alex/esp-idf
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esp-idf/docs/zh_CN/api-reference/peripherals/jpeg.rst

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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
------------
- :example:`peripherals/jpeg/jpeg_decode` 演示了如何使用 JPEG 硬件解码器将不同大小的 JPEG 图片（1080p 和 720p）解码为 RGB 格式，展示了硬件解码的速度和灵活性。
- :example:`peripherals/jpeg/jpeg_encode` 演示了如何使用 JPEG 硬件编码器编码一张 1080p 的图像，即将 `*.rgb` 文件转换为 `*.jpg` 文件。
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
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