JPEG 图像编解码器 =================== :link_to_translation:`en:[English]` 简介 ---- JPEG 常用于数字图像，尤其是数码摄影图像的有损压缩。压缩程度会随图片大小和压缩质量的变化而改变。JPEG 通常能保证图像质量损失肉眼不可见，并实现 10:1 的压缩。 {IDF_TARGET_NAME} 的 JPEG 编解码器是一种基于 JPEG 基线标准的图像编解码器，可以压缩和解压缩图像，从而降低传输图像所需的带宽或存储图像所需的空间，可以处理高分辨率的图像。但请注意，编解码器引擎不能同时作为编码器和解码器工作。 功能概述 -------- 本文档包含以下几部分内容： - `资源分配 <#resource-allocation>`__，包括如何正确地设置配置来分配 JPEG 资源、如何在完成工作时回收资源。 - `有限状态机 <#finite-state-machine>`__，涵盖了 JPEG 的工作流程，介绍了 JPEG 驱动程序的软件流程，以及是如何使用内部资源的。 - `JPEG 解码器引擎 <#jpeg_decoder_engine>`__，包括 JPEG 解码器引擎的行为。介绍了如何使用解码器引擎函数为图像解码（从 jpg 格式到 raw 格式）。 - `JPEG 编码器引擎 <#jpeg_encoder_engine>`__，包括 JPEG 编码器引擎的行为。介绍了如何使用编码器引擎函数为图像编码（从 raw 格式到 jpg 格式）。 - `性能概览 <#performance-overview>`__，介绍了编码器和解码器的性能。 - `不同颜色格式的像素存储布局 <#pixel-storage-layout-for-different-color-formats>`__，涵盖了 JPEG 解码器和编码器所需的颜色空间顺序。 - `线程安全性 <#thread-safety>`__， 列出了驱动程序能保证线程安全的 API。 - `电源管理 <#power-management>`__，描述了影响 JPEG 驱动程序功耗的因素。 - `Kconfig 选项 <#kconfig-options>`__，列出了支持的 Kconfig 选项，可以为驱动程序带来不同的效果。 资源分配 ^^^^^^^^ 安装 JPEG 解码器引擎 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ JPEG 解码器引擎的配置需要由 :cpp:type:`jpeg_decode_engine_cfg_t` 指定： 如果在 :cpp:type:`jpeg_decode_engine_cfg_t` 中指定了配置，则可以调用 :cpp:func:`jpeg_new_decoder_engine` 来分配和初始化 JPEG 解码器引擎。如果该函数运行正确，则会返回一个 JPEG 解码器句柄。请参考以下代码： .. code:: c jpeg_decoder_handle_t decoder_engine; jpeg_decode_engine_cfg_t decode_eng_cfg = { .intr_priority = 0, .timeout_ms = 40, }; ESP_ERROR_CHECK(jpeg_new_decoder_engine(&decode_eng_cfg, &decoder_engine)); 卸载 JPEG 解码器引擎 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 如果不再需要先前安装的 JPEG 引擎，建议通过调用 :cpp:func:`jpeg_del_decoder_engine` 回收资源，从而释放底层硬件。 .. code:: c ESP_ERROR_CHECK(jpeg_del_decoder_engine(decoder_engine)); 安装 JPEG 编码器引擎 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ JPEG 编码器引擎的配置需要由 :cpp:type:`jpeg_encode_engine_cfg_t` 指定。 如果在 :cpp:type:`jpeg_encode_engine_cfg_t` 中指定了配置，则可以调用 :cpp:func:`jpeg_new_encoder_engine` 来分配和初始化 JPEG 编码器引擎。如果该函数运行正确，则会返回一个 JPEG 编码器句柄。请参考以下代码： .. code:: c jpeg_encoder_handle_t encoder_engine; jpeg_encode_engine_cfg_t encode_eng_cfg = { .intr_priority = 0, .timeout_ms = 40, }; ESP_ERROR_CHECK(jpeg_new_encoder_engine(&encode_eng_cfg, &encoder_engine)); 卸载 JPEG 编码器引擎 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 如果不再需要先前安装的 JPEG 引擎，建议通过调用 :cpp:func:`jpeg_del_encoder_engine` 回收资源，从而释放底层硬件。 .. code:: c ESP_ERROR_CHECK(jpeg_del_encoder_engine(encoder_engine)); 有限状态机 ^^^^^^^^^^ JPEG 驱动程序对硬件资源的使用情况及其处理流程如下图所示： .