Hard-PNG

基于FPGA的流式的 png 图象解码器，输入 png 码流，输出原始像素

• 支持图像宽度<4000，高度不限。
• 支持所有颜色类型：灰度、灰度+A、RGB、索引RGB、RGB+A。
• 仅支持8bit深度（大多数 png 图像都是8bit深度）。

图1 : Hard-PNG 原理框图

背景知识

png 是仅次于jpg的第二常见的图象压缩格式。png支持透明通道（A通道），支持无损压缩，支持索引RGB（基于调色板的有损压缩）。在色彩丰富的数码照片中，png只能获得1~4倍的压缩比。在人工合成图（例如平面设计）中，png能获得10倍以上的压缩比。

png 图像文件的扩展名为 .png 。以本库中的 SIM/test_image/img01.png 为例，它包含98字节，这98字节就称为 png 码流。我们可以用 WinHex软件 查看到这些字节：

0x89, 0x50, 0x4E, 0x47, 0x0D, 0x0A, ...... , 0xAE, 0x42, 0x60, 0x82

该png码流解码后会产生原始像素，这是个小图像，只有4列2行，共8个像素，这些像素的十六进制表示如下表。其中R, G, B, A分别代表像素的红、绿、蓝、透明通道。

	列 1	列 2	列 3	列 4
行 1	R:FF G:F2 B:00 A:FF	R:ED G:1C B:24 A:FF	R:00 G:00 B:00 A:FF	R:3F G:48 B:CC A:FF
行 2	R:7F G:7F B:7F A:FF	R:ED G:1C B:24 A:FF	R:FF G:FF B:FF A:FF	R:FF G:AE B:CC A:FF

使用 Hard-PNG

RTL 目录中的 hard_png.sv 是一个能够输入 png 码流，输出解压后的像素的模块，它的接口如图2所示。

图2 : hard_png 接口图

hard_png 的使用方法很简单，在输入一张 png 图像的码流前，先要给模块复位（令 rstn=0 至少一个时钟周期），然后解除复位（令 rstn=1），然后输入 png 码流，并从图象基本信息输出接口和像素输出接口中得到解码结果。

以 SIM/test_image/img01.png 为例，我们应该以图3的时序把 png 码流中的98个字节逐一输入到 hard_png 中。其中 ivalid 和 iready 构成了握手信号： ivalid=1 时说明外部想发送一个字节给 hard_png。iready=1 时说明 hard_png 已经准备好接收一个字节。只有 ivalid 和 iready 同时=1 时，ibyte 才被成功的输入 hard_png 中。

图3 : hard_png 的输入波形图

在输入的同时，解压结果从模块中输出，如图4。在一帧图象输出前，newframe 信号会出现一个时钟周期的高电平脉冲，同时 colortype, width, height 有效。其中：

• width, height 分别为图象的宽度和高度
• colortype 为 png 图像的颜色类型，含义如下表。

colortype	3'd0	3'd1	3'd2	3'd3	3‘d4
颜色类型	灰度	灰度+A	RGB	RGB+A	索引RGB
备注	R=G=B，A=0xFF	R=G=B≠A	R≠G≠B，A=0xFF	R≠G≠B≠A	R≠G≠B，A=0xFF

然后，ovalid=1 代表该时钟周期有一个像素输出，该像素的 R,G,B,A 通道分别出现在 opixelr,opixelg,opixelb,opixela 信号上。

图4 : hard_png 的输出波形图

当一个 png 图象输入结束后，可以立即或稍后输入下一张图像（复位->解除复位->输入码流）。

仿真

仿真相关的东西都在 SIM 文件夹中，其中：

• test_image 中提供 14 张不同尺寸，不同颜色类型的 png 图像文件。
• tb_hard_png.sv 是仿真代码，它会依次进行这些图像的压缩，然后把结果（原始像素）写入 txt 文件中。
• tb_hard_png_run_iverilog.bat 包含了运行 iverilog 仿真的命令。
• validation.py （Python代码）对仿真输出和软件 png 解码的结果进行比对，验证正确性。

使用 iverilog 进行仿真前，需要安装 iverilog ，见：iverilog_usage

然后双击 tb_hard_png_run_iverilog.bat 运行仿真，会运行大约半小时（可以中途强制关闭，但产生的仿真波形就是不全的）。

仿真运行完后，可以打开生成的 dump.vcd 文件查看波形。

另外，每个 png 图像都会产生一个对应的 txt 文件，里面是解码结果。比如 img01.png 对应地产生 out01.txt ，里面包含了解码出的 8 个像素的值：

decode result:  colortype:3  width:4  height:2
fff200ff ed1c24ff 000000ff 3f48ccff 7f7f7fff ed1c24ff ffffffff ffaec9ff 

正确性验证

为了验证解压结果是否正确，我提供了 Python 程序 validation.py，它对 .png 文件进行解压，并与仿真产生的 .txt 文件中的每个像素进行比较，若比较结果相同则验证通过。

为了运行 validation.py ，请安装 Python3 以及其配套的 numpy 和 PIL 库。

安装好后，用 CMD 命令运行它，比如：

python validation.py test_image/img03.png out03.txt

这个命令的含义是： 比较 out03.txt 中的每个像素是否与 test_image/img03.png 匹配。

打印如下（说明验证通过）：

size1= (400, 4)
size2= (400, 4)
total 400 pixels validation successful!!

部署信息

FPGA 资源消耗

FPGA 型号	LUT	LUT(%)	FF	FF(%)	Logic	Logic(%)	BRAM	BRAM(%)
Xilinx Artix-7 XC7A35T	2581	13%	2253	5%	-	-	792kbit	44%
Altera Cyclone IV EP4CE40F23C6	-	-	-	-	4551	11%	427kbit	37%

性能

在 Altera Cyclone IV EP4CE40F23C6 上部署 hard_png ，时钟频率= 50MHz （正好时序收敛）。根据仿真时每个图像消耗的时钟周期数，可以算出压缩图像时的性能，举例如下表。

png文件名	颜色类型	图象长宽	png 码流大小 (字节)	消耗的时钟周期数	消耗时间
img05.png	RGB	300x256	96536	1105702	23ms
img06.png	灰度	300x263	37283	395335	8ms
img10.png	索引RGB	631x742	193489	2374224	48ms
img14.png	索引RGB	1920x1080	818885	10177644	204ms

参考链接

• upng: 一个轻量化的 C 语言 png 解码库
• TinyPNG: 一个利用索引 RGB 对 png 图像进行有损压缩的工具
• PNG Specification: png 标准手册