專利名稱：數字圖像的0～1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路的制作方法
數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路所屬領域本發(fā)明所提出的數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾(英文名Aiemarm-Liouville) 分數階微分增強電路是一種實時增強數字圖像或視頻流紋理特征的電路裝置。本發(fā)明涉及 的分數階微分的階次是0 < v < 1。見圖1，這種數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階 微分增強電路是由數字圖像或視頻流行存儲器組9、時序控制電路15、鎖相/移位電路組 10、Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11與最大值比較器12、RGB到HSI轉換器13 與HSI到RGB轉換器14級聯構成的。它的Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11中 的第一微分單元電路1至第八微分單元電路8的運算規(guī)則都是采用Riemarm-Liouville分 數階微分卷積模板的方法來實現數字圖像空域的分數階微分紋理特征增強。本發(fā)明所提出 的數字圖像的0 1階黎曼_劉維爾分數階微分增強電路具有運算規(guī)則簡明，結構簡單，布 線容易，良好的可擴展性，圖像紋理特征增強效果好，實時性高，特別適用于CT、MRI等醫(yī)學 圖像處理、衛(wèi)星遙感圖像、高清晰數字電視、天網監(jiān)視、刑偵圖像分析等領域。本發(fā)明屬于分 數階微積分學、數字圖像處理和數字電路交叉學科的技術領域。
背景技術：
圖像是人們記錄和傳遞信息的重要載體，由于多種因素的影響，圖像在生成、傳輸 或變換的過程中會造成圖像質量下降、圖像模糊、特征淹沒，給圖像分析和識別帶來困難。 因此，將原來不清晰的圖像變得清晰或強調圖像中某些感興趣的特征，抑制不感興趣的特 征，使之改善圖像質量、豐富信息量，加強圖像判讀和識別效果是現代圖像處理的主要內 容。近年來，隨著社會的不斷的進步，人們對圖像的清晰度和紋理細節(jié)提出了更高的要求 醫(yī)學技術的不斷發(fā)展，醫(yī)學工作者迫切需要更清晰的生物醫(yī)學圖像(如CT圖像、MRI圖像、 超聲波圖像等)來獲取更詳細的病人生理特征；在刑事偵查中對指紋、虹膜、掌紋等生物特 征處理質量要求不斷提高；衛(wèi)星遙感圖像對復雜地理紋理細節(jié)特征清晰程度要求的不斷提 高以及日常生活中人們對數碼設備所獲取的圖像效果和對視頻信號的清晰度不斷提高等， 這些需求迫切需要構造一種高效、實時增強數字圖像的電路裝置。圖像增強根據圖像的模糊情況采用各種特殊的技術突出圖像中的某些信息，削弱 或消除無關信息達到強調圖像的整體或局部特征的目的，目前尚無統一的理論方法。圖像 增強技術主要分為兩類第一是頻域增強法，利用各種頻域濾波器進行圖像平滑或銳化處 理，然后進行變換域反變換來增強圖像，如傅立葉變換、小波變換等；第二是空域增強法，直 接針對圖像中的像素對圖像的像素值進行處理，如各種濾波器、平滑和銳化等。這些方法 對噪聲敏感且計算復雜，極大消耗了計算資源，降低了處理效率，不能滿足計算的實時性要 求。本發(fā)明的發(fā)明人之一曾提出了基于GrumwalcLLetnikov定義的發(fā)明專利數字圖像的 分數階微分濾波器(專利號ZL200610021702. 3)，該專利只基于GrumwalcLLetnikov定義， 且電子布線復雜，擴展到更大模板尺寸比較困難；沒提出基于RiemanruLiouville定義的 分數階圖像增強電路。本發(fā)明人針對專利ZL200610021702.3的上述缺點，在深入研究分數階微分RiemanruLiouville定義在數字圖像處理的中的應用，提出了數字圖像的0 1階黎 曼-劉維爾分數階微分增強電路。分數階微積分是分析和處理許多“非”問題、“非”現象(如 非線性、非因果、非高斯、非平穩(wěn)、混沌等)的數學工具和建模工具，已被廣泛應用于非線性 動力學、流體場理論、圖形圖像處理、自動化控制、生物醫(yī)學工程以及材料力學等領域。在數 字圖像中，鄰域內像素與像素之間的灰度值具有很強的相關性，這種相關性通常是以復雜 的紋理特征表現出來的，這些紋理特征一般表現為鄰域內像素之間像素值的相對變化，這 種變化反映圖像縱向投影和橫向投影的包絡曲線上各點的瞬時平衡狀態(tài)的相對變化。