NIOS2随笔——JPEG解码与VGA显示

Posted 2020-08-27

1. 系统概述

本设计采用Nios2 32位处理器，通过SPI接口将SD/TF卡中的JPEG图片数据读取到内存中，SD/TF卡的文件系统为FAT32，NIOS2软件实现JPEG解码后，启动framereader和Clocked Video Output模块，最终在VGA显示器上显示JPEG图像，系统框图如下：

2. JPEG格式

JPEG(Joint Photographic Experts Group)是第一个国际图像压缩标准，提供了良好的压缩性能的同时，具有较好的图像质量，被广泛应用电子产品和芯片设计中。

JPEG文件格式有两种保存方式，分别是Baseline JPEG和Progressive JPEG。

Baseline JPEG：这种类型的JPEG文件存储方式是按从上到下的扫描方式，把每一行顺序的保存在JPEG文件中。显示时，数据将按照从上到下一行一行的被显示出来。

Progressive JPEG：包含多次扫描，这些扫描顺寻的存储在JPEG文件中。显示时，会先显示整个图片的模糊轮廓，随着扫描次数的增加，图片变得越来越清晰。

JPEG压缩算法过程如下：

3. Tiny JPEG Decompressor

TJpgDec是一个通用的JPEG图像解码模块，基于C语言开发且可以用于小型嵌入式系统中。

TJpgDec提供了两个API函数接口:

• jd_prepare为图像解码准备足够的信息

• jd_decomp执行解码任务

还提供了两个I/O函数接口：

• Input function: 从输入流中读取JPEG文件数据

• Output function: 将图像数据写入输出设备

开源的代码可以在http://elm-chan.org/fsw/tjpgd/00index.html下载。

3. 搭建Qsys

在博文NIOS2随笔——FAT32文件系统的基础上，在Qsys平台上添加framereader和Clocked Video Output组件，设置分辨率为640*480，VGA相关内容可以参考博文FPGA设计——VGA (Altera)。

搭好的Qsys平台如下图：

4. NIOS2软件设计

TTJpgDec是基于Baseline JPEG算法编写，需要以Baseline方式保存一幅JPEG图片到SD卡中，图像分辨率为640*480，文件名为desk.jpg，在电脑中打开如下：

在博文NIOS2随笔——FAT32文件系统的软件基础上，编写软件代码。

移植JPEG软件解码模块，主要是编写Input和Output函数。VGA显示部分，要对framereader组件初始化，然后存放在数组中的图像数据便会不停地被读取到Clocked Video Output模块，最后数据会被送到VGA编码芯片显示。编写好的Input、Output及main函数代码设计如下：

//============JPEG user function==============

/*------------------------------*/
/* User defined input funciton  */
/*------------------------------*/

UINT in_func (JDEC* jd, BYTE* buff, UINT nbyte)
{
    u32  rb=0;	//number of byte read
    f_read(&tf_jpeg,buff,nbyte,&rb);

    return rb;
}

/*------------------------------*/
/* User defined output funciton */
/*------------------------------*/

UINT out_func (JDEC* jd, void* bitmap, JRECT* rect)
{
	   BYTE *src, *dst;
	   UINT y, bws, bwd;

	    if (rect->left == 0) {
	        printf("\r%lu%%", (rect->top << jd->scale) * 100UL / jd->height);
	    }

	    src = (BYTE*)bitmap;
	    dst = picture_buffer + 3 * (rect->top * FRAME_WIDTH+ rect->left);
	    bws = 3 * (rect->right - rect->left + 1);
	    bwd = 3 * FRAME_WIDTH;
	    for (y = rect->top; y <= rect->bottom; y++) {
	        memcpy(dst, src, bws);
	        src += bws; dst += bwd;
	    }

	    return 1;
}

FATFS fs;
FIL  tf_jpeg;
BYTE res=0;

int main (void)
{
	UINT *work;
	JDEC tjpeg_dev;
	UINT x=0;
	UINT y;

	FrameRd_init();

	f_mount(&fs,"",0);
	//Open a JPEG file
	res = f_open(&tf_jpeg,"0:/desk.jpg",FA_READ);

	work = malloc(3800);

	//Prepare to decompress
    res = jd_prepare(&tjpeg_dev, in_func, work, 3800, &tf_jpeg);

	if (res == JDR_OK) {
        //Ready to dcompress. Image info is available here.
        printf("Image dimensions: %u by %u. %u bytes used.\n", tjpeg_dev.width, tjpeg_dev.height, 3800 - tjpeg_dev.sz_pool);

        res = jd_decomp(&tjpeg_dev, out_func, 0);   // Start to decompress with 1/1 scaling
        if (res == JDR_OK) {
            //Decompression succeeded. You have the decompressed image in the frame buffer here.
            printf("\nOK  \n");
        }
        else
        {
            printf("Failed to decompress: rc=%d\n", res);
        }

    }
	else
	{
        printf("Failed to prepare: rc=%d\n", res);
	}

    f_close(&tf_jpeg);       //Close the JPEG file

    for(y=0;y<FRAME_SIZE*3;y=y+3)
    {
    	picture_buf[x] = picture_buffer[y]*65536+(picture_buffer[y+1])*256+(picture_buffer[y+2]);
    	x++;
    }

    printf("image processed done\n");

	while(1);

    return 0;
}

5. 编译运行

编译成功后，以Hardware方式运行，终端打印进度信息，最后显示：image processed done!

6. 最终结果

图片正常显示，和电脑上打开的desk.jpg一致，此图片还是博主4年前用Nokia手机在群租房里面拍的一张照片，满满的回忆啊。

本文出自 “shugenyin的博客” 博客，请务必保留此出处http://shugenyin.blog.51cto.com/4259554/1890239