專(zhuān)利名稱：數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明所提出的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器是一種實(shí)時(shí)增強(qiáng)數(shù)字圖像復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征的信號(hào)處理電路裝置。本發(fā)明涉及的分?jǐn)?shù)階微分的階次不是傳統(tǒng)的整數(shù)階，而是非整數(shù)階，工程應(yīng)用中一般取分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)。見(jiàn)圖1，這種數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器是采用數(shù)字視頻流行存儲(chǔ)器組18、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20與最大值比較器21以級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成的。它的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20中的8個(gè)特定的算法單元電路1～8的運(yùn)算規(guī)則是采用分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分的空域?yàn)V波。本發(fā)明所提出的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)明，紋理細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果好，實(shí)時(shí)性高，特別適用于對(duì)高清晰數(shù)字電視、生物醫(yī)學(xué)圖像、銀行票據(jù)、衛(wèi)星遙感圖像和生物特征圖像等的復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征進(jìn)行實(shí)時(shí)增強(qiáng)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合。本發(fā)明屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)、數(shù)字圖像處理和數(shù)字電路交叉學(xué)科的
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著下一代高清晰數(shù)字電視對(duì)圖像清晰度和實(shí)時(shí)性要求的不斷提高；隨著生物醫(yī)學(xué)圖像(例如，細(xì)胞圖像、X光片、乳腺鉬靶片、CT圖像、MR圖像、PET圖像、超聲圖像等)對(duì)后期圖像處理清晰度和實(shí)時(shí)性要求的不斷提高；隨著銀行票據(jù)智能識(shí)別系統(tǒng)對(duì)票據(jù)復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征預(yù)處理質(zhì)量要求的不斷提高；隨著衛(wèi)星遙感圖像對(duì)其復(fù)雜地理紋理細(xì)節(jié)特征的增強(qiáng)程度以及對(duì)只有幾個(gè)像素的小目標(biāo)識(shí)別能力要求的不斷提高；隨著指紋、虹膜、掌紋等生物特征智能識(shí)別系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜生物紋理特征預(yù)處理質(zhì)量要求的不斷提高，這些都迫切要求提出一種構(gòu)造高效、實(shí)時(shí)地增強(qiáng)數(shù)字圖像復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征的濾波器的方案。
目前，從圖像像素之間的關(guān)系角度看，圖像紋理細(xì)節(jié)特征分析方案分為四類(lèi)第1類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析方案。該方案主要是基于圖像像素的灰度值的分布與相互關(guān)系，選擇不同的統(tǒng)計(jì)量對(duì)紋理圖像中反映這些關(guān)系的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行提取。該方案只主要適合圖像中那些沒(méi)有明顯規(guī)則性的結(jié)構(gòu)圖像。統(tǒng)計(jì)分析方案有共生矩陣方案(gray level co-occurrence matrix，GLCM)和長(zhǎng)游程方案(run lengthmatrix，RLM)兩種；第2類(lèi)結(jié)構(gòu)分析方案。該方案首先將紋理看成是有許多紋理基元按照一定的位置規(guī)則組成的，然后分兩個(gè)步驟處理第一步提取紋理基元；第二步推論紋理基元位置規(guī)律，從中獲取結(jié)構(gòu)特征。該方案主要用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理紋理圖像，只適合于處理規(guī)則和周期性紋理；第3類(lèi)基于模型方案。該方案認(rèn)為一個(gè)像素與其鄰域像素存在某種相互關(guān)系。該方案用模型系數(shù)來(lái)表征紋理圖像，其關(guān)鍵在于首先要對(duì)紋理圖像的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析從而選擇到最適合的模型，其次是如何估計(jì)這些模型系數(shù)。該方案通常分為自回歸模型、馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型、Gibbs隨機(jī)場(chǎng)模型、分形模型四種。這類(lèi)方案存在著計(jì)算量大，對(duì)自然紋理難以用單一模型表達(dá)的缺點(diǎn)；第4類(lèi)頻譜方案。該方案只能完成對(duì)圖像的頻率分解，因而獲得的信息不是很充分。該方案有傅立葉變換法、功率譜法、Gabor變換法、小波變換法等。小波變換法大體上分為金子塔形小波變換法和樹(shù)形小波變換法(小波包法)。由于紋理圖像的復(fù)雜性，近年來(lái)將各種傳統(tǒng)紋理分析技術(shù)綜合運(yùn)用取得了一定的效果。這種綜合運(yùn)用實(shí)際上相當(dāng)于多種傳統(tǒng)紋理分析方案處理結(jié)果的信息融合，但是這就極大消耗了計(jì)算資源，降低了處理效率，不能滿足計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求。
近三百年來(lái)，分?jǐn)?shù)階微積分在數(shù)學(xué)分析領(lǐng)域中業(yè)已成為一個(gè)重要分支，但對(duì)于大多數(shù)工程技術(shù)界學(xué)者而言它還鮮為人知。如何將分?jǐn)?shù)階微積分應(yīng)用于現(xiàn)代信號(hào)分析與處理之中，特別是圖像信號(hào)的處理之中，在國(guó)內(nèi)外都是一個(gè)值得研究的新興學(xué)科分支。在數(shù)字圖像中，鄰域內(nèi)像素與像素之間的灰度值具有很強(qiáng)的相關(guān)性，這種相關(guān)性通常是以復(fù)雜的紋理細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)出來(lái)的。能否利用分?jǐn)?shù)階微分處理來(lái)增強(qiáng)數(shù)字圖像中的復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征呢？本發(fā)明申請(qǐng)人對(duì)分?jǐn)?shù)階微積分在現(xiàn)代信號(hào)分析與處理中的應(yīng)用做了深入而系統(tǒng)的研究，其研究表明信號(hào)的各種分?jǐn)?shù)階微分定義都應(yīng)該滿足如下三點(diǎn)性質(zhì)I，在平坦段(圖像灰度值不變的區(qū)域)的分?jǐn)?shù)階微分值是由對(duì)應(yīng)奇異跳變處的極大值漸趨于零(Riemann-Liouville定義除外)。而平坦段的任意整數(shù)階微分必為零。這是分?jǐn)?shù)階微分相對(duì)于整數(shù)階微分的顯著區(qū)別之一；II，在灰度階梯或斜坡的起始點(diǎn)處的分?jǐn)?shù)階微分值非零，起到了加強(qiáng)高頻信息的作用；III，沿斜坡的分?jǐn)?shù)階微分值非零，亦非常數(shù)。而沿斜坡的整數(shù)階微分值為常數(shù)。因此，對(duì)一維信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分處理既能非線性加強(qiáng)信號(hào)的中頻和高頻成份，又能在一定程度上盡量地非線性保留信號(hào)的低頻和直流成份。Rodieck高斯差經(jīng)典感受野模型是偶對(duì)稱中心一周邊拮抗式的。傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理中經(jīng)典的基于一階微分的Sobel算子，以及基于二階微分的Laplace算子，乃至基于小波變換的墨西哥帽算子，實(shí)際上都是對(duì)Rodieck感受野模型在數(shù)學(xué)上進(jìn)行仿生實(shí)現(xiàn)。對(duì)一維信號(hào)做分?jǐn)?shù)階微分處理可知，與傳統(tǒng)的經(jīng)典整數(shù)階微分不同，直流和低頻信號(hào)的分?jǐn)?shù)階微分值一般不為零。同理，對(duì)二維圖像信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分既能盡量保留圖像平滑區(qū)域中的低頻輪廓特征，同時(shí)又能非線性增強(qiáng)圖像中灰度值躍變幅度相對(duì)較大的高頻邊緣特征，而且還能非線性增強(qiáng)圖像中灰度值躍變幅度和頻率變化相對(duì)不大的高頻紋理細(xì)節(jié)特征。圖像分?jǐn)?shù)階微分的拮抗特性符合生物視覺(jué)的側(cè)抑制原理，是不對(duì)稱的Rodieck感受野。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是構(gòu)造一種數(shù)字圖像濾波器，它可以一次性完成、實(shí)時(shí)、簡(jiǎn)便、有效地既能盡量保留數(shù)字圖像平滑區(qū)域中的低頻輪廓特征，同時(shí)又能非線性增強(qiáng)數(shù)字圖像中灰度值躍變幅度相對(duì)較大的高頻邊緣特征，而且還能非線性增強(qiáng)數(shù)字圖像中灰度值躍變幅度和頻率變化相對(duì)不大的高頻紋理細(xì)節(jié)特征。本發(fā)明的申請(qǐng)人深入研究了用分?jǐn)?shù)階微分增強(qiáng)數(shù)字圖像紋理細(xì)節(jié)特征的基本原理和及其運(yùn)算規(guī)則，在此基礎(chǔ)上針對(duì)如何構(gòu)造數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分濾波器的信號(hào)處理電路裝置這個(gè)核心內(nèi)容，根據(jù)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分的性質(zhì)以及數(shù)字圖像處理、數(shù)字電路、串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點(diǎn)，提出了一種實(shí)時(shí)增強(qiáng)數(shù)字圖像復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征的信號(hào)處理電路裝置的新方案，即數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器。見(jiàn)圖1，這種數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器是采用數(shù)字視頻流行存儲(chǔ)器組18、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20與最大值比較器21以級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成的。它的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20中的8個(gè)特定的算法單元電路1～8的運(yùn)算規(guī)則是采用分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分的空域?yàn)V波。