本發(fā) 明申請人對分數階微積分在現代信號處理中的應用做了系統深入的研究表明分數階微分 在加強信號高中頻成分的同時，也對信號的甚低頻成分進行了非線性保留；分數階微分對 信號的甚低頻成分的衰減相對于一階和二階微分較小，所以經過分數階微分處理之后圖像 平滑區(qū)域中灰度變化不大的紋理細節(jié)沒有遭到大幅衰減，而是在一定程度上進行了非線性 保留。這說明利用分數階微分進行圖像增強比整數階微分更有利提取圖像平滑區(qū)域中的紋 理細節(jié)，即分數階微分既有利于大幅提升圖像邊緣和加強紋理細節(jié)，同時非線性保留平滑 區(qū)域，又有利于保持輪廓。這為分數階微分增強紋理細節(jié)提供了理論基礎。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是構造一種數字圖像的0 1階黎曼_劉維爾分數階微分增強電 路，它具有結構簡單，運算規(guī)則簡明，布線容易，良好的可擴展性，圖像紋理細節(jié)增強效果 好，實時性高等特征，既能盡量保留數字圖像平滑區(qū)域中的低頻輪廓特征，同時又能非線性 增強幅度相對變化較大的高頻邊緣特征，而且還能非線性增強數字圖像中幅度和頻率相 對變化不大的高頻紋理特征。本發(fā)明的申請人深入研究了數字圖像紋理特征增強的分 數階微分法的基本原理和運算規(guī)則，根據Riemarm-Liouville分數階微分性質以及數字 圖像處理技術、數字電路技術和串行數字視頻流的輸入特點，構造了一種實時增強數字圖 像紋理特征的Riemarm-Liouville分數階微分數字電路裝置，即數字圖像的0 1階黎 曼-劉維爾分數階微分增強電路。見圖1，這種數字圖像的0 1階黎曼_劉維爾分數階 微分增強電路由數字圖像或視頻流行存儲器組9、時序控制電路15、鎖相/移位電路組10、 Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11與最大值比較器12、RGB到HSI轉換器13與 HSI到RGB轉換器14串聯構成。它的Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11中的第 一微分單元電路1至第八微分單元電路8的運算規(guī)則是采用Riemarm-Liouville分數階微 分卷積模板的方案來實現數字圖像的Riemarm-Liouville分數階微分空域濾波。首先對對本說明書所用的坐標系、符號及其取值范圍進行三點說明第1，沿用圖 像處理中習慣用x表示圖像像素的縱軸坐標，用和y坐標表示圖像像素的橫軸坐標，縱軸坐 標向下為正方向，橫軸坐標向右為正方向(這和普通的坐標系明顯不同)；用S(x，y)表示 坐標(x，y) (x，y分別表示行坐標和列坐標)上的像素值；它是一個像素矩陣；第2，為了使 Riemarm-Liouville分數階微分卷積模板(它是一個nXn的方陣)有明確的軸對稱中心， 分數階微分卷積模板的尺寸數n是奇數；n的最小取值是3，n的最大值小于待進行分數階 微分的數字圖像的尺寸數(若待進行分數階微分的數字圖像S(x，y)是WXH大小的像素矩 陣，當W = H時，其尺寸數為W ；當W興H時，其尺寸數為min(W，H)，即W和H中的最小值)； 第3，在實際應用中，待進行處理的數字圖像S(x，y)是一個WXH的像素矩陣，即表示數字圖像有W行，每行有H個像素，x取0 (W-1)之間的整數，y取0 (H-1)之間的整數。 進行數字圖像處理時，W行像素的像素值是串行輸入(即一行像素接一行像素輸入，形成串 行數字圖像或視頻流)；根據數字圖像或視頻流的串行輸入特點，用Sx(k)表示串行數字圖 像或視頻流中的像素(下標x表示每一幀數字圖像S(x，y)是以一行像素接一行像素輸入 的方式形成串行數字圖像或視頻流的，S(x，y)從它最下面的一行(第W行)開始從下至上 輸入，k表示像素Sx(k)在串行數字圖像或視頻流中的像素序號，k從WXH-1開始計數，逐 像素輸入k值減一，直至為零)；若Sx(k)對應串行輸入前坐標(x，y)上的像素S(x，y)，則 Sx(k士mH士n)對應串行輸入前坐標(x士m，y士n)上的像素S (x士m，y士n)。見圖1，本發(fā)明的數字圖像的0 1階黎曼_劉維爾分數階微分增強電路由數字 圖像或視頻流行存儲器組9、時序控制電路15、鎖相/移位電路組10、Riemann-Liouville 分數階微分卷積電路11、最大值比較器12、RGB到HSI轉換器13與HSI到RGB轉換器14 串聯而成；串行數字圖像或視頻流Sx(k)輸入Riemarm-Liouville分數階微分電路后首先 進入RGB到HSI轉換器13，根據圖像性質不同分別進行處理。