CN113973203A - 一种jpeg图像压缩加速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种JPEG图像压缩加速方法，所述方法包括：根据图像质量设置量化表，编写JPEG图片文件头；将图像分成多个图像小块，并将每一图像小块存储到内存中；采用FFT加速器对每一图像小块做二维DCT变换，根据量化表对DCT变换后的数据进行量化；以及对量化后的数据进行熵编码，写入文件尾标识，保存数据，完成图像压缩。本发明JPEG图像压缩加速方法能够解决现在嵌入式开发板直接利用JPEG算法进行数据压缩时，CPU占用率高、计算速度慢的问题。

Description

一种JPEG图像压缩加速方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体地，涉及一种JPEG图像压缩加速方法。
背景技术
在嵌入式开发中，CPU的利用效率一直被人们所关注，如果利用CPU直接进行数据计算的话，将大大占用了CPU的时间，可能导致无法及时响应CPU中断，严重降低了嵌入式开发板的使用性能，甚至无法满足快速响应需求。
JPEG文件是一种十分常见的图片格式文件，同时也是一种压缩技术十分先进的图片格式文件，相比于其他格式的图片文件，可以实现高压缩比、高图像质量。JPEG算法中DCT(离散余弦变换)若直接使用离散余弦公式计算，CPU占用率较高，耗时较大，为了解决利用嵌入式开发板计算JPEG压缩算法，并能及时响应外部中断，相关专业领域的专业人员都在寻找一种既能解放CPU，减少CPU占用率，又能实现JPEG算法的加速的方法。
因此，需要提供一种基于FFT(快速傅里叶变换)加速器的JPEG图像压缩加速方法，以解决现有技术中CPU占用率高的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种JPEG图像压缩加速方法，以解决现在嵌入式开发板直接利用JPEG算法进行数据压缩时，CPU占用率高、计算速度慢的问题。
为了达成上述目的，本发明提供了一种JPEG图像压缩加速方法，所述方法包括以下步骤：
根据图像质量设置量化表，编写JPEG图片文件头；
将图像分成多个图像小块，并将每一图像小块存储到内存中；
采用FFT加速器对每一图像小块做二维DCT变换，根据量化表对DCT变换后的数据进行量化；以及
对量化后的数据进行熵编码，写入文件尾标识，保存数据，完成图像压缩。
可选地，所述将图像分成多个图像小块，并将每一图像小块存储到内存中的步骤具体包括：将图像分成多个8*8的图像小块，并将每一图像小块按行排列存储到内存中。
可选地，所述采用FFT加速器对每一图像小块做二维DCT变换，根据量化表对DCT变换后的数据进行量化的步骤具体包括：
对原始8*8图像数据的每一行采用DMA进行对称扩充，使原始矩阵变成8*16的数据矩阵，并搬运至FFT加速器规定的源数据地址；
利用FFT加速器对8*16数据矩阵中的每一行进行一维FFT变换，取FFT变换后每一行前8位实部，并乘以相应系数，得到8*8数据矩阵每一行的一维DCT变换后的结果；
利用DMA对一维DCT变换后的矩阵进行转置搬运，并重新对矩阵进行行扩充至8*16数据矩阵，对8*16数据矩阵的每一行进行FFT变换；
利用DMA将数据进行矩阵转置搬运，得到图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化。
可选地，所述对原始8*8图像数据的每一行采用DMA进行对称扩充，使原始矩阵变成8*16的数据矩阵，并搬运至FFT加速器规定的源数据地址的步骤具体包括：利用DMA将8*8数据矩阵每一行扩充成8*16的数据矩阵，设某一行的数据为x0,x1,...,xN-1，扩充成x0,x1,...,x2N-1，使数据满足xk＝x2N-k-1，其中N＝8，并将数据搬运至FFT加速器规定的源数据地址。
可选地，所述利用FFT加速器对8*16数据矩阵中的每一行进行一维FFT变换，得到数据矩阵每一行的一维DCT变换后的结果的步骤具体包括：设一维长度为8的数据DCT结果单个数据由Fn进行表示，其DCT变换结果与扩充后的一维长度为16的数据FFT结果的关系为：
Figure BDA0003315877410000021
其中xk为原始图像数据，Xn是扩充后数据长度为16的一维FFT变换结果，Fn是数据长度为8的原始数据DCT变换结果，其中N＝8，Re为复数取实部操作。
可选地，所述利用FFT加速器对8*16数据矩阵中的每一行进行一维FFT变换，得到数据矩阵每一行的一维DCT变换后的结果的步骤还包括：启动FFT加速器，取FFT变换后每一行前8位实部，并乘以相应系数，得到长度为8的原始数据DCT变换结果。
可选地，所述利用DMA对一维DCT变换后的矩阵进行转置搬运，并重新对矩阵进行行扩充至8*16数据矩阵，对8*16数据矩阵的每一行进行FFT变换的步骤具体包括：利用DMA将每一行进行过DCT变换后的8*8数据矩阵，进行转置搬运至FFT加速器规定的源数据地址，并再次利用DMA对数据的每一行进行扩充搬运，启动FFT加速器，对8*16的数据矩阵每一行进行FFT变换。