在具體說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容之前，有必要對(duì)本說(shuō)明書(shū)所用符號(hào)涵義及其取值范圍進(jìn)行三點(diǎn)說(shuō)明第1點(diǎn)，沿用傳統(tǒng)圖像處理中習(xí)慣用x和y坐標(biāo)分別表示圖像像素的縱軸和橫軸坐標(biāo)(與歐幾里德空間的一般數(shù)學(xué)表示不同，它習(xí)慣用x和y坐標(biāo)分別表示橫軸和縱軸坐標(biāo))，用S(x，y)表示坐標(biāo)(x，y)上的像素的灰度值或RGB值；當(dāng)x和y取連續(xù)的模擬值時(shí)，S(x，y)表示模擬圖像；當(dāng)x和y取離散的數(shù)字值時(shí)，S(x，y)表示數(shù)字圖像(x和y分別表示行坐標(biāo)和列坐標(biāo))，它是一個(gè)像素矩陣；第2點(diǎn)，為了使分?jǐn)?shù)階微分掩模(它是一個(gè)n×n的方陣)有明確的軸對(duì)稱中心，分?jǐn)?shù)階微分掩模的尺寸數(shù)n是奇數(shù)；n的最小取值是3，n的最大取值小于待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像的尺寸數(shù)(若待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像S(x，y)是L×H的像素矩陣，當(dāng)L＝H時(shí)，其尺寸數(shù)為L(zhǎng)；當(dāng)L≠H時(shí)，其尺寸數(shù)為L(zhǎng)和H中的最小值)；第3點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，待進(jìn)行處理的數(shù)字圖像S(x，y)(它是一個(gè)L×H的像素矩陣，L表示S(x，y)的行數(shù)，H表示S(x，y)的列數(shù)，即每行有H個(gè)像素，x取0～(L-1)之間的整數(shù)，y取0～(H-1)之間的整數(shù))的L行像素的灰度值或RGB值一般不是并行輸入(L行像素的灰度值或RGB值各行同時(shí)輸入)，而是串行輸入(L行像素的灰度值或RGB值一行像素接一行像素輸入，每行輸入H個(gè)像素的灰度值或RGB值，形成串行數(shù)字視頻碼流)圖像處理裝置的；根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點(diǎn)，用Sx(k)表示串行數(shù)字視頻碼流中的像素(下標(biāo)x表示每一幀數(shù)字圖像S(x，y)是以一行像素接一行像素輸入的方式形成串行數(shù)字視頻碼流的，S(x，y)從它最下面的一行(第L行)開(kāi)始從下至上輸入，k表示像素Sx(k)在串行數(shù)字視頻碼流中的像素序號(hào)，k從L×H-1開(kāi)始計(jì)數(shù)，逐像素輸入k值減一，直至為零)；若Sx(k)對(duì)應(yīng)串行輸入前坐標(biāo)(x，y)上的像素S(x，y)，則Sx(k±m(xù)H±b)對(duì)應(yīng)串行輸入前坐標(biāo)(x±m(xù)，y±b)上的像素S(x±m(xù)，y±b)。
見(jiàn)圖1，本發(fā)明的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器是由數(shù)字視頻流行存儲(chǔ)器組18、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20與最大值比較器21級(jí)聯(lián)而成；串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)從端口17輸入后分成三路第一路順序經(jīng)過(guò)行存儲(chǔ)器組18、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20處理后，分別在端口9～16輸出像素Sx(k+(n-1)(H+1))在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值，再經(jīng)過(guò)最大值比較器21處理后，在端口22輸出這8個(gè)近似值中的最大值作為像素Sx(k+(n-1)(H+1))的v階分?jǐn)?shù)階微分值近似值Sx(v)(k+(n-1)(H+1))；第二路觸發(fā)時(shí)序控制電路產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)；第三路與行存儲(chǔ)器組18的輸出一起饋入鎖相/移位電路組19生成(2n-1)×(2n-1)的像素陣列。其中，該數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器中的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的階次v可在0～1之間取分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值(由于數(shù)字電路的計(jì)算長(zhǎng)度有限，當(dāng)v為無(wú)理小數(shù)時(shí)，可以約等于近似的有理小數(shù))，根據(jù)工程精度的不同要求，階次v分為三種類(lèi)型的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，其算法單元電路1～8的計(jì)算數(shù)據(jù)類(lèi)型也分為相應(yīng)三種類(lèi)型第1種類(lèi)型單精度型(占4個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度32bit，有效數(shù)字6～7位，計(jì)算數(shù)值范圍10-37～1038)；第2種類(lèi)型雙精度型(占8個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度64bit，有效數(shù)字15～16位，計(jì)算數(shù)值范圍10-307～10308)；第3種類(lèi)型長(zhǎng)雙精度型(占16個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度128bit，有效數(shù)字18～19位，計(jì)算數(shù)值范圍10-4931～104932)。本發(fā)明提出的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器，是這樣構(gòu)造的其包括有下列構(gòu)成電路部件見(jiàn)圖1，行存儲(chǔ)器組18由時(shí)序控制電路、讀寫(xiě)地址發(fā)生器以及雙端口RAM組構(gòu)成；時(shí)序控制電路在輸入數(shù)字視頻流的行、場(chǎng)有效信號(hào)的觸發(fā)下產(chǎn)生相應(yīng)的控制讀寫(xiě)地址發(fā)生器、雙端口RAM組、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20與最大值比較器21操作的時(shí)序控制信號(hào)；讀寫(xiě)地址發(fā)生器在時(shí)序控制信號(hào)的作用下產(chǎn)生雙端口RAM的讀寫(xiě)地址，并負(fù)責(zé)處理讀寫(xiě)地址初始化和回轉(zhuǎn)的問(wèn)題；行存儲(chǔ)器組18根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點(diǎn)，利用當(dāng)前輸入像素，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，行存儲(chǔ)器組18分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，這個(gè)行存儲(chǔ)器組18采用2n-2個(gè)行存儲(chǔ)器完成2n-1行視頻圖像數(shù)據(jù)的獲??；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，行存儲(chǔ)器組18由3個(gè)完全相同且并行處理的行存儲(chǔ)器組子電路構(gòu)成；其中每個(gè)行存儲(chǔ)器組子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的行存儲(chǔ)器組18的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)行存儲(chǔ)器組子電路分別并行存儲(chǔ)數(shù)字彩色圖像的R、G、B3個(gè)分量值；行存儲(chǔ)器組18共采用6n-6個(gè)行存儲(chǔ)器，其中每一行存儲(chǔ)器組子電路采用2n-2個(gè)行存儲(chǔ)器完成2n-1行數(shù)字視頻彩色圖像相應(yīng)分量值的獲取。