如果是灰度圖像則不做處 理，直接輸出進行下一步處理；如果是彩色圖像則進行RGB空間到HSI空間的轉換，將I空 間的信號輸出進行下一步處理。之后將得到的信號分成三路第一路順序經過數字圖像 或視頻流行存儲器組9、鎖相/移位電路組10、Riemann-Liouville分數階微分卷積電路 11處理后，分別輸出像素Sx(k+(n-l) (H+1))在x軸負方向、左上對角線、右上對角線、y軸 負方向、y軸正方向、x軸正方向、左下對角線和右下對角線8個方向上HSI空間I分量的 v階Riemarm-Liouville分數階偏微分的近似值，再經過最大值比較器12處理后，輸出饋 入到HSI到RGB轉換器14，根據圖像性質不同分別進行處理。如果是灰度圖像則不做處 理，直接輸出；如果是彩色圖像則進行HSI空間到RGB空間的轉換，將轉換后的彩色圖像信 號輸出；HSI到RGB轉換器14的輸出即為像素Sx(k+(n-l) (H+1))的v階分數階微分近似 值+ 1)(// + 1));第二路觸發(fā)時序控制電路15產生相應的時序控制信號，便于 Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11對數字圖像或視頻流行存儲器9中的數據進行 處理；第三路與數字圖像或視頻流行存儲器組9的輸出一起饋入鎖相/移位電路組10生成 (2n-l) X (2n-l)的像素陣列。其中，該數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強 電路中的Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的階次v可在0 1之間取分數或 有理小數值或無理小數的近似有理小數；第一微分單元電路1至第八微分單元電路8的計 算精度有三種第1種是單精度型(占4個字節(jié)內存，計算長度32bit，6 7位有效位，精 度范圍10_37 1038)；第2種是雙精度型(占8個字節(jié)內存，計算長度64bit，15 16位有 效位，精度范圍10_3°7 103°8)；第3種是長雙精度型(占16個字節(jié)內存，計算長度128bit， 18 19位有效位，精度范圍10_4931 104932)。本發(fā)明提出的數字圖像的0 1階黎曼-劉 維爾分數階微分增強電路包括下列電路部件，其具體構造如下見圖1，時序控制電路15在輸入數字視頻流的行、場有效信號的觸發(fā)下產生相應 的控制數字圖像或視頻流行存儲器組9、鎖相/移位電路組lCKRiemarm-Liouville分數階 微分卷積電路11與最大值比較器12、RGB到HSI轉換器13與HSI到RGB轉換器14操作所 需的時序控制信號；見圖1，數字圖像或視頻流行存儲器組9由讀寫地址發(fā)生器以及雙端口 RAM組構 成讀寫地址發(fā)生器在時序控制信號的作用下產生雙端口 RAM的讀寫地址，并處理讀寫地址初始化和回轉操作；數字圖像或視頻流行存儲器組9根據串行數字流的輸入特點，利用 當前輸入像素采用2n-2個數字圖像或視頻流行存儲器完成2n-l行視頻圖像數據的獲?。灰妶D1，鎖相/移位電路組10根據串行數字視頻流的輸入特點，利用當前輸入像 素，共采用3n2-3n個D觸發(fā)器，通過對數字圖像進行點延時產生計算數字圖像分數階積分 所需的(2n_l) X (2n-l)像素陣列；(2n_l) X (2n-l)像素陣列的第1行采用2n_2個D觸發(fā) 器，第2行采用2n-3個D觸發(fā)器，一直到第n-1行每行采用D觸發(fā)器的個數都是逐行減一， 第n-1行采用n個D觸發(fā)器；(2n-l) X (2n-l)像素陣列的第n行采用2n_2個D觸發(fā)器； (2n-l) X (2n-l)像素陣列的第n+1行采用n個D觸發(fā)器，第n+2行采用n+1個D觸發(fā)器，一 直到第2n-l行每行采用D觸發(fā)器的個數都是逐行加一，第2n-l行采用2n_2個D觸發(fā)器；見圖1，Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11是本發(fā)明數字圖像的0 1 階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路的所有構成電路部件中實現數字圖像的分數階微分 最關鍵的電路部件，也是本發(fā)明數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路的 核心內容。