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/jpeg_workflow.png :align: center :alt: JPEG 有限状态机 JPEG 有限状态机 JPEG 解码器引擎 ^^^^^^^^^^^^^^^ 通过 :cpp:func:`jpeg_new_decoder_engine` 安装好 JPEG 解码器驱动程序后，{IDF_TARGET_NAME} 就可以用 :cpp:func:`jpeg_decoder_process` 解码 JPEG 图片。通过配置参数 :cpp:type:`jpeg_decode_cfg_t`， :cpp:func:`jpeg_decoder_process` 能灵活地解码不同类型的图片： 此外，我们的 JPEG 解码器 API 提供了 helper 函数，可以帮助获取给定图像的基本信息。调用 :cpp:func:`jpeg_decoder_get_info`，将返回名为 :cpp:func:`jpeg_decoder_get_info` 的图片信息结构。如果图片的基本信息已知，则不需要调用此函数。 该驱动程序支持的格式转换如下表所示： .. list-table:: :header-rows: 1 :widths: 50 50 :align: center * - 已压缩图像的格式 - 解压后的格式 * - YUV444 - RGB565/RGB888 * - YUV422 - RGB565/RGB888 * - YUV420 - RGB565/RGB888 * - GRAY - GRAY 可参考以下代码，为 1080*1920 大小的图片解码： .. code:: c jpeg_decode_cfg_t decode_cfg_rgb = { .output_format = JPEG_DECODE_OUT_FORMAT_RGB888, .rgb_order = JPEG_DEC_RGB_ELEMENT_ORDER_BGR, }; size_t tx_buffer_size; size_t rx_buffer_size; jpeg_decode_memory_alloc_cfg_t rx_mem_cfg = { .buffer_direction = JPEG_DEC_ALLOC_OUTPUT_BUFFER, }; jpeg_decode_memory_alloc_cfg_t tx_mem_cfg = { .buffer_direction = JPEG_DEC_ALLOC_INPUT_BUFFER, }; uint8_t *bit_stream = (uint8_t*)jpeg_alloc_decoder_mem(jpeg_size, &tx_mem_cfg, &tx_buffer_size); uint8_t *out_buf = (uint8_t*)jpeg_alloc_decoder_mem(1920 * 1088 * 3, &rx_mem_cfg, &rx_buffer_size); jpeg_decode_picture_info_t header_info; ESP_ERROR_CHECK(jpeg_decoder_get_info(bit_stream, bit_stream_size, &header_info)); uint32_t out_size = 0; ESP_ERROR_CHECK(jpeg_decoder_process(decoder_engine, &decode_cfg_rgb, bit_stream, bit_stream_size, out_buf, &out_size)); 参考以下提示，可以更准确地使用该驱动程序： 1. 在上述代码中，应确保 `bit_stream` 和 `out_buf` 按照一定的规则对齐。可以通过 :cpp:func:`jpeg_alloc_decoder_mem` 函数来分配一个在大小和地址上都对齐的缓冲区。 2. 在 :cpp:func:`jpeg_decoder_process` 返回前， `bit_stream` 缓冲区的内容不应有更改。 3. 如果原始图片以 YUV420 或 YUV422 格式压缩，则输出图片的宽度和高度将会以 16 字节对齐。例如，如果输入图片大小为 1080*1920，则输出图片大小为 1088*1920。这是 jpeg 协议的限制，所以请准备足够的输出缓冲区内存。 JPEG 编码器引擎 ^^^^^^^^^^^^^^^ 通过 :cpp:func:`jpeg_new_encoder_engine` 安装好 JPEG 编码器驱动程序后，{IDF_TARGET_NAME} 就可以用 :cpp:func:`jpeg_encoder_process` 编码 JPEG 图片。借由可配置参数 :cpp:type:`jpeg_encode_cfg_t`， :cpp:func:`jpeg_encoder_process` 能灵活地编码不同类型的图片： 该驱动程序支持的格式转换如下表所示： .. list-table:: :header-rows: 1 :widths: 50 50 :align: center * - 原图格式 - 下采样法 * - RGB565/RGB888 - YUV444/YUV422/YUV420 * - GRAY - GRAY 可参考以下代码，为 1080*1920 大小的图片编码： .. code:: c int raw_size_1080p = 0;/* Your raw image size */ jpeg_encode_cfg_t enc_config = { .src_type = JPEG_ENCODE_IN_FORMAT_RGB888, .sub_sample = JPEG_DOWN_SAMPLING_YUV422, .image_quality = 80, .width = 1920, .height = 1080, }; uint8_t *raw_buf_1080p = (uint8_t*)jpeg_alloc_encoder_mem(raw_size_1080p); if (raw_buf_1080p == NULL) { ESP_LOGE(TAG, "alloc 1080p tx buffer error"); return; } uint8_t *jpg_buf_1080p = (uint8_t*)jpeg_alloc_encoder_mem(raw_size_1080p / 10); // Assume that compression ratio of 10 to 1 if (jpg_buf_1080p == NULL) { ESP_LOGE(TAG, "alloc jpg_buf_1080p error"); return; } ESP_ERROR_CHECK(jpeg_encoder_process(jpeg_handle, &enc_config, raw_buf_1080p, raw_size_1080p, jpg_buf_1080p, &jpg_size_1080p);); 参考以下提示，可以更准确地使用该驱动程序： 1. 在上述代码中，应调用 :cpp:func:`jpeg_alloc_encoder_mem` 函数，确保 `raw_buf_1080p` 和 `jpg_buf_1080p` 对齐。 2. 在 :cpp:func:`jpeg_encoder_process` 返回前， `raw_buf_1080p` 缓冲区的内容不应有更改。 3. 压缩比取决于所选择的 `image_quality` 和图像本身的内容。一般来说， `image_quality` 值越高，图像质量越好，相应的压缩比就越小。至于图像内容，则很难给出具体的指导方针，因此本文也就不再讨论。基准 JPEG 压缩比通常从 40:1 到 10:1 不等，请依实际情况而定。 性能概述 ^^^^^^^^ 本节提供了解码器和编码器性能的一些测量数据。下表中呈现的数据是对随机选择的图片片段进行 50 次解码或编码的平均值。所有测试都在 360 MHz 的 CPU 频率以及 200 MHz 的 SPI RAM 时钟频率下进行。在此测试中，仅运行与 JPEG 相关的代码，不涉及其他模块（例如 USB 摄像头等）。 解码器和编码器都不会占用过多的 CPU，仅头部解析会消耗一定 CPU。与 JPEG 压缩相关的计算，如 DCT、量化、哈夫曼编码/解码等，完全由硬件完成。 JPEG 解码器性能 ~~~~~~~~~~~~~~~ .. list-table:: :header-rows: 1 :widths: 25 25 25 25 25 :align: center * - JPEG 高度 - JPEG 宽度 - 像素输入格式 [#]_ - 像素输出格式 [#]_ - 性能 (fps) * - 1080 - 1920 - YUV422 - RGB888/RGB565 - 48 * - 720 - 1280 - YUV422 - RGB888/RGB565 - 109 * - 480 - 800 - YUV422 - RGB888/RGB565 - 253 * - 480 - 640 - YUV422 - RGB888/RGB565 - 307 * - 480 - 320 - YUV422 - RGB888/RGB565 - 571 * - 720 - 1280 - GRAY - GRAY - 161 .. [#] 已压缩图像格式 .. [#] 解压后图像格式 JPEG 编码器性能 ~~~~~~~~~~~~~~~ .. list-table:: :header-rows: 1 :widths: 25 25 25 25 25 :align: center * - JPEG 高度 - JPEG 宽度 - 像素输入格式 [#]_ - 像素输出格式 [#]_ - 性能 (fps) * - 1080 - 1920 - RGB888 - YUV422 - 26 * - 1080 - 1920 - RGB565 - YUV422 - 36 * - 1080 - 1920 - RGB565 - YUV420 - 40 * - 1080 - 1920 - RGB565 - YUV444 - 24 * - 1080 - 1920 - RGB888 - YUV422 - 26 * - 720 - 1280 - RGB565 - YUV420 - 88 * - 720 - 1280 - RGB565 - YUV444 - 55 * - 720 - 1280 - RGB565 - YUV422 - 81 * - 480 - 800 - RGB888 - YUV420 - 142 * - 640 - 800 - RGB888 - YUV420 - 174 * - 480 - 320 - RGB888 - YUV420 - 315 * - 720 - 1280 - GRAY - GRAY - 163 .. [#] 原图格式 .. [#] 下采样法 不同颜色格式的像素存储布局 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 本指南中提到的编码器和解码器使用相同的未压缩原始图像格式 (RGB, YUV)。因此，本节中编码器和解码器不做单独讨论。以下格式的像素布局适用于编码器的输入方向和解码器的输出方向（如果支持）。