見(jiàn)圖1，鎖相/移位電路組19根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點(diǎn)，利用當(dāng)前輸入像素，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，鎖相/移位電路組19分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，這個(gè)鎖相/移位電路組19共采用3n2-3n個(gè)D觸發(fā)器，通過(guò)對(duì)數(shù)字灰度圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字灰度圖像分?jǐn)?shù)階微分所需的(2n-1)×(2n-1)像素陣列；(2n-1)×(2n-1)像素陣列的第1行采用2n-2個(gè)D觸發(fā)器，第2行采用2n-3個(gè)D觸發(fā)器，一直到第n-1行每行采用D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)都是逐行減一，第n-1行采用n個(gè)D觸發(fā)器；(2n-1)×(2n-1)像素陣列的第n行采用2n-2個(gè)D觸發(fā)器；(2n-1)×(2n-1)像素陣列的第n+1行采用n個(gè)D觸發(fā)器，第n+2行采用n+1個(gè)D觸發(fā)器，一直到第2n-1行每行采用D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)都是逐行加一，第2n-1行采用2n-2個(gè)D觸發(fā)器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，這個(gè)鎖相/移位電路組19由3個(gè)完全相同且并行處理的鎖相/移位電路組子電路構(gòu)成；其中每個(gè)鎖相/移位電路組子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的鎖相/移位電路組19的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)鎖相/移位電路組子電路通過(guò)對(duì)數(shù)字彩色圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)分別產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字彩色圖像分?jǐn)?shù)階微分所需的R、G、B3個(gè)分量值的(2n-1)×(2n-1)像素陣列；這個(gè)鎖相/移位電路組19共采用9n2-9n個(gè)D觸發(fā)器。
見(jiàn)圖1，分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20是本發(fā)明的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器所有構(gòu)成電路部件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分最關(guān)鍵的電路部件，也是本發(fā)明提出該數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器新方案的核心內(nèi)容。為了清楚說(shuō)明分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的電路構(gòu)成，有必要先對(duì)分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行如下簡(jiǎn)要說(shuō)明由于數(shù)字電路或數(shù)字濾波器處理的是數(shù)字量，其值有限；圖像信號(hào)灰度的最大變化量是有限的；數(shù)字圖像灰度變化發(fā)生的最短距離只能是在兩相鄰像素之間，因此二維數(shù)字圖像s(x，y)在x或y坐標(biāo)軸方向上的持續(xù)時(shí)間(圖像矩陣的尺寸數(shù))只可能以像素為單位進(jìn)行度量，s(x，y)在x或y坐標(biāo)軸方向上的最小等分間隔只可能是h＝1。若一維信號(hào)s(t)的持續(xù)期為t∈[a，t]，將信號(hào)持續(xù)期[a，t]按單位等分間隔h＝1進(jìn)行等分，其等分份數(shù)為n=[t-ah]h=1=[t-a].]]>將等分份數(shù)n代入分?jǐn)?shù)階微積分的Grümwald-Letnikov定義式(分?jǐn)?shù)階微積分的Grümwald-Letnikov定義是從研究連續(xù)函數(shù)整數(shù)階導(dǎo)數(shù)的經(jīng)典定義出發(fā)，將微積分的階數(shù)由整數(shù)階擴(kuò)大到非整數(shù)階推衍而來(lái))可推導(dǎo)出一維信號(hào)s(t)分?jǐn)?shù)階微積分Grümwald-Letnikov定義的后向差分近似表達(dá)式dvs(t)dtv≈s(t)+(-v)s(t-1)+(-v)(-v+1)2s(t-2)+(-v)(-v+1)(-v+2)6s(t-3)+Λ+Γ(-v+1)n!Γ(-v+n+1)s(t-n)+Λ]]>其中，v是分?jǐn)?shù)階微分的階次(可以取任意實(shí)數(shù))。本發(fā)明中階次v可在0～1之間取分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值(由于數(shù)字電路的計(jì)算長(zhǎng)度有限，當(dāng)v為無(wú)理小數(shù)時(shí)，可以約等于近似的有理小數(shù))；Γ(α)=∫0∞e-xxα-1dx=(α-1)!]]>表示Gamma函數(shù)。本發(fā)明定義s(x，y)在x和y坐標(biāo)軸負(fù)方向上分?jǐn)?shù)階偏微分的后向差分近似表達(dá)式分別為∂vs(x,y)∂xv≈s(x,y)+(-v)s(x-1,y)+(-v)(-v+1)2s(x-2,y)+(-v)(-v+1)(-v+2)6s(x-3,y)+Λ+Γ(-v+1)n!Γ(-v+n+1)s(x-n,y)+Λ]]>
∂vs(x,y)∂yv≈s(x,y)+(-v)s(x,y-1)+(-v)(-v+1)2s(x,y-2)+(-v)(-v+1)(-v+2)6s(x,y-3)+Λ+Γ(-v+1)n!Γ(-v+n+1)s(x,y-n)+Λ]]>本發(fā)明在上述兩個(gè)差值近似表達(dá)式中選取的前n項(xiàng)和分別作為s(x，y)在x和y坐標(biāo)軸負(fù)方向上分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值∂vs(x,y)∂xv≈s(x,y)+(-v)s(x-1,y)+(-v)(-v+1)2s(x-2,y)+(-v)(-v+1)(-v+2)6s(x-3,y)+Λ+Γ(-v+1)(n-1)!Γ(-v+n)s(x-n+1,y),]]>∂vs(x,y)∂yv≈s(x,y)+(-v)s(x,y-1)+(-v)(-v+1)2s(x,y-2)+(-v)(-v+1)(-v+2)6s(x,y-3)+Λ+Γ(-v+1)(n-1)!Γ(-v+n)s(x,y-n+1).]]>可見(jiàn)，s(x，y)在x和y坐標(biāo)軸負(fù)方向上分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值(n項(xiàng)和)中的每一對(duì)應(yīng)求和項(xiàng)的系數(shù)值都是相同的。這n個(gè)非零系數(shù)值中只有首項(xiàng)求和項(xiàng)的系數(shù)值是常數(shù)“1”，其它n-1個(gè)非零系數(shù)值都是分?jǐn)?shù)階微分階次v的函數(shù)。這n個(gè)非零系數(shù)值按順序分別是 可以證明這n個(gè)非零系數(shù)值之和不等于零，這是圖像分?jǐn)?shù)階微分與圖像整數(shù)階微分在特性上的顯著區(qū)別之一。本發(fā)明的數(shù)字圖像s(x，y)的分?jǐn)?shù)階梯度(分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù))是通過(guò)一個(gè)2維列向量定義的▿vs=GxvGyv=∂vs∂xv∂vs∂yv;]]>分?jǐn)?shù)階梯度向量的模值定義為|▿vs|=[Gxv2+Gyv2]12.]]>為了運(yùn)算簡(jiǎn)便，通常將 (即 和 中的最大值)作為分?jǐn)?shù)階梯度向量的模值的近似值。另外，由于在數(shù)字圖像中，鄰域內(nèi)像素與像素之間的灰度值具有很大的相關(guān)性。見(jiàn)圖1，為了加強(qiáng)分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的抗圖像旋轉(zhuǎn)性，有必要分別計(jì)算出像素s(x，y)在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分(分?jǐn)?shù)階偏梯度)的近似值，然后再求這個(gè)8維分?jǐn)?shù)階梯度列向量的模值。為了運(yùn)算簡(jiǎn)便，本發(fā)明將s(x，y)在這8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值的模值中的最大值作為s(x，y)的v階分?jǐn)?shù)階微分的近似值。
見(jiàn)圖2，在n×n全零方陣沿x坐標(biāo)軸負(fù)方向的中心對(duì)稱軸上，用1、-v、 這n個(gè)非零系數(shù)值順序置換掉n×n全零方陣中相應(yīng)位置上的零值，從而構(gòu)造出x軸負(fù)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用Wx-表示)。見(jiàn)圖5，在n×n全零方陣沿y坐標(biāo)軸負(fù)方向的中心對(duì)稱軸上，用 這n個(gè)非零系數(shù)值順序置換掉n×n全零方陣中相應(yīng)位置上的零值，從而構(gòu)造出y軸負(fù)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用Wy-表示)。另外，x軸正方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用Wx+表示，見(jiàn)圖4)、y軸正方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用Wy+表示，見(jiàn)圖6)、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用W左下對(duì)角表示，見(jiàn)圖7)、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用W右上對(duì)角表示，見(jiàn)圖8)、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用W左上對(duì)角表示，見(jiàn)圖9)、分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(用W右下對(duì)角表示，見(jiàn)圖10)與Wx-和Wy-的構(gòu)造原理和方法類(lèi)似，這里不再贅述。
