FPGA硬件png图片解码器，支持所有颜色类型解码，提供工程源码和技术支持

1、前言

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。

本设计使用system verilog语言设计了一个png图片解码器，输入数据为8位的流式数据，输出数据为解码后的32位数据，其中高24位为RGB数据，低8位为透明度数据，实用性和灵活性很高；一并提供了加速器的仿真源文件，可通过vivado或其他软件进行仿真，文章后面有详细的仿真教程；

本文详细描述了png图片解码器及其仿真的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，但目前只做到了仿真层面，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像压缩领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

2、我已有的视频图像编解码方案

我这里目前已有的视频图像编解码方案如下：
1：FPGA实现H264视频解码方案，工程源码和设计说明参考链接：点击直接前往
2：FPGA实现MPEG2视频压缩方案，工程源码和设计说明参考链接：点击直接前往
3：FPGA实现JPEG图像解码方案，工程源码和设计说明参考链接：点击直接前往
4：FPGA实现JPEG-LS图像压缩方案，工程源码和设计说明参考链接：点击直接前往
5：FPGA实现png图片解码方案，即本文。。。

3、png图片解码理论

png图片解码算法介绍可以百度一下或者csdn或者知乎搜一下看看，专业的讲解我不擅长，我只擅长用fpga实现算法，专业讲原理的大佬比我讲得好，这里可以推荐一篇阅读量很大的文章：直接点击前往

4、png图片解码性能介绍

1：基于FPGA的流式的 png 图象解码器，输入 png 码流，输出原始像素；
2：支持图像宽度<4000，高度不限；
3：支持所有颜色类型：灰度、灰度+A、RGB、索引RGB、RGB+A；
4：仅支持8bit深度（大多数 png 图像都是8bit深度）；
5：资源消耗少，首先看看在Xilinx Artix-7 xc7a35tcsg324-2 上综合和实现的资源消耗：

6：解码延时低
在 Xilinx Artix-7 xc7a35tcsg324-2 上部署 png图片解码器，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：

上表中的测试图片我会在工程文件中一并给出，感兴趣的也可以重新测试一遍延时。。。

5、png图片解码器时序介绍

首先看看png图片解码器顶层接口：

输入码流

png图片解码器的使用方法很简单，以 我给出的测试图片文件夹test_image/img01.png 这张图像为例，如下时序图，在输入一张图象的码流前，先要令 istart 上产生一个高电平脉冲（宽度至少为一个时钟周期），然后通过 ivalid 和 ibyte 信号来输入码流（这张图象的 png 码流有 98 字节，这 98 字节都要逐一输入给 png图片解码器），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png图片解码器。iready=1 时说明png图片解码器已经准备好接收一个字节。只有 ivalid 和 iready 同时=1 时握手才成功，ibyte 才被成功的输入png图片解码器中。

输出图像信息和像素

在输入码流的同时，这张图象的解压结果（也就是图像基本信息和原始像素）会从模块中输出，如下图，在图象的像素输出前，ostart 信号会出现一个时钟周期的高电平脉冲，同时 colortype, width, height 会有效。其中：
width, height 分别是图象的宽度和高度；
colortype 是 png 图像的颜色类型，含义如下：

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 通道会分别出现在opixelr,opixelg,opixelb,opixela 信号上。

6、png图片解码器设计详解

png图片解码器原理框图如下：

其中顶层的数据输入输出如下：

具体设计的代码层级讲解这里不多说，要把代码讲清楚写几本书也未必能说清楚，还是拿到代码去仔细品味吧。。。

7、工程源码和仿真

开发板FPGA型号：Xilinx xc7k325tffg676-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：14张png图片；
输出：txt文件；
输出显示：我用的Matlab读取txt显示图片；
运行：Vivado在线仿真；

工程代码架构

工程代码架构如下：

仿真流程

仿真流程为：
第一步：
添加源码并开启行为仿真：

第二步：
点击开始仿真：

该仿真需要运行30分钟；

仿真的输入我准备了共14张png图片，分辨率不一样，基本可以完美的模拟绝大多数类型的png图片了，输入图片文件夹位置如下：

经过漫长的仿真后会结束，并跑完波形如下：

此时也生成了对应的14个txt文件，位置如下：

以out14.txt为例，打开文件：

8、输出RGB图像验证

使用Matlab将输出的txt文件转为图片显示，再和源png图片做对比，当然，还可以用Python等验证，方法自己喜欢就好。。。
以out14.txt为例，打开out14.txt，并去掉首行字符，如下：

另存为out14_matlab.txt，位置如下：

将此文件复制到Matlab源码文件夹下，运行如下Matlab源码即可显示输出RGB图像；Matlab源码如下：

clear;clear all;clc;  
col = 1920; 
row = 1080;
n   = 3;    

image_sim_pass = uint8(zeros(row,col,n));
fid = fopen('out14_matlab.txt','r');
for x = 1:row
    for y = 1:col
        RGB = fscanf(fid,'%s',1);
        image_sim_pass(x,y,1) = uint8(hex2dec(RGB(1:2)));
        image_sim_pass(x,y,2) = uint8(hex2dec(RGB(3:4)));
        image_sim_pass(x,y,3) = uint8(hex2dec(RGB(5:6)));              
    end 
end
fclose(fid);
imshow(image_sim_pass),title('png解码后的RGB图片');
imwrite(image_sim_pass,'img14_simout.jpg');   

打开源png图片和Matlab输出的解码后的RGB图做对比如下：

9、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：