專利名稱：基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的制作方法
專利說明基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器 所屬領(lǐng)域 本發(fā)明所提出的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器是一種實(shí)時(shí)完成數(shù)字圖像去噪的信號處理電路裝置。本發(fā)明涉及的分?jǐn)?shù)階積分的階次不是傳統(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)。見圖1，這種基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器是由第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路1、第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路2、第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路3、第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路4、第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路5、第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路6、第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路7、第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8、時(shí)序控制電路9、讀寫地址發(fā)生器10、雙口RAM組11、鎖相/移位電路組12、最大值比較器13、圖像性質(zhì)判斷器14、RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15、標(biāo)志存儲(chǔ)器16、雙口RAM組17與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18聯(lián)結(jié)構(gòu)成的。第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的運(yùn)算規(guī)則是采用分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積的方案來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分的空域?yàn)V波。本發(fā)明所提出的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器電路結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算規(guī)則簡明，圖像平滑去噪效果好，實(shí)時(shí)性高，特別適用于具有復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)的圖像在獲取或傳輸過程中易受噪聲污染的場合，如合成孔徑雷達(dá)成像，CCD攝像機(jī)獲取的圖像，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱D像，以及高清晰數(shù)字電視、生物醫(yī)學(xué)圖像、銀行票據(jù)等紋理細(xì)節(jié)信息豐富且特別需要原始“干凈”圖像的場合。本發(fā)明所提出的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器能在去噪的同時(shí)最大限度的保持圖像的紋理細(xì)節(jié)信息。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)科的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
近年來，數(shù)字圖像應(yīng)用的日益廣泛對高效實(shí)時(shí)地?cái)?shù)字圖像去噪提出了新的要求。下一代高清晰數(shù)字電視需要能夠更加實(shí)時(shí)、清晰的圖像；醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展也需要后期處理更加實(shí)時(shí)、清晰的生物醫(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)。圖像獲得或者傳輸過程中的噪聲嚴(yán)重影響了后續(xù)的圖像處理，為了提高圖像質(zhì)量和滿足后續(xù)高層次處理的實(shí)際需求，急需一種能高精度、實(shí)時(shí)地進(jìn)行圖像去噪，同時(shí)又能最大限度的保留圖像紋理信息的新型的濾波器方案。
去除圖象噪聲的過程存在平滑噪聲和銳化邊緣的矛盾。噪聲在圖象中主要表現(xiàn)在高頻部分，與周圍的象素存在“突變”，這是去噪算法采取平滑的原因。但是圖像中的“突變”也可能是邊緣或者紋理信息，一味進(jìn)行平滑或者對高頻分量進(jìn)行去除可能會(huì)模糊邊界，丟失紋理細(xì)節(jié)信息，得到不滿意的結(jié)果。近年來在各種傳統(tǒng)圖像去噪方法的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出了大批改進(jìn)算法，這些方法實(shí)際是對圖像平滑和銳化的方法的綜合應(yīng)用，雖然在盡可能保留圖像細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上去除噪聲方面取得了一定的效果，但是極大消耗了計(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，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，但如何將分?jǐn)?shù)階微積分應(yīng)用于現(xiàn)代信號分析與處理，特別是圖像信號處理之中，在國內(nèi)外仍是一個(gè)值得研究的新興學(xué)科分支。本發(fā)明申請人之一作為獨(dú)立發(fā)明人和授權(quán)人在2006年申請了發(fā)明專利“數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分濾波器”(ZL200610021702.3)，該專利在2009年得到授權(quán)。但該專利中所提出的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階微分濾波器其理論依據(jù)為分?jǐn)?shù)階微積分的Grümwald-Letnikov定義，僅能完成對數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階微分功能，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階積分和對紋理圖像進(jìn)行去噪的功能。本發(fā)明申請人通過更為深入而系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)并未有人從事分?jǐn)?shù)階微積分的Riemann-Liouville定義在現(xiàn)代信號分析與處理中的相關(guān)應(yīng)用研究，而Riemann-Liouville定義正是從分?jǐn)?shù)階積分運(yùn)算出發(fā)進(jìn)而擴(kuò)展到分?jǐn)?shù)階微分運(yùn)算，故運(yùn)用Riemann-Liouville定義進(jìn)行數(shù)字圖像積分濾波器的研究有其先天的優(yōu)勢。通過本發(fā)明申請人的研究表明信號的各種分?jǐn)?shù)階積分與整數(shù)階積分最大的區(qū)別在于，信號分?jǐn)?shù)階積分不等于對信號做權(quán)值為1的加權(quán)求和，這個(gè)特性使得分?jǐn)?shù)階積分在對信號做平滑處理的時(shí)候比整數(shù)階積分更好的保留信號高頻部分。這就為利用分?jǐn)?shù)階微積分處理進(jìn)行圖像平滑去噪，同時(shí)保留圖像細(xì)節(jié)信息提供了理論基礎(chǔ)。


