VLC可變字長編碼在LCD OSD字庫壓縮中的應用

左瑞娟，武永華

(1.福建師范大學軟件學院，福建 福州 350007;2.福建江夏學院，福建 福州 350007)

隨著液晶電視功能越來越強大，OSD要支持的語言越來越多，OSD要顯示的字庫越來越大，而存儲字庫的Flash空間有限［1－3］，所以必須對OSD字庫采取一定的壓縮算法，通過液晶電視嵌入式軟件來解壓縮，這樣就可以在有限的Flash空間使OSD顯示得效果更豐富。本文基于此思路提出了利用可變字長編碼(VLC)來壓縮OSD的字庫［4］。

在嵌入式設計中對代碼的大小有很嚴格的要求，因為Flash容量是極其有限的，所以像字體庫這樣需要占用相當一部分Flash空間的代碼，總是會先用一種合適的壓縮算法將其壓縮，然后再燒入Flash中，這樣可以節省Flash的空間。

OSD是On Screen Display的縮寫，是應用在液晶電視上，在液晶電視的液晶屏幕產生一些特殊的字形或圖形，讓使用者得到一些訊息。當使用者操作電視機換臺或調整音量、畫質和切換不同國家語言等，液晶屏幕就會顯示目前狀態，讓終端用戶知道。此圖像處理芯片可以在屏幕上的任何位置顯示一些特殊字形與圖形，成為人機界面上重要的訊息產生裝置。

VLC可變字長編碼的原理:將出現概率大的符號編成短碼，將出現概率小的符號編成長碼，如果碼字長度嚴格，按照出現概率大小逆序排列，則其平均碼字長度一定小于其他任何符合順序排列方式。

1 OSD字庫構建

1.1 OSD字庫介紹

OSD字庫里面的每個字形(Font)是由點矩陣打點所形成，并且這些點在液晶屏幕上可以指定其顏色。“1 bit Font”為黑白兩種顏色，“多bit Color Font”為多種顏色的字形，這些點可分別指定為不同顏色。需要注意的是，Color Font可指定的不同顏色值越多，則所需的產生字形所需的圖像處理芯片就越復雜。

1.2 OSD字庫生成

如圖1所示，在Edit Window中共有12×18個小網格，也可以是其他點距的字形，每一個小網格代表一個字符。在顏色模式為1 bit的情況下，每個小網格可存儲1 bit的數據，即選中則為1，未選中為0。從上至下，每2行的選取方式是一樣的，所以這里以前兩行作為例子進行分析。在圖1中編輯了2行，8個小網格代表1 byte，箭頭代表了選取方向，數字代表選取順序。所以按照這個法則，第1 byte的編碼應為00000111，第2 byte的編碼應為00001111，第3 byte的編碼為00001100。上述例子生成的源代碼即字庫，保存在在“.h”文件中，即:

圖1 字形網格

從上述程序代碼可以看到，第1 byte的編碼為0x07，正是圖1解釋的00000111，第2 byte和第3 byte的編碼也同樣能對應上。

2 OSD字庫的VLC可變字長編碼

2.1 VLC可變字長壓縮算法

VLC可變字長壓縮是熵編碼［5］的一種，通過對碼字和其長度的查找表實現，完成查找后將碼字取出填充進比特流輸出，對應的解碼端過程稱為可變字長解碼(VLD)，通過設計一個最優代碼(也就是代碼字對字符的一種分配)來最小化代碼字的長度，他依賴于字符使用的概率P。如果一個字符很少使用，那么可以給它分配一個較長的代碼字。對經常使用的字符，最好分配一個很短的編碼，并且需要一些限制來約束預期的代碼:

1)每個代碼字只對應一個字符。

2)解碼應當不需要任何預測。在讀入每個字符之后，它應當可能確定是否到達了原始信息里一個字符編碼的字符串最后。滿足這個需要的字符稱作是由前綴特性的代碼，它意味著沒有代碼字是其他代碼字的前綴。