分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的運(yùn)算規(guī)則是采用分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分的空域?yàn)V波。它適合對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)的硬件處理電路的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20針對(duì)數(shù)字灰度圖像和數(shù)字彩色圖像的運(yùn)算規(guī)則分別是A.分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20針對(duì)數(shù)字灰度圖像的運(yùn)算規(guī)則。分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20在x軸負(fù)方向上的運(yùn)算規(guī)則如圖3所示，它在其它6個(gè)方向上的運(yùn)算規(guī)則與在x軸負(fù)方向上的運(yùn)算規(guī)則類(lèi)似。分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20針對(duì)數(shù)字灰度圖像的運(yùn)算規(guī)則的步驟是第1步，將串行輸入的數(shù)字視頻信號(hào)分別輸入在8個(gè)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(Wx-、Wx+、Wy-、Wy+、W左下對(duì)角、W右上對(duì)角、W左上對(duì)角和W右下對(duì)角)；這8個(gè)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模中的唯一常系數(shù)值“1”所在的坐標(biāo)(x，y)和待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的像素s(x，y)的坐標(biāo)位置(x，y)必須保持重合；第2步，將這8個(gè)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模上的系數(shù)值分別與輸入的對(duì)應(yīng)的像素的灰度值相乘，然后將各自的所有乘積項(xiàng)相加(即加權(quán)求和)分別得到在這8個(gè)方向上的加權(quán)求和值；第3步，由于數(shù)字圖像的灰度值在0～255之間取值，所以需要對(duì)這8個(gè)方向上的加權(quán)求和值分別進(jìn)行限幅(當(dāng)加權(quán)求和值小于0時(shí)，取0；當(dāng)加權(quán)求和值大于255時(shí)，取255)；第4步，將這8個(gè)方向上限幅后的加權(quán)求和值的各自模值分別作為分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20在這8個(gè)方向上的處理結(jié)果(即像素s(x，y)在這8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值)；第5步，在待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像中逐像素平移上述8個(gè)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模(Wx-、Wx+、Wy-、Wy+、W左下對(duì)角、W右上對(duì)角、W左上對(duì)角和W右下對(duì)角)，分別不斷重復(fù)上述第1～4步的運(yùn)算規(guī)則，遍歷整幅待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像，便可計(jì)算出整幅數(shù)字圖像在這8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；另外，在逐像素平移時(shí)，為了不使分?jǐn)?shù)階微分掩模的行或列位于待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像平面之外，須使分?jǐn)?shù)階微分掩模的中心點(diǎn)距待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像邊緣像素的距離不小于(n-1)/2個(gè)像素，即不對(duì)距待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像邊緣n-1行或列的像素進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分。
B.分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20針對(duì)數(shù)字彩色圖像的運(yùn)算規(guī)則。分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20針對(duì)數(shù)字彩色圖像的運(yùn)算規(guī)則與其針對(duì)數(shù)字灰度圖像的運(yùn)算規(guī)則基本相同。不同之處在于各像素s(x，y)的R、G、B3個(gè)分量值分別都要?dú)v經(jīng)與分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20針對(duì)數(shù)字灰度圖像完全相同的運(yùn)算規(guī)則，從而分別得到像素s(x，y)的R、G、B3個(gè)分量值在上述8個(gè)方向上的V階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值。換句話說(shuō)，用以處理數(shù)字彩色圖像時(shí)的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20相當(dāng)于3個(gè)并行計(jì)算的用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20之和。這3個(gè)并行計(jì)算的用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20起的作用是分別并行計(jì)算像素s(x，y)的R、G、B3個(gè)分量值在上述8個(gè)方向上的v價(jià)分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值。
下面具體說(shuō)明分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20由8個(gè)并行計(jì)算的特定的算法單元電路1～8構(gòu)成；根據(jù)待處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，它分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，算法單元電路1～8分別計(jì)算數(shù)字灰度圖像中像素在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)不同方向上的分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；見(jiàn)圖1和圖11，每個(gè)算法單元電路由比分?jǐn)?shù)階微分掩模尺寸數(shù)n(奇數(shù))少一個(gè)的n-1(偶數(shù))個(gè)乘法器27～29、一個(gè)加法器30、一個(gè)限幅器31和一個(gè)求模器32構(gòu)成；這n-1個(gè)乘法器27～29的非零權(quán)值依按順序分別是 限幅器31將加法器30的輸出值限制在0～255的范圍內(nèi)，當(dāng)限幅器31的輸入值小于0時(shí)，它輸出0，當(dāng)限幅器31的輸入值大于255時(shí)，它輸出255；求模器32的輸出值饋入最大值比較器21；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路1～8中的每個(gè)算法單元電路都由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；算法單元電路1～8共有8×3＝24個(gè)算法單元子電路；算法單元電路1～8中的第p(1≤p≤8)個(gè)算法單元電路的每個(gè)算法單元子電路都與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的第p個(gè)算法單元電路的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；算法單元電路1～8中的3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算數(shù)字彩色圖像中像素的R、G、B3個(gè)分量值在上述8個(gè)方向上的分?jǐn)?shù)階微分近似值。見(jiàn)圖1，分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20包括如下8個(gè)特定的算法單元電路構(gòu)成算法單元電路1計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在x軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)待處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路1分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路1由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路1的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在x軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
算法單元電路2計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在x軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路2分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路2由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路2的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在x軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
算法單元電路3計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在y軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路3分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1))的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路3由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路3的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在y軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
算法單元電路4計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在y軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路4分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1))的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路4由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路4的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在y軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