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，具有實(shí)時(shí)、簡便、有效等特征，既能通過平滑濾波去除圖像中的噪聲，同時(shí)又能非線性保留數(shù)字圖像中灰度值躍變幅度相對較大的高頻邊緣特征及數(shù)字圖像中灰度值躍變幅度和頻率變化相對不大的高頻紋理細(xì)節(jié)特征。本發(fā)明的申請人深入研究了用分?jǐn)?shù)階積分對圖像進(jìn)行平滑去噪的基本原理及其運(yùn)算規(guī)則，在此基礎(chǔ)上針對如何構(gòu)造數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的信號處理電路裝置這一核心內(nèi)容，根據(jù)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分的性質(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)，提出了一種進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字圖像平滑去噪的信號處理電路裝置的新方案，即基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器。見圖1，這種數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階積分濾波器是由第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路1、第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路2、第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路3、第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路4、第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路5、第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路6、第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路7、第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8、時(shí)序控制電路9、讀寫地址發(fā)生器10、雙口RAM組11、鎖相/移位電路組12、最大值比較器13、圖像性質(zhì)判斷器14、RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15、標(biāo)志存儲(chǔ)器16、雙口RAM組17與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18聯(lián)結(jié)構(gòu)成的。第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的運(yùn)算規(guī)則是采用分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積的方案來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分的空域?yàn)V波。
在具體說明本發(fā)明內(nèi)容之前，有必要對本說明書所用符號涵義及其取值范圍進(jìn)行三點(diǎn)說明第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)階積分掩模(它是一個(gè)n×n的方陣)有明確的軸對稱中心，分?jǐn)?shù)階積分掩模的尺寸數(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)階積分的數(shù)字圖像的尺寸數(shù)(若待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(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；當(dāng)L≠H時(shí)，其尺寸數(shù)為L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行像素值一般不是并行輸入(L行像素值同時(shí)輸入)，而是串行輸入(L行像素值一行像素接一行像素輸入，每行輸入H個(gè)像素值，形成串行數(shù)字視頻碼流)圖像處理裝置；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，k從L×H-1開始計(jì)數(shù)，逐像素輸入k值減一，直至為零)；若Sx(k)對應(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)。
見圖1，本發(fā)明的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器是由第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路1、第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路2、第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路3、第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路4、第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路5、第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路6、第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路7、第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8、時(shí)序控制電路9、讀寫地址發(fā)生器10、雙口RAM組11、鎖相/移位電路組12、最大值比較器13、圖像性質(zhì)判斷器14、RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15、標(biāo)志存儲(chǔ)器16、雙口RAM組17與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18聯(lián)結(jié)而成；串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)輸入基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器后分成兩路第一路觸發(fā)時(shí)序控制電路9產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號；第二路經(jīng)過圖像性質(zhì)判斷器14判斷輸入圖像為灰度圖像或者彩色圖像并將判斷結(jié)果饋入標(biāo)志存儲(chǔ)器16儲(chǔ)存，同時(shí)將輸入數(shù)字視頻碼流Sx(k)饋入RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15，根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器16中存儲(chǔ)的判斷結(jié)果對輸入碼流進(jìn)行分別處理，若輸入為灰度圖像則RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15不作任何處理直接輸出，若輸入為彩色圖像則RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15將圖像轉(zhuǎn)換到HSI空間，并將H和S空間分量饋入雙口RAM組17存儲(chǔ)，同時(shí)將I空間分量順序饋入雙口RAM組11及鎖相/移位電路組12，其輸出分別經(jīng)過第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8處理，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、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值，再經(jīng)過最大值比較器13處理后，將上述8個(gè)近似值中的最大值、標(biāo)志存儲(chǔ)器16和雙口RAM組17的輸出一并饋入HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18，根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器16中存儲(chǔ)的圖像性質(zhì)判斷結(jié)果分別進(jìn)行處理，若是灰度圖像則HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18不做處理，直接輸出，若是彩色圖像則HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18進(jìn)行HSI空間到RGB空間的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的彩色圖像信號輸出。HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18的輸出即作為像素Sx(k+(n-1)(H+1))的v階分?jǐn)?shù)階積分值近似值Sx(v)(k+(n-1)(H+1))。其中，該基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器中的第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的階次v取小于0的分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值(由于數(shù)字電路的計(jì)算長度有限，當(dāng)v為無理小數(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分為三種類型的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的計(jì)算數(shù)據(jù)類型也分為相應(yīng)三種類型單精度型(占4個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長度32bit，有效數(shù)字6～7位，計(jì)算數(shù)值范圍10-37～1038)；雙精度型(占8個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長度64bit，有效數(shù)字15～16位，計(jì)算數(shù)值范圍10-307～10308)；長雙精度型(占16個(gè)字節(jié)內(nèi)存，計(jì)算長度128bit，有效數(shù)字18～19位，計(jì)算數(shù)值范圍10-4931～104932)。本發(fā)明提出的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器包括下列電路部件，其具體構(gòu)造如下 見圖1，時(shí)序控制電路9在輸入數(shù)字視頻流的行、場有效信號的觸發(fā)下產(chǎn)生相應(yīng)的控制讀寫地址發(fā)生器10、雙口RAM組11、鎖相/移位電路組12、最大值比較器13、圖像性質(zhì)判斷器14、RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15、雙口RAM組17、第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8操作所需的時(shí)序控制信號。讀寫地址發(fā)生器10在時(shí)序控制信號的作用下產(chǎn)生雙口RAM組11及雙口RAM組17的讀寫地址，并負(fù)責(zé)處理讀寫地址初始化和回轉(zhuǎn)的問題。雙口RAM組11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。鎖相/移位電路組12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，共采用3n2-3n個(gè)D觸發(fā)器，通過對數(shù)字圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分所需的(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。最大值比較器13將其輸入信號的最大值輸出。圖像性質(zhì)判斷器14判斷輸入圖像為灰度圖像還是彩色圖像。標(biāo)志存儲(chǔ)器16存儲(chǔ)圖像性質(zhì)判斷器14的判斷結(jié)果。RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器16的內(nèi)容完成圖像從RGB空間到HSI空間的轉(zhuǎn)換。雙口RAM組17存儲(chǔ)RGB到HSI轉(zhuǎn)換器15轉(zhuǎn)換后圖像H和S空間分量。HSI到RGB轉(zhuǎn)換器18根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器16的內(nèi)容完成圖像從HSI空間到RGB空間的轉(zhuǎn)換。
見圖1，第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8是本發(fā)明的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器所有構(gòu)成電路部件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階積分最關(guān)鍵的電路部件，也是本發(fā)明提出該基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器新方案的核心內(nèi)容。為了清楚說明第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的電路構(gòu)成，有必要先對分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積電路的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行如下簡要說明 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；圖像信號的最大變化量是有限的；數(shù)字圖像變化發(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s(t)的持續(xù)期為t∈[a，t]，將信號持續(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

