口时间并进行异步握手处理；窗口时间是指在两帧显示之间的一个特定时间点，即一帧显示结束、下一帧显 示还未开始之前的场效应时间；

D2、显示控制器寄存器的更新方式是：配置寄存器后将负责标志是否更新的寄存器相应位置“1”；显示控制器反复读取负责标志是否更新的寄存器，查看相应的更新位；当更新位被清“0”时，寄存器就完成更新；在等待过程中，不能对该部分的寄存器进行修改；

D3、显示控制器根据寄存器的配置决定是否开启解压缩功能，当显示控制器开启解压缩功能时，先对读取的显示数据进行解压缩，再依次送入显示接口进行显示；当显示控制器不开启解压缩功能时，对读入的显示数据进行相关处理后直接送入显示接口进行显示。

本发明的有益效果是：能够通过对显存数据进行压缩和解压缩，降低在对高分辨率显示过程中对总线带宽的占用，以提高系统性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明压缩和解压缩过程的软硬件结构图；

图2是本发明实现显存压缩的流程图；

图3是本发明双显存机制的结构图；

图4是本发明实现局部替换机制的存储结构图；

图5是实现局部替换机制的压缩流程图；

图6是本发明硬件解压缩模块的结构图；

图7是对ARGB8888数据进行解压缩的数据通路图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为 简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，是本发明的压缩和解压缩过程的软硬件结构图，本发明使用硬件进行解压缩，使用软件进行压缩。显示控制器在AXI总线上是主设备，通过AXI总线向DDR控制器发送请求，从内存中读取数据进行解压缩等相关处理，再将数据送到显示接口进行显示。显示控制器在AHB总线上是从设备，由CPU通过AHB总线对显示控制器进行寄存器配置。显存数据可以通过CPU、VPU等进行更新，其中CPU通过显卡驱动更新显存中的图形层数据，VPU向显存中写入视频数据。CPU显卡驱动可以探测到显存数据被更新，以及更新频率和数据复杂度，据此决定是否开启显存压缩机制。

如图2所示，是本发明使用的显存压缩算法的执行流程图。该压缩算法利用左右像素之间的相关性，以行为单位进行压缩，按照从左向右的顺序每次读入一个像素值到pix1，若该像素是该行的第一个像素，则输出编码值“pix1”，令pix0等于pix1，以表示记录每行第一个像素值作为参考值；若该像素不是该行的第一个像素，则利用左右相邻像素的相关性，令pix1和pix0进行比较，若相等，则输出编码“0”，令pix0等于pix1；若pix1等于pix0-1，则输出编码“101”，令pix0等于pix1；若pix1等于pix0+1，则输出编码“110”，令pix0等于pix1；若pix1/4等于pix0/4，则说明pix1和pix0的高四位相等，则输出编码“100+pix1[3:0]”，令pix0等于pix1；若以上情况均不符合，则输出“111+pix1”，令pix0等于pix1，并开始读取下一个像素。

上述左右相邻像素比较时，比较的是像素的分量值。例如，对于RGB888格式的图像，分别令当前像素值的R分量、G分量、B分量与之前像素值得R分量、G分量、B分量比较并编码。

一行数据压缩完成后，使用该行数据的前两个字节存放该行压缩后的长度，供解压缩时使用。

如图3所示，是本发明双显存机制的结构图。显存压缩技术的使用效果和被压缩的数据息息相关。当被压缩的数据左右相邻像素间的相关性越高，显存压缩效率越高，当显存数据更新频率越低，显存压缩效率越高。因此本装置设置了双显存机制，维护一个存储未压缩数据的未压缩显存和一个存储压缩数据的压缩显存。当显卡驱动判断被压缩数据左右相邻像素间的相关性高，且数据更新频率低时，令CPU读取未压缩显存中的数据，经过压缩后存储到压缩显存中，并通过对显示控制器寄存器的配置令显示控制器从压缩显存中读取数据，并进行解压缩后送入显示接口。当显卡驱动判断被压缩数据左右相邻像素间的相关性低，或是数据更新频率高出了设定的临界值，则令CPU停止对未压缩显存中数据的读写和压缩，并令CPU对显示控制器寄存器进行配置，令显示控制器从未压缩显存中读取数据。

图形层数据多为局部更新，每次CPU向显存中传入数据块，数据块的大小和数据块中起始像素点在显存中的地址信息。本发明中支持局部替换机制，每次将传入数据块所在的行从原始显存中读出，压缩，并替换压缩显存中对应的行。这样将比显存数据更新后对整帧数据进行压的效率更高。

局部替换机制中，需要知道被更新的行在压缩后应当存放入压缩显存中的地址。该地址应当可以通过未压缩显存中该行对应地址的坐标计算出来。本发明中使用的数据存储结构图如图4所示，未压缩的存储宽度是通过寄存器配置设置的，为stride个字节，未压缩的存储高度是纵向分辨率。压缩后的存储宽度是横向分辨率乘以色深的1.5倍，压缩后的存储高度仍为纵向分辨率。按照本发明使用的压缩算法，最差情况下，压缩后的数据长度不会超过原始数据长度的 1.5倍。