可选地，所述利用DMA将数据进行矩阵转置搬运，得到图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化的步骤具体包括：再次利用DMA对8*8数据矩阵进行转置搬运，得到8*8图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化。
与现有技术相比，本发明采用FFT加速器对二维图像数据进行DCT变换，极大地解放了CPU占用率，可以使CPU有更多地时间去处理其他事务，极大地提高了CPU的工作效率，并且由于FFT加速器通过硬件对FFT计算过程进行了加速，显著地提高了JPEG中DCT计算的效率。另外，本发明在采用FFT加速器对数据进行二维DCT变换过程中，采用DMA对图像数据进行数据搬运，在效率上与使用CPU进行图像数据搬运相同，却进一步解放了CPU，释放了CPU性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的JPEG图像压缩加速方法流程框图；
图2为本发明实施例提供的采用FFT加速器进行二维DCT变换方法流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
JPEG算法既可以对彩色图像进行压缩，也可以对灰度图像进行压缩，其压缩原理都是相同的，本发明实施例中以对灰度图像进行压缩来阐述，具体地，图1所示为本发明实施例提供的JPEG图像压缩加速方法流程框图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1：根据图像质量设置量化表，编写JPEG图片文件头；
S2：将图像分成多个图像小块，并将每一图像小块存储到内存中；
具体地，将图像分成多个8*8的图像小块，并将每一图像小块按行排列存储到嵌入式开发板中内存中。
S3：采用FFT加速器对每一图像小块做二维DCT变换，根据量化表对DCT变换后的数据进行量化；
具体地，图像二维DCT变换，可以通过先对二维矩阵每一行进行一维DCT变换，再对每一列进行一维DCT变换得到。而一组数据的一维DCT变换，可以通过该组数据的DFT(离散傅里叶变换)变换乘以响应的参数得到，即可以通过DFT变换来进行DCT变换的求解。
在在本实施例中，采用嵌入式开发板中的FFT加速器来进行DFT计算。首先，该FFT加速器对8*8的小块图像进行多行一维FFT计算。由于FFT加速器只能进行多行的一维加速，在进行过一维DCT计算后，需要对矩阵进行转置，以对一维DCT计算结果进行下一次的DFT计算，在本实施例中，矩阵转置数据搬运操作使用DMA(直接内存存取)来进行搬运。
具体地，如图2所示，采用FFT加速器进行JPEG算法中二维DCT变换包括以下步骤：
S31：对原始8*8图像数据的每一行采用DMA进行对称扩充，使原始矩阵变成8*16的数据矩阵，并搬运至FFT加速器规定的源数据地址；
首先要利用DMA将8*8数据矩阵每一行扩充成8*16的数据矩阵，设某一行的数据为x0,x1,...,xN-1，扩充成x0,x1,...,x2N-1，使数据满足xk＝x2N-k-1，其中N＝8。并将数据搬运至FFT加速器规定的源数据地址。
S32：利用FFT加速器对8*16数据矩阵中的每一行进行一维FFT变换，得到数据矩阵每一行的一维DCT变换后的结果；
具体地，设一维长度为8的数据DCT结果单个数据由Fn进行表示，其DCT变换结果与扩充后的一维长度为16的数据FFT结果的关系，如下式表示：
Figure BDA0003315877410000041
其中xk为原始图像数据，Xn是扩充后数据长度为16的一维FFT变换结果，Fn是数据长度为8的原始数据DCT变换结果，其中N＝8，Re为复数取实部操作。
启动FFT加速器，取FFT变换后每一行前8位实部，并乘以相应系数，得到长度为8的原始数据DCT变换结果。
S33：采用DMA对一维DCT变换后的矩阵进行转置搬运，并重新对矩阵进行行扩充至8*16数据矩阵，对8*16数据矩阵的每一行进行FFT变换；
利用DMA将每一行进行过DCT变换后的8*8数据矩阵，进行转置搬运至FFT加速器规定的源数据地址，并再次利用DMA对数据的每一行进行扩充搬运，扩充搬运跟上次一致，启动FFT加速器，对8*16的数据矩阵每一行进行FFT变换，根据公式取每一行的前8个，并对数据乘以相应系数，得到8*8数据矩阵。
S34：再次采用DMA将数据进行矩阵转置搬运，得到图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化。
具体地，再次利用DMA对8*8数据矩阵进行转置搬运，得到8*8图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化。
S4：对量化后的数据进行熵编码，写入文件尾标识，保存数据，完成图像压缩。