將等分份數(shù)n代入分?jǐn)?shù)階微積分的Riemann-Liouville定義式，可推導(dǎo)出一維信號s(t)分?jǐn)?shù)階微積分Riemann-Liouville定義的近似表達(dá)式
其中，v取負(fù)值，表示分?jǐn)?shù)階積分的階次。本發(fā)明中階次v可取小于0的分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值(由于數(shù)字電路的計(jì)算長度有限，當(dāng)v為無理小數(shù)時(shí)，可以約等于近似的有理小數(shù))；

表示Gamma函數(shù)。對利用Riemann-Liouville定義的近似表達(dá)式進(jìn)行兩點(diǎn)間的線性插值，令 可以推導(dǎo)出v＜0由此，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)階偏積分的后向差分近似表達(dá)式分別為 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)階偏積分的近似值 可見，s(x，y)在x和y坐標(biāo)軸負(fù)方向上分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值(n項(xiàng)和)中的每一對應(yīng)求和項(xiàng)的系數(shù)值都是相同的。這n個(gè)非零系數(shù)值都是分?jǐn)?shù)階積分階次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。本發(fā)明的數(shù)字圖像s(x，y)的分?jǐn)?shù)階積分是通過一個(gè)2維列向量定義的

分?jǐn)?shù)階積分向量的模值定義為

為了運(yùn)算簡便，通常將

(即

和

中的最大值)作為分?jǐn)?shù)階積分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。見圖1，為了加強(qiáng)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的抗圖像旋轉(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、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值，然后再求由上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分所構(gòu)成的8維分?jǐn)?shù)階偏積分列向量的模值。為了運(yùn)算簡便，本發(fā)明將s(x，y)在上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值中的模值最大的值作為s(x，y)的v階分?jǐn)?shù)階積分的近似值。
見圖2，在n×n全零方陣沿x坐標(biāo)軸負(fù)方向的中心對稱軸上，用


這n個(gè)非零系數(shù)值按順序置換掉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)階積分掩模(用Wx-表示)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路1，其中，見圖4，在n×n全零方陣沿y坐標(biāo)軸負(fù)方向的中心對稱軸上，用


這n個(gè)非零系數(shù)值按順序置換掉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)階積分掩模(用Wy-表示)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路3，其中，


另外，x軸正方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模(用Wx+表示，見圖3)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路2；y軸正方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模(用Wy+表示，見圖5)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路4；左下對角線方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模(用W左下對角表示，見圖6)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路5；右上對角線方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模(用W右上對角表示，見圖7)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路6；左上對角線方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模(用W左上對角表示，見圖8)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路7；右下對角線方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模(用W右下對角表示，見圖9)，實(shí)現(xiàn)該分?jǐn)?shù)階積分掩膜的電路為第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜單元電路8。圖3、圖5到圖9中，


構(gòu)造原理和方法與Wx-和Wy-類似，這里不再贅述。
數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積運(yùn)算規(guī)則的步驟是第1步，將串行輸入的數(shù)字視頻信號分別輸入第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8，各個(gè)單元電路分?jǐn)?shù)階積分掩模中的系數(shù)

所在的坐標(biāo)(x，y)和待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的像素s(x，y)的坐標(biāo)位置(x，y)保持重合；第2步，分別將第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的分?jǐn)?shù)階積分掩模上的系數(shù)值分別與輸入的對應(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)分別得到在上述8個(gè)方向上的加權(quán)求和值；第3步，將第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8分別的處理結(jié)果的各自模值作為像素s(x，y)在上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；第4步，在待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(shù)字圖像中逐像素平移上述8個(gè)方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模(Wx-、Wx+、Wy-、Wy+、W左下對角、W右上對角、W左上對角和W右下對角)，分別不斷重復(fù)上述第1～3步的運(yùn)算規(guī)則，遍歷整幅待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(shù)字圖像，便可計(jì)算出整幅數(shù)字圖像在上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；另外，在逐像素平移時(shí)，為了不使分?jǐn)?shù)階積分掩模的行或列位于待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(shù)字圖像平面之外，須使分?jǐn)?shù)階積分掩模的中心點(diǎn)距待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(shù)字圖像邊緣像素的距離不小于(n-1)/2個(gè)像素，即不對距待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(shù)字圖像邊緣n-1行或列的像素進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分。
下面具體說明第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的電路結(jié)構(gòu)見圖1和圖10，每個(gè)分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路由分?jǐn)?shù)階積分掩模尺寸數(shù)n(奇數(shù))個(gè)第一乘法器至第五乘法器19～23和一個(gè)加法器24構(gòu)成；這n個(gè)乘法器的非零權(quán)值依按順序分別是




加法器24的輸出值饋入最大值比較器13。見圖1，第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路到第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路結(jié)構(gòu)如下 第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路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)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路2計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1+1))在x軸正方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路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)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-m)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路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)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+m)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路5計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在左下對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1+H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-m+mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1)+(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路6計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在右上對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1-H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+m-mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1)-(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路7計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在左上對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1-H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-m-mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1)-(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在右下對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第一乘法器19，相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1+H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