為了清楚說明Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的電路構成，首先對 Riemann-Liouville分數階微分卷積電路的運算規(guī)則進行如下簡要說明由于數字圖像信號的變化量是有限的數字量，且像素值變化發(fā)生的最短距離 只能是在相鄰像素之間，因此二維數字圖像s(x，y)矩陣的大小只可能以像素為單位， 因此S(x，y)在X或y坐標軸方向上的最小等分間隔h = 1。若一維信號s(t)的持續(xù) 期為t e [a, t]，將信號持續(xù)期[a，t]按單位等分間隔h= 1進行等分，其等分份數為
n =
a
h
a。將等分份數為n代入分數階微積分的Riemarm-Liouville定義式
可推導出
dv — 5(X)
ax
R-L
V)
I
1X
/IV
r
/'V
c
s
X
dE,
7
0<v<l 再由一階導數的差分近似表達式，可得如下近似公式
(kx+x)/N/-
kxjN
d_
7
(sksk+1)\(k+iy-v-k
J-v
因此Riemarm-Liouville分數階微分的近似公式為
dxv
5(X)
x~vjr
RL
r(2-v)
4=0
0<v<l 其中，r( )= f1)!為Gamma函數。因此可分別推導得s (x，y)
在x和y坐標軸負方向上分數階偏微分的后向差分形式
dvs(x,y)
s(x,y) + —^--fj((k + \y-v -2廣 +(眾-1廣卞(x —眾，力
+ -
r(2-v) r(2-v)t
l
r(2-v)
(1 -v)nv -nx-v +(n-l)1_v)s(x-+ , 0<v<l 本發(fā)明在上述兩個差值表達式中選取前n項和分別作為s (x，y)在x和y坐標軸
負方向上分數階偏微分的近似值 可見，s(x，y)在x和y坐標軸方向上分數階偏微分的近似值(前n項求和)中的 每一對應求和項的系數值都是相同的。這n個非零系數值都是分數階微分階次v的函數。
這n個非零系數值按順序分別是 可以證明這n個非零系數值之和不等于零，這是分數階微分與整數階微分最的顯 著區(qū)別之一。在數字圖像中，由于鄰域內相鄰像素之間的像素值具有很大的相關性。見圖 1，因此為了加強Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的抗圖像旋轉性，有必要分別 計算出像素s(x，y)在x軸負方向、左上對角線、右上對角線、y軸負方向、y軸正方向、x軸 正方向、左下對角線和右下對角線8個方向上的v階分數階偏微分的近似值，然后再求上述 8個方向上的v階分數階偏微分所構成的8維分數階偏梯度列向量的模值。為了運算簡便， 本發(fā)明將s(x，y)在上述8個方向上的v階分數階偏微分的近似值的模值中的最大值作為 s(x, y)的v階分數階微分的近似值。見圖3，在nXn全零方陣沿x坐標軸負方向的中心對稱軸上，用
順序置換掉nXn全零方陣中相應位置上的零值，從而構造出x軸負方向上的分數階 微分模板(用『；表示)。見圖6，在nXn全零方陣沿y坐標軸負方向的中心對稱置換掉nXn全零方陣中相應位置上的零值，從而構造出y軸負方向上的分數階微分模板 (用表示)。另外，x軸正方向上的分數階微分模板(用爐/表示，見圖8)、y軸正方向 上的分數階微分模板(用表示，見圖7)、左下對角線方向上的分數階微分模板(用 T5^表示，見圖9)、右上對角線方向上的分數階微分模板(用W;&±5^表示，見圖5)、左上對 角線方向上的分數階微分模板(用^表示，見圖4)、右下對角線方向上的分數階微分 模板(用^表示，見圖10)與爐,—和的構造原理和方法類似。Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11的運算規(guī)則是采用 Riemarm-Liouville分數階微分卷積模板的方法來實現數字圖像空域的分數階微分濾波， 特別適合用硬件電路實現，其運算規(guī)則是Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11在x軸負方向上的運算規(guī)則如圖3所 示，其余7個方向上的運算規(guī)則與在x軸負方向上的運算規(guī)則類似。Riemann-Liouville分 數階微分卷積電路11運算規(guī)則作用于數字圖像的步驟是第1步，把串行輸入的數字圖像 或視頻信號分別輸入到RGB到HSI轉換器13，得到數字圖像的I空間分量，將I空間分量 分別在上述8個方向上進行分數階微分卷積(