具体的像素布局如图所示： RGB888 ~~~~~~ 下图中的每个小块表示一位。 .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/rgb888.png :align: center :alt: RGB888 像素顺序 RGB888 像素顺序 对于 RGB888，可以通过 :cpp:member:`jpeg_decode_cfg_t::rgb_order` 将像素设置为 `RGB` 顺序。 .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/rgb888_bigendian.png :align: center :alt: RGB888 大端像素顺序 RGB888 大端像素顺序 RGB565 ~~~~~~ 下图中的每个小块表示一位。 .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/rgb565.png :align: center :alt: RGB565 像素顺序 RGB565 像素顺序 对于 RGB565，可以通过 :cpp:member:`jpeg_decode_cfg_t::rgb_order` 将像素设置为 `RGB` 顺序。 .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/rgb565_bigendian.png :align: center :alt: RGB565 大端像素顺序 RGB565 大端像素顺序 YUV444 ~~~~~~ 下图中的每个小块表示一位。 .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/yuv444.png :align: center :alt: YUV444 像素顺序 YUV444 像素顺序 YUV422 ~~~~~~ 下图中的每个小块表示一位。 .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/yuv422.png :align: center :alt: YUV422 像素顺序 YUV422 像素顺序 YUV420 ~~~~~~ 下图中的每个小块表示一位。 .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/yuv420.png :align: center :alt: YUV420 像素顺序 YUV420 像素顺序 线程安全性 ^^^^^^^^^^ 驱动程序能保证工厂函数 :cpp:func:`jpeg_new_decoder_engine`， :cpp:func:`jpeg_decoder_get_info`， :cpp:func:`jpeg_decoder_process`，以及 :cpp:func:`jpeg_del_decoder_engine` 是线程安全的，这意味着无需额外的锁保护，也可以从不同的 RTOS 任务中调用这些函数。 电源管理 ^^^^^^^^ 当启用电源管理（即设置了 :ref:`CONFIG_PM_ENABLE`）时，系统需要调整或停止 JPEG 的源时钟以进入 Light-sleep 模式，这可能会改变 JPEG 解码器/编码器的处理过程，也可能会导致硬件计算出现意外。为防止以上问题出现，当 JPEG 编码器/解码器工作时，无法进入 Light-sleep 模式。 每当用户通过 JPEG 进行解码或编码（即调用 :cpp:func:`jpeg_encoder_process` 或 :cpp:func:`jpeg_decoder_process`）时，驱动程序会将电源管理设定为 :cpp:enumerator:`esp_pm_lock_type_t::ESP_PM_CPU_FREQ_MAX`，确保获取电源管理锁。一旦编码或解码完成，驱动程序将释放锁，则系统可以进入 Light-sleep 模式。 Kconfig 选项 ^^^^^^^^^^^^ - :ref:`CONFIG_JPEG_ENABLE_DEBUG_LOG` 可启用调试日志，但会增加固件二进制大小。 维护者须知 ---------- 驱动程序对硬件资源的使用情况及其依赖状况如下图所示： .. figure:: ../../../_static/diagrams/jpeg/jpeg_drv_file_structure.png :align: center :alt: JPEG 驱动程序文件结构 JPEG 驱动程序文件结构 应用程序示例 ------------ * JPEG 编码器应用程序示例： :example:`peripherals/jpeg/jpeg_decode`。 * JPEG 解码器应用程序示例： :example:`peripherals/jpeg/jpeg_encode`。 API 参考 -------- .. only:: SOC_JPEG_DECODE_SUPPORTED .. include-build-file:: inc/jpeg_decode.inc .. only:: SOC_JPEG_ENCODE_SUPPORTED .. include-build-file:: inc/jpeg_encode.inc .. include-build-file:: inc/components/esp_driver_jpeg/include/driver/jpeg_types.inc .. include-build-file:: inc/components/hal/include/hal/jpeg_types.inc