分別饋入第二乘法器20，相乘后饋入加法器24；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+m+mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1)+(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值

相乘后饋入加法器24。
見圖1，最大值比較器13計(jì)算第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8輸出值中的最大值。最大值比較器13有8路輸入，1路輸出，分別饋入第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8的值，輸出上述8個(gè)饋入值中模值最大的值。
下面結(jié)合附圖和數(shù)字圖像的分?jǐn)?shù)階積分濾波器實(shí)例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)字圖像平滑濾波的信號處理電路裝置的新方案


圖1是本發(fā)明的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路1的在x軸負(fù)方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖3是第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路2的在x軸正方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖4第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路3的在y軸負(fù)方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖5是第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路4的在y軸正方向上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖6是第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路5的在左下對角線上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖7是第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路6的在右上對角線上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖8是第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路7的在左上對角線上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖9是第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8的在右下對角線上的分?jǐn)?shù)階積分掩模n×n方陣示意圖。
圖10是第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8共同的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11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、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階積分掩模都是3×3的方陣時(shí)的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器電路示意圖。。
其中，1是第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；2是第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；3是第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；4是第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；5是第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；6是第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；7是第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；8是第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路；9是時(shí)序控制電路；10是讀寫地址發(fā)生器；11是雙口RAM組；12是鎖相/移位電路組；13是最大值比較器；14是圖像性質(zhì)判斷器；15是RGB到HSI轉(zhuǎn)換器；16是標(biāo)志存儲(chǔ)器；17是雙口RAM組；18是HSI到RGB轉(zhuǎn)換器；19是第一乘法器；20是第二乘法器；21是第三乘法器；22是第四乘法器；23是第五乘法器；24是加法器；25～36是功能和參數(shù)相同的行存儲(chǔ)器；37是與14功能相同的圖像性質(zhì)判斷器；38是與16功能相同的標(biāo)志存儲(chǔ)器；39是與15功能相同的RGB到HSI轉(zhuǎn)換器；40是與13功能相同的最大值比較器；41是與18功能相同的HSI到RGB轉(zhuǎn)換器；I點(diǎn)是基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)的輸入點(diǎn)；A點(diǎn)是權(quán)值

的輸入點(diǎn)；B點(diǎn)是權(quán)值

的輸入點(diǎn)；C點(diǎn)是權(quán)值

的輸入點(diǎn)。上述第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路8分別輸出像素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、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值。

具體實(shí)施例方式 見圖1和圖11，按照本說明書的發(fā)明內(nèi)容中所詳細(xì)說明的本發(fā)明的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的電路結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)造出該基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的具體電路。在具體實(shí)施的過程中，還應(yīng)注意①分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路的階次v可取小于0的分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值；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、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階積分掩模(Wx-、Wx+、Wy-、Wy+、W左下對角、W右上對角、W左上對角和W右下對角)中的n個(gè)非零系數(shù)值按順序分別為





本發(fā)明的在該8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階積分掩模中的n個(gè)非零系數(shù)值之和不為零，即


③為了使分?jǐn)?shù)階積分掩模(它是一個(gè)n×n的方陣)有明確的軸對稱中心，分?jǐn)?shù)階積分掩模的尺寸數(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)階積分的數(shù)字圖像的尺寸數(shù)(若待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(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；當(dāng)L≠H時(shí)，其尺寸數(shù)為L和H中的最小值)；④本發(fā)明的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器中的第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8不限于圖10所采用的方案，任何一種用硬件電路實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路的運(yùn)算規(guī)則的具體措施均可導(dǎo)出一種基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的具體方案，這需要針對具體使用背景來加以選取。
現(xiàn)舉例介紹如下 見圖1和圖11，如果要構(gòu)造一個(gè)基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的具體電路，在工程實(shí)際應(yīng)用中，該濾波器中的第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的運(yùn)算規(guī)則常采用3×3的分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積的方案來實(shí)現(xiàn)對數(shù)字灰度圖像的像素S(x，y)的v階分?jǐn)?shù)階偏積分，由上述說明可知在x軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸負(fù)方向、y軸正方向、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階積分掩模(Wx-、Wx+、Wy-、Wy+、W左下對角、W右上對角、W左上對角和W右下對角)的尺寸數(shù)n＝3，上述8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階積分掩模中的3個(gè)非零系數(shù)值按順序分別是