上述8個方向上的分數階微分卷積模板中系數值為rrol 、所在的坐
標(x，y)和待進行分數階微分的像素s(x，y)的坐標位置(x，y)必須保持重合；第2步，將 上述8個方向上的分數階微分卷積模板上的系數值分別與輸入的對應的像素的像素相乘， 然后將各自的所有乘積項相加分別得到在上述8個方向上的加權求和值；第3步，將上述8 個方向上的各自模值分別作為Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11在上述8個方 向上的處理結果(即像素s(x，y)在上述8個方向上的v階分數階偏微分的近似值)；第 4步，在待進行分數階微分的數字圖像中逐像素平移上述8個方向上的分數階積分模板(
^T、W左上對角、W右上對角、W；, fx+、W左下對角和W右下對角)，分別不斷重復上述第1 3
步的運算規(guī)則，遍歷整幅待進行分數階微分的數字圖像，便可計算出整幅數字圖像在上述8 個方向上的v階分數階偏微分近似值；另外，在逐像素平移時，為了不使分數階微分模板的 行或列位于待進行分數階微分的數字圖像平面之外，須使分數階微分模板的中心點距待進 行分數階微分的數字圖像邊緣像素的距離不小于(n_l)/2個像素，即不對距待進行分數階 微分的數字圖像邊緣n-1行或列的像素進行分數階微分。下面具體說明Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的電路結構見圖1， Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11由8個并行計算的第一微分單元電路1至第 八微分單元電路8構成分別計算數字圖像中像素在x軸負方向、左上對角線、右上對角線、 y軸負方向、y軸正方向、x軸正方向、左下對角線和右下對角線8個不同方向上I分量的分 數階偏微分近似值；見圖1和圖11，每個微分單元電路由分數階微分模板尺寸數n個第一 乘法器至第五乘法器16 20、一個加法器21構成；這n個乘法器的非零權值依按順序分
— 1 別是
加法器21的輸出值饋入最大值比較器12。見圖1，
Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11由如下8個特定的微分單元電路構成
第一微分單元電路1計算像素民&+(11-1) (H+1))在x軸負方向上I分量的v 階Riemarm-Liouville分數階偏微分的近似值；像素民&+(11-1)01+1))的值與權值
饋入第一乘法器16，相乘后饋入加法器21 ；像素
的值與權值 分別饋入第二乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n，像素
的值與權值+ V v+(m-l)相乘后饋入加法器 21 ;
的值與權值
相乘后饋入加法器21 ； 第二微分單元電路2計算像素
在左上對角線方向上I分量 的v階Riemarm-Liouville分數階偏微分的近似值；像素Sx(k+(n_l) (H+1))的值與權值
二一分別饋入第一乘法器16，然后饋入加法器21 ；像素
的值與 i (z - v)
權值_2、分別饋入第一乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n，像 r(2 - v)
素民
的值與權值
相乘后饋入加法
器21 ;
的值與權值
一相乘后饋入 加法器21 ； 第三微分單元電路3計算像素
在右上對角線方向上I分量 的v階Riemarm-Liouville分數階偏微分的近似值；像素Sx(k+(n_l) (H+1))的值與權值
饋入第一乘法器16，相乘后饋入加法器21 ；像素
的值與權
值— 2、分別饋入第二乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n，像素 r(2 - v)
的值與權值0+1廣-加^ +如-！疒相乘后饋入加法
r(2-v)
w1"" 一 2(n — lV"v + (n- 2、1—v
!21;Sx(k+(n-l)(H+l) + (n-l)-(n-l)H)的值與權值-J 、相乘后饋
r(2 - v)
入加法器21 ； 第四微分單元電路4計算像素Sx (k+ (n-1) (H+1))在y軸負方向上I分量的 v階Riemarm-Liouvi 1 le分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (n-1) (H+1))的值與權值