与现有技术相比，本发明采用FFT加速器对二维图像数据进行DCT变换，极大地解放了CPU占用率，可以使CPU有更多地时间去处理其他事务，极大地提高了CPU的工作效率，并且由于FFT加速器通过硬件对FFT计算过程进行了加速，显著地提高了JPEG中DCT计算的效率。另外，本发明在采用FFT加速器对数据进行二维DCT变换过程中，采用DMA对图像数据进行数据搬运，在效率上与使用CPU进行图像数据搬运相同，却进一步解放了CPU，释放了CPU性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据图像质量设置量化表，编写JPEG图片文件头；
将图像分成多个图像小块，并将每一图像小块存储到内存中；
采用FFT加速器对每一图像小块做二维DCT变换，根据量化表对DCT变换后的数据进行量化；以及
对量化后的数据进行熵编码，写入文件尾标识，保存数据，完成图像压缩。
2.根据权利要求1所述的JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述将图像分成多个图像小块，并将每一图像小块存储到内存中的步骤具体包括：将图像分成多个8*8的图像小块，并将每一图像小块按行排列存储到内存中。
3.根据权利要求1所述的JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述采用FFT加速器对每一图像小块做二维DCT变换，根据量化表对DCT变换后的数据进行量化的步骤具体包括：
对原始8*8图像数据的每一行采用DMA进行对称扩充，使原始矩阵变成8*16的数据矩阵，并搬运至FFT加速器规定的源数据地址；
利用FFT加速器对8*16数据矩阵中的每一行进行一维FFT变换，得到数据矩阵每一行的一维DCT变换后的结果；
利用DMA对一维DCT变换后的矩阵进行转置搬运，并重新对矩阵进行行扩充至8*16数据矩阵，对8*16数据矩阵的每一行进行FFT变换；
利用DMA将数据进行矩阵转置搬运，得到图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化。
4.根据权利要求3所述的JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述对原始8*8图像数据的每一行采用DMA进行对称扩充，使原始矩阵变成8*16的数据矩阵，并搬运至FFT加速器规定的源数据地址的步骤具体包括：利用DMA将8*8数据矩阵每一行扩充成8*16的数据矩阵，设某一行的数据为x0,x1,...,xN-1，扩充成x0,x1,...,x2N-1，使数据满足xk＝x2N-k-1，其中N＝8，并将数据搬运至FFT加速器规定的源数据地址。
5.根据权利要求3所述的JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述利用FFT加速器对8*16数据矩阵中的每一行进行一维FFT变换，得到数据矩阵每一行的一维DCT变换后的结果的步骤具体包括：设一维长度为8的数据DCT结果单个数据由Fn进行表示，其DCT变换结果与扩充后的一维长度为16的数据FFT结果的关系为：
Figure FDA0003315877400000021
其中xk为原始图像数据，Xn是扩充后数据长度为16的一维FFT变换结果，Fn是数据长度为8的原始数据DCT变换结果，其中N＝8，Re为复数取实部操作。
6.根据权利要求5所述的JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述利用FFT加速器对8*16数据矩阵中的每一行进行一维FFT变换，得到数据矩阵每一行的一维DCT变换后的结果的步骤还包括：启动FFT加速器，取FFT变换后每一行前8位实部，并乘以相应系数，得到长度为8的原始数据DCT变换结果。
7.根据权利要求3所述的JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述利用DMA对一维DCT变换后的矩阵进行转置搬运，并重新对矩阵进行行扩充至8*16数据矩阵，对8*16数据矩阵的每一行进行FFT变换的步骤具体包括：利用DMA将每一行进行过DCT变换后的8*8数据矩阵，进行转置搬运至FFT加速器规定的源数据地址，并再次利用DMA对数据的每一行进行扩充搬运，启动FFT加速器，对8*16的数据矩阵每一行进行FFT变换。
8.根据权利要求3所述的JPEG图像压缩加速方法，其特征在于，所述利用DMA将数据进行矩阵转置搬运，得到图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化的步骤具体包括：再次利用DMA对8*8数据矩阵进行转置搬运，得到8*8图像数据矩阵的二维DCT变换结果，并根据量化表对DCT变换后的数据进行量化。
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