所以，其中雙口RAM組11采用2n-2|n＝3＝4個(gè)行存儲(chǔ)器完成2n-1|n＝3＝5行待處理視頻圖像數(shù)據(jù)的獲取；其中雙口RAM組17采取2·(2n-2)|n＝3＝8個(gè)行存儲(chǔ)器完成待處理視頻圖像數(shù)據(jù)的H和S兩個(gè)空間分量各2n-2|n＝3＝4行，共8行數(shù)據(jù)的緩存；其中鎖相/移位電路組12共采用3n2-3n|n＝3＝18個(gè)D觸發(fā)器，通過對數(shù)字圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分所需的(2n-1)×(2n-1)n＝3＝5×5像素陣列；其中第一算法單元電路1至第八算法單元電路8共有8n|n＝3＝24個(gè)乘法器，每個(gè)算法單元電路中n|n＝3＝3個(gè)乘法器的非零權(quán)值按順序分別是


于是，如圖11所示，按照本說明書發(fā)明內(nèi)容中所述的電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)，就可以方便地構(gòu)造出該基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的具體電路。在不影響準(zhǔn)確表述該基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器的分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積電路部分的具體電路的前提下，為了更加清晰明了地描述其中的第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路1至第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路8的具體電路，圖11未畫出其中的時(shí)序控制電路及其被觸發(fā)產(chǎn)生的時(shí)序控制信號。
權(quán)利要求
1.基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器，其特征在于它是由第一分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(1)、第二分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(2)、第三分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(3)、第四分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(4)、第五分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(5)、第六分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(6)、第七分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(7)、第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路(8)、時(shí)序控制電路(9)、讀寫地址發(fā)生器(10)、雙口RAM組(11)、鎖相/移位電路組(12)、最大值比較器(13)、圖像性質(zhì)判斷器(14)、RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(15)、標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)、雙口RAM組(17)與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(18)聯(lián)結(jié)而成；串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)輸入高精度的基于Riemann-Liouville定義的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器后分成兩路第一路觸發(fā)時(shí)序控制電路(9)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號；第二路經(jīng)過圖像性質(zhì)判斷器(14)判斷輸入圖像為灰度圖像或者彩色圖像并將判斷結(jié)果饋入標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)儲(chǔ)存，同時(shí)將輸入數(shù)字視頻碼流Sx(k)饋入RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(15)，根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)中存儲(chǔ)的判斷結(jié)果對輸入碼流進(jìn)行分別處理，若輸入為灰度圖像則RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(15)不作任何處理直接輸出，若輸入為彩色圖像則RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(15)將圖像轉(zhuǎn)換到HSI空間，并將H和S空間分量饋入雙口RAM組(17)存儲(chǔ)，同時(shí)將I空間分量順序饋入雙口RAM組(11)及鎖相/移位電路組(12)，其輸出分別經(jīng)過第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(1)到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(8)處理，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、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個(gè)方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值，再經(jīng)過最大值比較器(13)處理后，將上述8個(gè)近似值中模值最大的值、標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)和雙口RAM組(17)的輸出一并饋入HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(18)，根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)中存儲(chǔ)的圖像性質(zhì)判斷結(jié)果分別進(jìn)行處理，若是灰度圖像則HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(18)不做處理，直接輸出，若是彩色圖像則HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(18)進(jìn)行HSI空間到RGB空間的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的彩色圖像信號輸出。HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(18)的輸出即作為像素Sx(k+(n-1)(H+1))的v階分?jǐn)?shù)階積分值近似值Sx(v)(k+(n-1)(H+1))。其中，k的取值由L×H-1逐次減一，直至為零；L的取值等于待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(shù)字圖像行數(shù)的正整數(shù)；H的取值等于待進(jìn)行分?jǐn)?shù)階積分的數(shù)字圖像列數(shù)的正整數(shù)；n取3到L和H最小值之間的任意奇數(shù)；v取小于0的任意分?jǐn)?shù)或有理小數(shù)值，根據(jù)工程精度的不同要求，階次v分為三種類型的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，算法單元電路(1)到(8)的計(jì)算數(shù)據(jù)類型也相應(yīng)分為三種單精度型；雙精度型；長雙精度型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器，其特征在于時(shí)序控制電路(9)在輸入數(shù)字視頻流的行、場有效信號的觸發(fā)下產(chǎn)生相應(yīng)的控制讀寫地址發(fā)生器(10)、雙口RAM組(11)、鎖相/移位電路組(12)、最大值比較器(13)、圖像性質(zhì)判斷器(14)、RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(15)、雙口RAM組(17)、第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(1)到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(8)操作所需的時(shí)序控制信號。讀寫地址發(fā)生器(10)在時(shí)序控制信號的作用下產(chǎn)生雙口RAM組(11)及雙口RAM組(17)的讀寫地址，并負(fù)責(zé)處理讀寫地址初始化和回轉(zhuǎn)的問題。