r(2_v)饋入第一乘法器16，相乘后饋入加法器21 ；像素Sx(k+(n-l) (H+l)-l)的值與權值"“2、分別饋入第二乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n，像素
的值與權值
V相乘后饋入加法器 21 ；
的值與權值-1
一相乘后饋入加法器21 ；
r(2 - v) 第五微分單元電路5計算像素
在y軸正方向上I分量的 v階Riemarm-Liouvi 1 le分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (n-1) (H+l))的值與權值 1
r(2-v)
饋入第一乘法器16，相乘后饋入加法器21 ；像素
的值與權
值2 V_2分別饋入第二乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n，像
素民
的值與權值
相乘后饋入加法器
的值與權值
相乘后饋入加法器 21 . 第六微分單元電路6計算像素
在x軸正方向上I分量的 v階Riemarm-Liouvi 1 le分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (n-1) (H+l))的值與權值 1
饋入第一乘法器16，相乘后饋入加法器21 ；像素Sx(k+(n-l) (H+l)+H)的值與權
值_2、分別饋入第二乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n，像素 r(2 - v)
的值與權值^^~^)相乘后饋入加法器21 ；
的值與權值^A、、^相乘后饋入加法器21 ； 第七微分單元電路7計算像素sx(k+(n-l) (H+l))在左下對角線方向上I分量 的v階Riemarm-Liouvi lie分數階偏微分的近似值；像素Sx(k+(n_l) (H+l))的值與權值
1 饋入第一乘法器16，相乘后饋入加法器21 ；像素Sx(k+(n-l) (H+D-1+H)的值與權
值wo ―2、分別饋入第二乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n，像 r(2 - v)
素民如
)的值與權值(v 口。 、1^相乘后饋入
加法器21 ;Sx(k+(n-l) (H+l) -(n-1) + (n-1)H)的值與權值 ^A ^、、^相乘后
1X2-v)
饋入加法器21 ； 第八微分單元電路8計算像素Sx(k+(n_l) (H+l))在右下對角線方向上I分量 的v階Riemarm-Liouvi lie分數階偏微分的近似值；像素Sx(k+(n_l) (H+l))的值與權值饋入第一乘法器16，相乘后饋入加法器21;像素Sx(k+(n-l)(H+l)+l+H)的值與
權值~氣分別饋入第二乘法器17，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n， r(2 - v)
(m + iy_v _ 2m1—v + (m- lV"v
像素 Sx(k+(n-l)(H+l) + (m-l) + (m-l)H)的值與權值、^、^相乘后饋
r(2-v)
入加法器21 ;Sx(k+(n-l) (H+l) + (n-l) + (n-l)H)的值與權值“:("一2)相乘
丄(/-v)
后饋入加法器21 ；見圖1，最大值比較器12計算Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的第 一微分單元電路1至第八微分單元電路8輸出值中的最大值；最大值比較器12有8路輸入 (分別饋入第一微分單元電路1至第八微分單元電路8計算得到的分數階微分近似值)和 1路輸出，輸出上述8個微分單元電路近似值中的最大值，該最大值饋入到HSI到RGB轉換 器14，根據圖像性質不同分別進行處理。如果是灰度圖像則不做處理，直接輸出；如果是彩 色圖像則進行HSI空間到RGB空間的轉換，將轉換后的彩色圖像信號輸出；HSI到RGB轉換 器14的輸出即為像素的v階分數階微分近似值。本發(fā)明的發(fā)明者在深入研究了 Riemarm-Liouville分數階微分數字圖像紋理特 征增強的基本原理和及其運算規(guī)則后，根據Riemarm-Liouville分數階微分的性質以及數 字圖像處理、數字電路、串行數字視頻流的輸入特點，構造了一種實時增強數字圖像紋理細 節(jié)特征的分數階微分卷積電路裝置，即數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強 電路。它能增強CT、MRI等醫(yī)學圖像；衛(wèi)星遙感圖像及紅外圖像、刑偵圖像等，它的應用必將 對人們的日常生活和各個領域的圖像信息處理技術有很大的提升。下面結合附圖和數字圖像的0 1階黎曼_劉維爾分數階微分增強電路實例詳 細說明本發(fā)明的實時增強數字圖像紋理特征的電路裝置新方案