为实现双显存机制和局部替换机制，须知道原始显存中数何时数据被更新，并能判断原始显存中数据更新的频率和被更新数据的复杂度，以判断是否启用压缩机制，并在双显存之间切换。

图5所示的是一个实现局部替换机制的压缩流程图。在本例所示的用户态部分，用户打开显示设备，若需要获取可变的屏幕参数，如分辨率、色深、数据存储宽度等，可通过ioctl()函数实现，对可变的屏幕参数进行修改后，可再次调用ioctl()函数，将修改后的可变屏幕参数设置到内核接口中，当用户需要修改显存数据时，调用write()函数，传入数据块、数据块大小和数据存储地址。

用户调用的ioctl()函数会调用内核中的fb_ioctl()函数，该函数会调用fb_set_var()函数，将修改后的可变屏幕参数设置给fb_var_screeninfo结构体，并调用fb_set_par()函数，在fb_set_par()函数中需要判断fb_var_screeninfo结构体中显示分辨率或色深是否发生变化，若发生变化，则说明压缩显存的存储布局需要发生变化，调用压缩函数，令CPU从原始显存中读取整帧图像数据，压缩后放入压缩显存中。完成压缩后，再将fb_var_screeninfo结构体中的参数配置给显示控制器寄存器，以更改显示控制器的工作方式。

用户调用write()函数，会调用内核中的fb_write()函数，在该函数中统计未压缩显存更新后CPU需要压缩的数据量和更新数据被压缩后的数据量，每秒钟对该这两样数据量进行统计。若该数据量大于20倍的未压缩显存数据量，或更新数据被压缩后的数据量大于写入显存中的数据量，则停止显存压缩机制，通过寄存器配置，令显示控制器在下一帧从未压缩显存中读取数据。若不需要判断，或判断后未超过临界值，则计算被更新数据处于行的Y坐标，调用压缩函数，从未压缩显存中读取整行数据，压缩后存放入压缩显存中。

如图6所示，是本发明硬件解压缩模块的结构图。由于左右两部分对数据处理的速度要求不同，因而左半部分使用核心时钟域，右半部分使用像素时钟域，中间通过一个异步的数据FIFO对数据的跨时钟域传输进行处理。核心时钟域的频率范围是100MHz～500MHz，像素时钟域的频率范围是25MHz～150MHz，像素时钟域的频率需要根据分辨率、刷新率、色深等确定。

CPU通过AHB总线将寄存器配置数据写入总线接口上的影子寄存器，核心时钟域内部寄存器模块和像素时钟域内部寄存器模块负责在每帧显示完成后的窗口时间将影子寄存器中的配置数据读入到模块的内部寄存器中。

地址计算模块用于计算显示控制器取数据的地址。由于该显示控制器通过64位AXI总线读取数据，且读取数据的方式是以64位为一个Burst，每次接收16Burst的数据。地址计算模块以行为单位生成地址数据，每行生成的第一个地址数据是根据内部寄存器的配置信息计算得到的，该地址被发送到64位AXI总线接口，由解压缩模块接收AXI总线反馈回来的64位显存数据。解压缩模块对第一个64位数据进行解析，得到该行第一个像素值和该行被压缩后总的数据长度，并将该数据长度传递给地址计算模块，地址计算模块在收到该长度值后，据此长度值计算发送给AXI总线的64位Burst数目，并将地址以burst形式发送给AXI总线。解压缩模块每次从AXI总线读取64位数据，对数据进行解压缩后，将其存放入数据FIFO中，后处理模块会从数据FIFO中读取数据，进行混合处理等，并在同步信号的控制下，送入到显示接口进行显示。

如图7所示，是一个以ARGB8888数据解压缩为例的数据通路图。该解压缩模块共分为四个流水级，每次先寄存读入的64位数据，并将先后读入的两个64位数据拼接为decompre_data_w作为待解压缩数据，对其解压缩分别得到A分量、R分量、G分量和B分量，并将两个ARGB数据组合为一个64位数据寄 存为combine_data_d4。通过读取寄存器判断是否需要对数据进行解压缩来对gfx_com赋值，由其在解压缩数据和未解压缩数据之间选择。data_out将被输出到数据FIFO中。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (5)

1.一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，其特征在于：包括以下步骤，

A、维护两个显示存储区域，分别是存储未压缩图像数据的原始显存和存储压缩数据的压缩显存；

B、当未压缩显存中的图像数据被更新后，由CPU计算出被更新数据在未压缩显存中所处的行地址，从未压缩显存中取出该行数据进行压缩，并存储到压缩显存中该行对应的存储地址中；

C、当显存数据更新速率较快时，CPU停止对原始显存中更新数据的压缩，并通过对显示控制器寄存器的配置使显示控制器在下一帧开始从未压缩显存中读取数据；当原始显存中写入的显示数据相邻像素间的相关性较低，使得压缩后的显示数据量比未压缩的显示数据量更大时，CPU停止对原始显存中的更新数据进行压缩，并通过对显示控制器寄存器的配置使显示控制器在下一帧开始从未压缩显存中读取数据；