3)每個給定字符的代碼字長度應當不超過概率比它小的字符的代碼字長度。

4)在一個最優代碼系統中，不應當有未使用的短代碼字，或者是獨立編碼或者長代碼字的前綴，因為這可能說明根本沒有必要創建一個這么長的代碼字。

2.2 OSD字庫的VLC壓縮算法

本文中所應用的壓縮算法有它自己的適應性，在所有出現的代碼字中只有16 種情況，即0，1，2，3，…，D，E，F。為這些代碼字提供了一張有16種VLC編碼的對照表格，如表1所示，這張編碼表的特殊之處在于，它是根據每一個源字符出現的概率而建立起來的。出現概率高的字符使用較短的編碼，反之出現概率低的則使用較長的編碼，這便使編碼之后的字符串的平均期望長度降低，從而達到無損壓縮數據的目的。

表1 代碼字對照表

在表1中，每個代碼字對應的編碼并不是固定的，表1中的Value項的值只是作為一個例子，實際壓縮過程中每個代碼字具體對應的編碼是由這個編碼在所有編碼中出現的概率來決定的，在決定給編碼分配代碼字的時候，首先要把所有的編碼出現的概率進行從大到小的排序，在出現一樣概率的情況下，將值大的編碼放在前面。對于那些沒有出現的編碼，給它分配什么代碼字無關緊要，因為代碼字有它的獨立性，在字體的壓縮編碼中，前16 byte的編碼是代碼字對照表的編碼，表明以下的編碼是由這個對照表來進行壓縮的。圖2為未經壓縮的原始字庫，如圖3為經過VLC縮后的字庫。

圖4 經過壓縮后，前面 16 byte為 0x00，0x03，0x0f，0x0c，0x08，0x0e，0x01，0x02，0x04，0x05，0x06，0x07，0x09，0x0a，0x0b和0x0d。前16 byte的編碼是代碼字對照表的編碼，表明以下的編碼是由這個對照表來進行壓縮的。按照這16 byte每個的出現概率從大到小排列，也就是說0的幾率最高，其次是3，以后的次之。從第17 byte后才是真正的壓縮字形。在解壓的時候需要根據代碼字對照表重構編碼。壓縮過程如下:根據代碼字對照表，構建出對應的壓縮的二進制串，如圖4所示，此二進制對應的十六進制壓縮數據如圖5所示。

圖4 構建壓縮的二進制串

圖5 十六進制壓縮數據(載圖)

壓縮過程是通過PC端的應用軟件完成的，而解壓縮過程則是通過液晶電視的嵌入式軟件來實現的，所以必須要盡量避免壓縮算法的復雜性，避免解壓縮時間過長從而導致OSD顯示緩慢的問題。基于液晶電視嵌入式軟件的局限性，本文的壓縮算法采用統一的代碼字壓縮。在解壓時，首先要將所有的壓縮字轉化為二進制串，再得到這些二進制串之后按順序對照代碼字表中的VLC Code項進行字體重構，這些二進制串擁有的特性就是前綴特性，即最優代碼字條件的“解碼應當不需要任何預測”，也就是說代碼字是沒有歧義的，順序解碼過程中不會存在一個代碼字有兩種解釋。在解碼到最后會剩余0，沒有代碼字可比對，這是因為在先前的壓縮中，對于最后一個不夠生成1 byte的編碼將用0來補齊。對于不同點陣大小的字體，或者是1 bit，2 bit或4 bit字體，它的壓縮方式都是不變的，均為此法則。

3 小結

VLC可變字長編碼已經導入在液晶電視實際嵌入式軟件中，取得較好的壓縮效率，壓縮比可以達到1.5，大大節省了Flash的空間，取得了較好的經濟效益。

［1］趙智恒.新型顯示器集成電路實用手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［2］田明，王群生.實時有效的OSD系統結構的建立與分析［J］.電視技術，2003，27(9):56－58.

［3］盧官明.數字電視原理［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［4］基于FLASH介質嵌入式存儲方案的設計與實現［EB/OL］.［2011－08－08］.http://tech.ddvip.com/2008/07/121740927249554.html.

［5］馮桂，林其偉，陳東華.信息論與編碼技術［M］.北京:清華大學出版社，2007.