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

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STMCU小助手发布时间：2022-12-5 21:00

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文章简介:	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。

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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JPEG MCU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：

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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。

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图 4和图 5提供了Z形排序的顺序。

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STM32CubeF7和STM32CubeH7使用这些默认表格，结合用户质量因子进行编码和解码。
• 进行编码时，STM32CubeF7/H7 JPEG HAL驱动程序允许用户定义百分比质量因子（1%至100%）。然后，按如下方式使用质量因子对以上表格进行比例计算：
– 当质量处于50%至100%范围内时：scaling_factor = 200 - 2 x 质量。
– 当质量低于50%时：scaling_factor = 5000 / 质量。
因此，当质量设置为100%时，比例因子变为0，然后所有表格条目均变为1（因为为零的条目被系统性地替换为1）。这使得量化损失最小化。
然后，在硬件JPEG编解码器中将量化表编程为专用存储表：QMEM0用于亮度（Y），QMEM1用于色度（Cb和Cr）。
• 在解码时，STM32CubeF7/H7 JPEG HAL驱动程序能够按如下方式检索质量。对于量化表的每个值：
– 读取量化系数并计算该系数对比参考表中相应值的比例因子（百分比值）。
比例 = (100 x quantization_coefficient) / reference_table_value)。
– 如果quantization_coefficient = 1，则质量为100%。
– 否则，如果比例低于100：质量 = (200 - 比例) /2。
– 否则，质量 = 5000 / 比例。
按照量化表每个系数（共64个系数）的计算质量平均值计算编码质量。只使用亮度表计算平均质量。
硬件JPEG编解码器的QMEMx内存表用于存储/检索比例量化表（对比参考表）。按Z形顺序访问这些表格。
硬件JPEG编解码器提供RAM“QMEM”区，用于存储/检索最多4个量化表（分别对应于4个颜色分量）。QMEM RAM位于偏移地址0x0050至0x014C。每个表的大小为64字节（即16个32位字）。

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对于YCbCr色彩空间，STM32CubeF7/H7 JPEG HAL驱动程序默认只使用2个量化表：
• QMEM0：用于亮度（Y）分量。64字节位于偏移地址0x0050。
• QMEM1：用于色度（Cb和Cr）分量。64字节位于偏移地址0x0090。
请注意，仅当硬件JPEG编解码器停止时，才能读/写QMEM RAM，即没有正在进行的编码/解码操作（JPEG_CONFR0寄存器的位0“START”设置为0）。
STM32CubeF7/H7 JPEG HAL驱动程序默认对（Y）亮度分量使用图 2所示表格，并对Cb和Cr色度分量使用图 3所示表格。JPEG HAL驱动程序还为用户按颜色分量定义量化表提供了可能性（本例中为3个量化表）。如需自定义量化表，用户必须提供3个量化表（每个分量一个量化表）。这些表格分别用于（使用质量因子进行比例计算后）硬件JPEG编解码器的QMEM0至QMEM3 RAM表的编程（其中，QMEM2表位于偏移地址0x00D0）。
HAL函数“HAL_JPEG_SetUserQuantTables”是用于自定义用户量化表的API。

完整版请查看：附件