算法單元電路5計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路5分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1+H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2+2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1)+(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路5由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路5的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
算法單元電路6計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路6分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1-H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2-2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1)-(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路6由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路6的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
算法單元電路7計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路7分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1-H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2-2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1)-(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路7由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路7的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
算法單元電路8計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線方向上v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路8分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1+H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2+2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1)+(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路8由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路8的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B 3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
見(jiàn)圖1，最大值比較器21計(jì)算分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的8個(gè)算法單元電路輸出值中的最大值，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，最大值比較器21分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，最大值比較器21有8路輸入，1路輸出，輸入端口9～16分別饋入算法單元電路1～8的輸出灰度值，輸出端口22輸出8個(gè)饋入灰度值中的最大值(即數(shù)字灰度圖像像素灰度值的v階分?jǐn)?shù)階微分近似值)；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，最大值比較器21由3個(gè)完全相同且并行處理的最大值比較器子電路構(gòu)成；最大值比較器21其中每個(gè)最大值比較器子電路與在第1種結(jié)構(gòu)中用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的最大值比較器21的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)最大值比較器子電路分別并行計(jì)算數(shù)字彩色圖像像素的R、G、B3個(gè)分量值的v階分?jǐn)?shù)階微分近似值。
本發(fā)明的發(fā)明者深入研究了用分?jǐn)?shù)階微分增強(qiáng)數(shù)字圖像紋理細(xì)節(jié)特征的基本原理和及其運(yùn)算規(guī)則，在此基礎(chǔ)上針對(duì)如何構(gòu)造數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分濾波器的信號(hào)處理電路裝置這個(gè)核心內(nèi)容，根據(jù)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分的性質(zhì)以及數(shù)字圖像處理、數(shù)字電路、串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點(diǎn)，提出了一種實(shí)時(shí)增強(qiáng)數(shù)字圖像復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征的信號(hào)處理電路裝置的新方案，即數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器。它的推廣將會(huì)對(duì)分?jǐn)?shù)階微積分在現(xiàn)代信號(hào)的分析與處理之中，特別是在數(shù)字圖像信號(hào)的分析與處理之中的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
下面結(jié)合附圖和數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)時(shí)增強(qiáng)數(shù)字圖像復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征的信號(hào)處理電路裝置的新方案


圖1是本發(fā)明的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是算法單元電路1的在x軸負(fù)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖3是算法單元電路1的在x軸負(fù)方向上的運(yùn)算規(guī)則示意圖。
圖4是算法單元電路2的在x軸正方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖5算法單元電路3的在y軸負(fù)方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖6是算法單元電路4的在y軸正方向上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖7是算法單元電路5的在分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖8是算法單元電路6的在分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖9是算法單元電路7的在分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖10是算法單元電路8的在分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線上的分?jǐn)?shù)階微分掩模n×n方陣示意圖。
圖11是算法單元電路1～8共同的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12是當(dāng)在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階微分掩模都是3×3的方陣時(shí)的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器電路示意圖。
其中，1～8分別是在上述8個(gè)方向上的算法單元電路；端口9～16分別輸出數(shù)字圖像像素在上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；端口17輸入串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)；18是行存儲(chǔ)器組；19是鎖相/移位電路組；20是分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路；21是最大值比較器；端口22輸出像素Sx(k+(n-1)(H+1))的v階分?jǐn)?shù)階微分Sx(v)(k+(n-1)(H+1))的近似值；端口23輸入像素Sx(k+(n-1)(H+1))值；端口24～26的輸入像素值和算法單元電路1～8有關(guān)，不同的算法單元電路對(duì)應(yīng)的端口24～26的輸入像素值不同，在本說(shuō)明書(shū)關(guān)于算法單元電路1～8的電路結(jié)構(gòu)的說(shuō)明中有詳細(xì)闡述；27～29是n-1個(gè)功能相同的乘法器；30是加法器；31是限幅器；32是求模器；端口33輸出像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或R、G、B分量值在上述8個(gè)方向的某一個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；端口34輸入串行數(shù)字灰度視頻碼流Sx(k)；35～38是行存儲(chǔ)器；端口39輸出像素Sx(k+H)；端口40輸出像素Sx(k+2H)；端口41輸出像素Sx(k+3H)；端口42輸出像素Sx(k+4H)；端口43輸出像素Sx(k+2H+2)的灰度值；端口44～51分別輸出像素Sx(k+2H+2)的灰度值在上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；端口52輸出像素Sx(k+2H+2)的灰度值的v階分?jǐn)?shù)階微分Sx(v)(k+2H+2)的近似值。
具體實(shí)施例方式