雙口RAM組(11)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。鎖相/移位電路組(12)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，共采用3n2-3n個(gè)D觸發(fā)器，通過對數(shù)字圖像進(jìn)行點(diǎn)延時(shí)產(chǎn)生計(jì)算數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分所需的(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。最大值比較器(13)將其輸入信號的最大值輸出。圖像性質(zhì)判斷器(14)判斷輸入圖像為灰度圖像還是彩色圖像。標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)存儲(chǔ)圖像性質(zhì)判斷器(14)的判斷結(jié)果。RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(15)根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)的內(nèi)容完成圖像從RGB空間到HSI空間的轉(zhuǎn)換。雙口RAM組(17)存儲(chǔ)RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(15)轉(zhuǎn)換后圖像H和S空間分量。HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(18)根據(jù)標(biāo)志存儲(chǔ)器(16)的內(nèi)容完成圖像從HSI空間到RGB空間的轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器，其特征在于第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(1)到第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(8)，每個(gè)算法單元電路由分?jǐn)?shù)階積分掩模尺寸數(shù)n個(gè)乘法器(19～23)和一個(gè)加法器(24)構(gòu)成；這n個(gè)乘法器(19～23)是具有相同乘法功能的不同器件，其非零權(quán)值按順序分別是
第一分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(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)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
第二分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(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)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
第三分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(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)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-m)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
第四分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(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)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+m)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
第五分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(5)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在左下對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1+H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-m+mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1)+(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
第六分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(6)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在右上對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1-H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+m-mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1)-(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
第七分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(7)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在左上對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-1-H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)-m-mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)-(n-1)-(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
第八分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積單元電路(8)計(jì)算像素Sx(k+(n-1)(H+1))在右下對角線方向上的v階分?jǐn)?shù)階偏積分的近似值；根據(jù)待輸入數(shù)字圖像性質(zhì)的不同，像素Sx(k+(n-1)(H+1))的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第一乘法器(19)，相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+1+H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
分別饋入第二乘法器(20)，相乘后饋入加法器(24)；以此類推，若1≤m＜n-1，像素Sx(k+(n-1)(H+1)+m+mH)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)；像素Sx(k+(n-1)(H+1)+(n-1)+(n-1)H)的灰度值或者I空間分量的值與權(quán)值
相乘后饋入加法器(24)。
全文摘要
本發(fā)明所提出的基于Riemann-Liouville定義的高精度的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字紋理圖像去噪功能的信號處理電路裝置。該濾波器是采用圖像性質(zhì)判斷器、數(shù)字視頻流行存儲(chǔ)器組、鎖相/移位電路組、分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積電路與最大值比較器、RGB到HSI空間轉(zhuǎn)換器與HSI到RGB空間轉(zhuǎn)換器聯(lián)接構(gòu)成的。其第一到第八分?jǐn)?shù)階積分掩膜卷積單元電路的運(yùn)算規(guī)則是采用分?jǐn)?shù)階積分掩模卷積的方案來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分的空域?yàn)V波。本發(fā)明所提出的數(shù)字圖像分?jǐn)?shù)階積分濾波器去噪精度高，能最大限度保持圖像紋理細(xì)節(jié)信息，特別適用于對高清晰數(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具有復(fù)雜紋理細(xì)節(jié)的圖像實(shí)時(shí)去噪的應(yīng)用場合。
文檔編號H04N5/213GK101815164SQ20101014747
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者蒲亦非, 劉彥, 周激流 申請人:蒲亦非, 劉彥, 周激流