STM32F76/77xxx和STM32H7x3系列微控制器中的硬件JPEG编解码外设

引言

本应用笔记描述在STM32F76/77xxx和STM32H7x3系列微控制器中如何对JPEG解码/编码应用使用硬件JPEG编解码外设。

STM32F76/77xxx和STM32H7x3系列微控制器嵌入了专用的硬件JPEG编解码外设，它提供了快速又简单的硬件JPEG图像压缩程序和解压程序，具备：
• JPEG文件头的全面管理能力，
• 完全可编程的霍夫曼表（两个AC表和两个DC表），
• 多达四个可编程量化表，
• 完全可编程最小编码单元（MCU）。

硬件JPEG编解码器支持YCbCr或RGB（3个颜色分量）、灰度（1个颜色分量）和CMYK（4个颜色分量）模式的像素输入/输出格式，每个分量的下采样因子完全可编程。

为了充分利用本应用笔记，用户应熟悉：
• STM32的JPEG编解码外设，如STM32F76/77xxx参考手册（RM0410）所述，该手册可从意法半导体网站www.st.com上获得。
• STM32的JPEG编解码外设，如STM32H7x3参考手册（RM0433）所述，该手册可从意法半导体网站www.st.com上获得。
• JPEG压缩标准（JPEG ISO/IEC 10918-1 ITU-T建议T.81）和JFIF文件格式标准（JPEG文件交换格式）。

参考文档

• STM32F76xxx和STM32F77xxx基于32位MCU的高级Arm®参考手册（RM0410），
• STM32H7x3基于32位MCU的高级Arm®参考手册（RM0433），
• STM32F7系列（STM32CubeF7）和STM32H7系列（STM32CubeH7）的嵌入式软件

1 硬件JPEG编解码器概述

硬件JPEG编解码外设符合JPEG标准（JPEG ISO/IEC 10918-1 ITU-T建议T.81）。它可以解码/编码JPEG压缩图像，每个样本8位。

硬件JPEG编解码外设为熵编解码段（ECS）编码和解码提供硬件加速。它支持JPEG文件头生成和解析。硬件JPEG编解码外设还支持JFIF（JPEG文件交换格式），使用事实标准对JPEG图像进行编码。但是，在这些数据流中找到的所有应用特定的标记段均被忽略。JPEG编解码器支持最多四个颜色分量、四个量化表和两组DC和AC霍夫曼表。

硬件JPEG编解码器可以灵活地指定要对每个分量使用的量化表和霍夫曼表。

JPEG标准定义的JPEG编码和解码操作按块执行。JPEG标准将MCU（最小编解码单元）定义为可以编码或解码的最小块数。在硬件JPEG编解码外设中，MCU的构成是可编程的。硬件JPEG编解码器可以定义每个MCU中属于特定颜色分量的块数。每个块是样本的一个8x8数组，每个样本被定义为8位（1个字节）。因此，每个块均是一个64字节数组（每个样本1个字节）。

硬件JPEG编解码器支持YCbCr或RGB（3个颜色分量）、灰度（1个颜色分量）和CMYK（4个颜色分量）模式的像素输入/输出格式，每个分量的下采样因子完全可编程。

使用STM32H7x3系列器件进行JPEG解码操作，当输出颜色格式为YCbCr时，Chrom-ArtAccelerator™外设（也称为DMA2D）能够将YCbCr块（JPEG解码器的输出）转换为可直接显示的RGB像素。

使用STM32H7x3系列器件进行编码（所有颜色格式）或非YCbCr（灰度或CMYK颜色格式时）颜色格式的解码时，从/至RGB像素的转换不进行硬件加速且必须通过软件执行。

使用STM32F76/77xxx器件进行解码或编码时，YCbCr至RGB的转换不加速且必须通过软件执行。

STM32CubeF7/H7固件包提供包含必要API的专用JPEG实用工具软件，能够执行JPEGMCU块至/从RGB像素的转换（位于\Firmware\Utilities\JPEG目录下）。

STM32CubeF7/H7为JPEG编解码外设提供专用HAL（硬件抽象层）驱动程序：

• STM32CubeF7：stm32f7xx_hal_jpeg.c/ stm32f7xx_hal_jpeg.h

• STM32CubeH7：stm32h7xx_hal_jpeg.c/ stm32h7xx_hal_jpeg.h

本文档适用于基于Arm®的器件。

2 不同色彩空间的硬件JPEG编解码器设置

2.1 YCbCr色彩空间

2.1.1 YCbCr与RGB之间的相互转换

JPEG文件交换格式（JFIF）标准描述了YCbCr与RGB之间的相互转换和色度采样。JFIF合规文件通常具有如下扩展名：.jpg、.jpeg、.JPG、.JPEG。

JPEG标准（JPEG ISO/IEC 10918-1 ITU-T建议T.81）没有定义要对源行图像使用的色彩空间，而JFIF标准则定义了两个可能的色彩空间：灰度（Y亮度）或彩色（YCbCr亮度和色度）。

JFIF标准使用YCbCr颜色而不是原始的RGB色彩空间。该色彩空间能够从给出像素颜色的2个色度分量Cb和Cr中分离出亮度分量（Y），即像素亮度（本质上是灰度信号）。RGB色彩空间与YCbCr之间相互转换的转换矩阵如下：

已知人眼对亮度变化比对颜色变化更敏感，可使用YCbCr对两个独立的量化表进行定义，分别用于亮度和色度（Cb和Cr）分量，以便进一步量化色度（至少对于低频率）。

2.1.2 YCbCr量化表

图 2和图 3所示为JPEG标准提供的样本亮度和色度量化表。按照标准中的描述，这些表在每个样本8位的亮度和色度图像上给出很好的结果（对于STM32F7/H7硬件JPEG编解码器）。

该标准还对这些表格做了如下描述：如果将这些量化值除以2，得到的重构图像与源图像的差异通常难以辨别。

请注意，这些表格采用Z形排序。

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