見(jiàn)圖1，按照本說(shuō)明書(shū)的發(fā)明內(nèi)容中所詳細(xì)說(shuō)明的本發(fā)明的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的級(jí)聯(lián)電路結(jié)構(gòu)及其行存儲(chǔ)器組18、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20和最大值比較器21的具體電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)，就可以構(gòu)建出該數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的具體電路。另外，在具體實(shí)施的過(guò)程中，還應(yīng)注意①，該分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的階次v可在0～1之間取分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值，根據(jù)工程精度的不同要求，階次v分為三種類(lèi)型的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，算法單元電路1～8的計(jì)算數(shù)據(jù)類(lèi)型也分為相應(yīng)三種類(lèi)型第1種類(lèi)型單精度型(占4個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度32bit，有效數(shù)字6～7位，計(jì)算數(shù)值范圍10-37～1038)；第2種類(lèi)型雙精度型(占8個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度64bit，有效數(shù)字15～16位，計(jì)算數(shù)值范圍10-307～10308)；第3種類(lèi)型長(zhǎng)雙精度型(占16個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度128bit，有效數(shù)字18～19位，計(jì)算數(shù)值范圍10-4931～104932)；②，本發(fā)明在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階微分掩模(Wx-、Wx+、Wy-、Wy+、W左下對(duì)角、W右上對(duì)角、W上對(duì)角和W右下對(duì)角)中的n個(gè)非零系數(shù)值按順序分別為 與傳統(tǒng)的基于整數(shù)階微分的數(shù)字圖像整數(shù)階微分掩模中的所有非零系數(shù)值之和為零不同，本發(fā)明的在該8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階微分掩模中的n個(gè)非零系數(shù)值之和不為零，即1+(-v)+(-v)(-v+1)2+(-v)(-v+1)(-v+2)6+Λ+Γ(-v+1)(n-1)!Γ(-v+n)≠0.]]>又因任何數(shù)乘以“1”其值不變，所以在構(gòu)建具體電路時(shí)為了減少所用乘法器的個(gè)數(shù)，只選取-v、 這n-1個(gè)非零系數(shù)值作為乘法器的權(quán)系數(shù)值；③，為了使分?jǐn)?shù)階微分掩模(它是一個(gè)n×n的方陣)有明確的軸對(duì)稱中心，分?jǐn)?shù)階微分掩模的尺寸數(shù)n是奇數(shù)；n的最小取值是3，n的最大取值小于待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像的尺寸數(shù)(若待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像S(x，y)是L×H的像素矩陣，當(dāng)L＝H時(shí)，其尺寸數(shù)為L(zhǎng)；當(dāng)L≠H時(shí)，其尺寸數(shù)為L(zhǎng)和H中的最小值)；④，根據(jù)待處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，對(duì)于數(shù)字灰度圖像和數(shù)字彩色圖像的處理應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20針對(duì)數(shù)字彩色圖像的運(yùn)算規(guī)則與其針對(duì)數(shù)字灰度圖像的運(yùn)算規(guī)則基本相同，不同之處在于各像素s(x，y)的R、G、B3個(gè)分量值分別都要?dú)v經(jīng)與用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20完全相同的運(yùn)算規(guī)則，從而分別得到像素s(x，y)的R、G、B3個(gè)分量值在上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值。換句話說(shuō)，用以處理數(shù)字彩色圖像的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20相當(dāng)于3個(gè)并行計(jì)算的用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20之和。這3個(gè)并行計(jì)算的用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20起的作用是分別并行計(jì)算像素s(x，y)的R、G、B 3個(gè)分量值在上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；⑤，本發(fā)明的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器中的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20不限于圖11所采用的方案，一般說(shuō)來(lái)它可以采用圖1中的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20所示結(jié)構(gòu)，任何一種用硬件電路實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的運(yùn)算規(guī)則的具體措施均可導(dǎo)出一種數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的具體方案，這需要針對(duì)具體使用背景來(lái)加以選取。
現(xiàn)舉例介紹如下見(jiàn)圖1和圖12，如果要構(gòu)建一個(gè)數(shù)字灰度圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的具體電路，工程實(shí)際應(yīng)用中，該濾波器中的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20的運(yùn)算規(guī)則常采用3×3的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字灰度圖像的像素S(x，y)的v階分?jǐn)?shù)階偏微分，由上述說(shuō)明可知在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階微分掩模(Wx-、Wx+、Wy-、Wy+、W左下對(duì)角、W右上對(duì)角、W左上對(duì)角和W右下對(duì)角)的尺寸數(shù)n＝3，這8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階微分掩模中的3個(gè)非零系數(shù)值按順序分別是1,-v,(-v)(-v+1)2=v2-v2.]]>所以，其中行存儲(chǔ)器組18采用2n-2|n＝3＝4個(gè)行存儲(chǔ)器完成2n-1|n＝3＝5行視頻圖像數(shù)據(jù)的獲??；其中鎖相/移位電路組19共采用3n2-3n|n＝3＝18個(gè)D觸發(fā)器，通過(guò)對(duì)數(shù)字灰度圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字灰度圖像分?jǐn)?shù)階微分所需的(2n-1)×(2n-1)|n＝3＝5×5像素陣列；其中算法單元電路1～8共有8×(n-1)|n＝3＝16個(gè)乘法器，每個(gè)算法單元電路中n-1|n＝3＝2個(gè)乘法器的非零權(quán)值依按順序分別是 于是，如圖12所示，按照本說(shuō)明書(shū)的發(fā)明內(nèi)容中所敘述的本發(fā)明的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的級(jí)聯(lián)電路結(jié)構(gòu)及其行存儲(chǔ)器組18、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20和最大值比較器21的具體電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)，就可以方便地構(gòu)建出該數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的具體電路。在不影響準(zhǔn)確表述該數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器的具體電路的前提下，為了更加清晰明了地描述其中的算法單元電路1～8的具體電路，圖12未畫(huà)出其中的時(shí)序控制電路及其被觸發(fā)產(chǎn)生的時(shí)序控制信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器，其特征在于它是由數(shù)字視頻流行存儲(chǔ)器組(18)、鎖相/移位電路組(19)、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路(20)與最大值比較器(21)級(jí)聯(lián)而成；串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)從端口(17)輸入后分成三路第一路順序經(jīng)過(guò)行存儲(chǔ)器組(18)、鎖相/移位電路組(19)、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路(20)處理后，分別在端口(9～16)輸出像素Sx(k+(n-1)(H+1))在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值，再經(jīng)過(guò)最大值比較器(21)處理后，在端口(22)輸出這8個(gè)近似值中的最大值作為像素Sx(k+(n-1)(H+1))的v階分?jǐn)?shù)階微分值近似值Sx(v)(k+(n-1)(H+1))；第二路觸發(fā)時(shí)序控制電路產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)；第三路與行存儲(chǔ)器組(18)的輸出一起饋入鎖相/移位電路組(19)生成(2n-1)×(2n-1)的像素陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器，其特征在于其中行存儲(chǔ)器組(18)由時(shí)序控制電路、讀寫(xiě)地址發(fā)生器以及雙端口RAM組構(gòu)成；時(shí)序控制電路在輸入數(shù)字視頻流的行、場(