D、显示控制器根据寄存器的配置命令，从相应显存中读取图像数据；

E、若从压缩显存中读取数据，显示控制器对压缩后的图像数据进行解压缩，并依次输出到显示接口进行显示；

F、若从未压缩显存中读取数据，显示控制器不用进行解压缩处理，直接进行其他相关处理后将显示数据依次输出到显示接口进行显示。

2.如权利要求1所述的一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，其特征在于：所述的步骤A包括：

A1、压缩显存中数据的存储方式是由未压缩显存中存储数据的分辨率决定的，未压缩显存中数据的分辨率可通过配置寄存器设置，该显示配置在一帧有效显示过程中不允许改变，以防止出现画面错误；

A2、若未压缩显存中存储的图像数据的横向分辨率为X_SIZE，纵向分辨率为Y_SIZE，图形缓存区的行存储跨度为Stride，则压缩显存中每行的有效数据量为压缩后的行数据量，行数仍未Y_SIZE，压缩显存的行存储跨度为未压缩显存的横向分辨率X_SIZE乘以色深再乘以1.5倍。

3.如权利要求1所述的一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，其特征在于：所述的步骤B包括：

B1、以行为单位读入未压缩的行数据；使用压缩后行数据中的前两个字节存储该行压缩后的总数据量；

B2、依次处理未压缩行中的像素值，每次读入的像素值称为当前像素值，在当前像素值之前读入的像素值称为之前像素值；让当前像素值与之前像素值进行比较，利用左右相邻像素的相关性对比较结果进行编码；

B3、图形层数据的更新一般为局部更新，而非整帧更新，CPU每次向显存中传入数据块、数据块的长宽、数据块起始像素点在显存中的地址信息；每当发生显存更新时，并非将整帧图像重新压缩，而是对发生更新的像素点所在的行进行压缩，并将压缩后的行数据存放在压缩显存中对应的位置；视频数据为整帧更新，在这种情况下，对视频数据进行整帧压缩，再配置寄存器令显示控制器从压缩显存中读取数据进行显示。

4.如权利要求1所述的一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，其特征在于：所述的步骤C包括：

C1、进行显存压缩后，带宽消耗比没有进行显存压缩前带宽的消耗小；若显示控制器从未压缩显存中读取数据占用的带宽是B，未压缩的显存数据大小是F，显示器的屏幕刷新率是fr，则B＝F×f_r；

C2、若压缩比是η，经过显存压缩后，显示控制器从压缩显存中读取数据占用的带宽是B’，则B’＝η×B；

C3、因为未压缩显存的更新，每秒钟CPU需要从未压缩显存中读取W的未压缩数据进行压缩，经过压缩后，该数据量变为η×W，CPU将η×W的数据量存放到压缩显存中，该压缩过程中占用的带宽量为(1+η)×W；

C4、进行显存压缩后，带宽消耗比没有进行显存压缩前的带宽消耗小；即B＞η×B+(1+η)×W；

C5、每秒钟从未压缩显存中读取的未压缩数据量满足根据评测数据，压缩比大于0.5，显存更新频率为每秒60帧，则当W＜20×F时，采用显存压缩技术即可取得效果；其中F等于显示图像的分辨率和色深的乘积；

C6、记录1秒钟内从未压缩显存中读取的未压缩数据量W，每秒钟结束时按照C5所述对W进行一次检验，若符合要求则继续操作；若不符合要求，则停止对显存数据进行压缩，通过寄存器配置，令显示控制器从未压缩显存中读取数据进行显示；

C7、若压缩后的数据量比未压缩的数据量大，则需停止压缩，记录1秒钟内读取的未压缩显存的数据量W和压缩后写入压缩显存的数据量W’，每秒结束时对比W和W’的大小，若W’>W，则停止显存压缩，配置寄存器，令显示控制器从未压缩显存中读取数据。

5.如权利要求1所述的一种对显示数据进行压缩和解压缩的方法，其特征在于：所述的步骤D包括：

D1、显示控制器根据内部寄存器的配置进行工作，显示控制器内部寄存器的更新并非是实时的，而是需要等待寄存器更新窗口时间并进行异步握手处理；窗口时间是指在两帧显示之间的一个特定时间点，即一帧显示结束、下一帧显示还未开始之前的场效应时间；

D2、显示控制器寄存器的更新方式是：配置寄存器后将负责标志是否更新的寄存器相应位置“1”；显示控制器反复读取负责标志是否更新的寄存器，查看相应的更新位；当更新位被清“0”时，寄存器就完成更新；在等待过程中，不能对该部分的寄存器进行修改；

D3、显示控制器根据寄存器的配置决定是否开启解压缩功能，当显示控制器开启解压缩功能时，先对读取的显示数据进行解压缩，再依次送入显示接口进行显示；当显示控制器不开启解压缩功能时，对读入的显示数据进行相关处理后直接送入显示接口进行显示。