chǎng)有效信號(hào)的觸發(fā)下產(chǎn)生相應(yīng)的控制讀寫(xiě)地址發(fā)生器、雙端口RAM組、鎖相/移位電路組(19)、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路(20)與最大值比較器(21)操作的時(shí)序控制信號(hào)；讀寫(xiě)地址發(fā)生器在時(shí)序控制信號(hào)的作用下產(chǎn)生雙端口RAM的讀寫(xiě)地址，并負(fù)責(zé)處理讀寫(xiě)地址初始化和回轉(zhuǎn)的問(wèn)題；行存儲(chǔ)器組(18)根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點(diǎn)，利用當(dāng)前輸入像素，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，行存儲(chǔ)器組(18)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，這個(gè)行存儲(chǔ)器組(18)采用2n-2個(gè)行存儲(chǔ)器完成2n-1行視頻圖像數(shù)據(jù)的獲取；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，行存儲(chǔ)器組(18)由3個(gè)完全相同且并行處理的行存儲(chǔ)器組子電路構(gòu)成；其中每個(gè)行存儲(chǔ)器組子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的行存儲(chǔ)器組(18)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)行存儲(chǔ)器組子電路分別并行存儲(chǔ)數(shù)字彩色圖像的R、G、B3個(gè)分量值；行存儲(chǔ)器組(18)共采用6n-6個(gè)行存儲(chǔ)器，其中每一行存儲(chǔ)器組子電路采用2n-2個(gè)行存儲(chǔ)器完成2n-1行數(shù)字視頻彩色圖像相應(yīng)分量值的獲取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器，其特征在于其中的鎖相/移位電路組(19)根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點(diǎn)，利用當(dāng)前輸入像素，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，鎖相/移位電路組(19)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，這個(gè)鎖相/移位電路組(19)共采用3n2-3n個(gè)D觸發(fā)器，通過(guò)對(duì)數(shù)字灰度圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字灰度圖像分?jǐn)?shù)階微分所需的(2n-1)×(2n-1)像素陣列；(2n-1)×(2n-1)像素陣列的第1行采用2n-2個(gè)D觸發(fā)器，第2行采用2n-3個(gè)D觸發(fā)器，一直到第n-1行每行采用D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)都是逐行減一，第n-1行采用n個(gè)D觸發(fā)器；(2n-1)×(2n-1)像素陣列的第n行采用2n-2個(gè)D觸發(fā)器；(2n-1)×(2n-1)像素陣列的第n+1行采用n個(gè)D觸發(fā)器，第n+2行采用n+1個(gè)D觸發(fā)器，一直到第2n-1行每行采用D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)都是逐行加一，第2n-1行采用2n-2個(gè)D觸發(fā)器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，這個(gè)鎖相/移位電路組(19)由3個(gè)完全相同且并行處理的鎖相/移位電路組子電路構(gòu)成；其中每個(gè)鎖相/移位電路組子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的鎖相/移位電路組(19)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)鎖相/移位電路組子電路通過(guò)對(duì)數(shù)字彩色圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)分別產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字彩色圖像分?jǐn)?shù)階微分所需的R、G、B3個(gè)分量值的(2n-1)×(2n-1)像素陣列；這個(gè)鎖相/移位電路組(19)共采用9n2-9n個(gè)D觸發(fā)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器，其特征在于其中的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路(20)由8個(gè)并行計(jì)算的特定的算法單元電路(1～8)構(gòu)成；根據(jù)待處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，它分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，算法單元電路(1～8)分別計(jì)算數(shù)字灰度圖像中像素在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線、分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線和分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線8個(gè)不同方向上的分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；每個(gè)算法單元電路由比分?jǐn)?shù)階微分掩模尺寸數(shù)n(奇數(shù))少一個(gè)的n-1(偶數(shù))個(gè)乘法器(27～29)、一個(gè)加法器(30)、一個(gè)限幅器(31)和一個(gè)求模器(32)構(gòu)成；這n-1個(gè)乘法器(27～29)的非零權(quán)值依按順序分別是-v、限幅器(31)將加法器(30)的輸出值限制在0～255的范圍內(nèi)，當(dāng)限幅器(31)的輸入值小于0時(shí)，它輸出0，當(dāng)限幅器(31)的輸入值大于255時(shí)，它輸出255；求模器(32)的輸出值饋入最大值比較器(21)；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(1～8)中的每個(gè)算法單元電路都由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；算法單元電路(1～8)共有24個(gè)算法單元子電路；算法單元電路(1～8)中的第p(1≤p≤8)個(gè)算法單元電路的每個(gè)算法單元子電路都與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的第p個(gè)算法單元電路的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；算法單元電路(1～8)中的3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算數(shù)字彩色圖像中像素的R、G、B3個(gè)分量值在上述8個(gè)方向上的分?jǐn)?shù)階微分近似值。分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路(20)包括如下8個(gè)特定的算法單元電路構(gòu)成算法單元電路(1)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在x軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)待處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(1)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(1)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(1)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在x軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；算法單元電路(2)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在x軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(2)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(2)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(2)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在x軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；算法單元電路(3)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在y軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(3)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1))的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(3)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(3)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在y軸負(fù)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；算法單元電路(4)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在y軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(4)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1))的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(4)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(4)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在y軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；算法單元電路(5)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(5)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1+H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2+2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1)+(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(5)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(5)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模左下對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；算法單元電路(6)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(6)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1-H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2-2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1)-(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(6)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(6)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模右上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；算法單元電路(7)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(7)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1-H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-2-2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(m-1)-(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(7)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(7)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模左上對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值；算法單元電路(8)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線方向上v階分?jǐn)?shù)階偏微分的近似值；根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，算法單元電路(8)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字灰度圖像時(shí)，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值直接饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1+H)的灰度值與權(quán)值-v相乘后饋入加法器；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+2+2H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；以此類(lèi)推，若1≤m≤n，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(m-1)+(m-1)H)的灰度值與權(quán)值 相乘后饋入加法器；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入的數(shù)字視頻流Sx(k)是數(shù)字彩色圖像時(shí)，算法單元電路(8)由3個(gè)完全相同且并行計(jì)算的算法單元子電路構(gòu)成；其中每個(gè)算法單元子電路與上述用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的算法單元電路(8)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)算法單元子電路分別并行計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))的R、G、B3個(gè)分量值在分?jǐn)?shù)階微分掩模右下對(duì)角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏微分近似值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路，其特征在于分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路(20)的階次v可在0～1之間取分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值，根據(jù)工程精度的不同要求，階次v分為三種類(lèi)型的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，其算法單元電路(1～8)的計(jì)算數(shù)據(jù)類(lèi)型也分為相應(yīng)三種類(lèi)型第1種類(lèi)型單精度型(占4個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度32bit，有效數(shù)字6～7位，計(jì)算數(shù)值范圍10-37～1038)；第2種類(lèi)型雙精度型(占8個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度64bit，有效數(shù)字15～16位，計(jì)算數(shù)值范圍10-307～10308)；第3種類(lèi)型長(zhǎng)雙精度型(占16個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長(zhǎng)度128bit，有效數(shù)字18～19位，計(jì)算數(shù)值范圍10-4931～104932)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路，其特征在于為了使分?jǐn)?shù)階微分掩模有明確的軸對(duì)稱中心，分?jǐn)?shù)階微分掩模的尺寸數(shù)n是奇數(shù)；n的最小取值是3，n的最大取值小于待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像的尺寸數(shù)(若待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微分的數(shù)字圖像是L×H的像素矩陣，當(dāng)L＝H時(shí)，其尺寸數(shù)為L(zhǎng)；當(dāng)L≠H時(shí)，其尺寸數(shù)為L(zhǎng)和H中的最小值)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器，其特征在于其中的最大值比較器(21)計(jì)算算法單元電路(1～8)輸出值中的最大值，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，最大值比較器(21)分為兩種結(jié)構(gòu)第1種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字灰度圖像時(shí)，最大值比較器(21)有8路輸入，1路輸出，輸入端口(9～16)分別饋入算法單元電路(1～8)的輸出灰度值，輸出端口(22)輸出8個(gè)饋入灰度值中的最大值(即數(shù)字灰度圖像像素灰度值的v階分?jǐn)?shù)階微分近似值)；第2種結(jié)構(gòu)當(dāng)處理數(shù)字彩色圖像時(shí)，最大值比較器(21)由3個(gè)完全相同且并行處理的最大值比較器子電路構(gòu)成；最大值比較器(21)其中每個(gè)最大值比較器子電路與在第1種結(jié)構(gòu)中用以處理數(shù)字灰度圖像時(shí)的最大值比較器(21)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同；這3個(gè)最大值比較器子電路分別并行計(jì)算數(shù)字彩色圖像像素的R、G、B3個(gè)分量值的v階分?jǐn)?shù)階微分近似值。
全文摘要
本發(fā)明所提出的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器是一種實(shí)時(shí)增強(qiáng)數(shù)字圖像復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征的信號(hào)處理電路裝置。該數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器是采用數(shù)字視頻流行存儲(chǔ)器組18、鎖相/移位電路組19、分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路20與最大值比較器21以級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成的。它的分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積電路中的8個(gè)特定的算法單元電路1～8的運(yùn)算規(guī)則是采用分?jǐn)?shù)階微分掩模卷積的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分的空域?yàn)V波。本發(fā)明所提出的數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)明，紋理細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果好，實(shí)時(shí)性高，特別適用于對(duì)高清晰數(shù)字電視、生物醫(yī)學(xué)圖像、銀行票據(jù)、衛(wèi)星遙感圖像和生物特征圖像等的復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)特征進(jìn)行實(shí)時(shí)增強(qiáng)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H04N9/64GK1917576SQ20061002170
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月30日
發(fā)明者蒲亦非 申請(qǐng)人:蒲亦非