圖1是本發(fā)明的數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路的電路結 構示意圖。圖2是8個Riemann-Liouville分數階微分方向x軸負方向W;、左上對角線W 、右上對角線Wt^j軸負方向^7、y軸正方向^7、x軸正方向妒/、左下對角線
TA和右下對角線示意圖。圖3是第一微分單元電路1在x軸負方向上的Riemarm-Liouville分數階微分 nXn方陣示意圖。圖4是第二微分單元電路2在左上對角線方向上的Riemarm-Liouville分數階微 分nXn方陣示意圖。圖5是第三微分單元電路3在右上對角線方向上的Riemarm-Liouville分數階微 分nXn方陣示意圖。圖6是第四微分單元電路4在y軸負方向上的Riemarm-Liouville分數階微分 nXn方陣示意圖。
圖7是第五微分單元電路5在y軸正方向上的Riemarm-Liouville分數階微分 nXn方陣示意圖。圖8是第六微分單元電路6在x軸正方向上的Riemarm-Liouville分數階微分 nXn方陣示意圖。圖9是第七微分單元電路7在左下對角線方向上的Riemarm-Liouville分數階微 分nXn方陣示意圖。圖10是第八微分單元電路8在右下對角線方向上的Riemarm-Liouville分數階 nXn方陣示意圖。圖11是第一微分單元電路1至第八微分單元電路8共同的電路結構示意圖。圖12是當在x軸負方向W;、左上對角線、右上對角線WuA、y軸負方向 ^7、y軸正方向W/、x軸正方向％+、左下對角線和右下對角線Wt.S個方向上的 v階分數階微分模板都是3 X 3的方陣時的數字圖像的Riemarm-Liouville分數階數字圖像 微分卷積電路示意圖。其中，1是第一微分單元電路；2是第二微分單元電路；3是第三微分單元電路；4 是第四微分單元電路；5是第五微分單元電路；6是第六微分單元電路；7是第七微分單元 電路；8是第八微分單元電路；9是數字圖像或視頻流行存儲器組；10是鎖相/移位電路組； 11是Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路；12和26是功能和參數相同的最大值比較 器；13是RGB到HSI轉換器；14是HSI到RGB轉換器；15是時序控制電路；16第一乘法器；17 是第二乘法器；18是第三乘法器；19是第四乘法器；20是第五乘法器；21是加法器；22 25是功能和參數相同的數字圖像或視頻流行存儲器；F點是數字圖像或視頻流RGB到HSI
轉換后的I分量或灰度值的輸入點；A點是權值w。1 、的輸入點；B點是權值
r(2 - v)r(2 - v)
的輸入點；C點是是權值3、+1的輸入點；上述第一微分單元電路至第八微分單
r(2 - v)
元電路分別輸出像素Sx(k+(n-l) (H+1))在x軸負方向》7、左上對角線、右上對角線 評；&1_、7軸負方向％、y軸正方向^7、x軸正方向妒,+、左下對角線和右下對角線 個方向上的前3項和作為該方向HSI空間I分量的v階分數階微分的近似值；圖2 到圖10中，
具體實施例方式
見圖1和圖12，按照本說明書的發(fā)明內容中所詳細說明的本發(fā)明的數字圖像的 0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路的級聯電路結構及其數字圖像或視頻流行存 儲器組9、鎖相/移位電路組10、Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11、最大值比
15較器12、RGB到HSI轉換器13 ；HSI到RGB轉換器14的具體電路結構和電路參數，就可以 構造出數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路。另外，在具體實施的過程 中，還需注意①該Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的階次v可在0 1之間 取分數或有理小數值或無理數的近似有理小數；②本發(fā)明在x軸負方向、左上對角線、右上 對角線、y軸負方向、y軸正方向、x軸正方向、左下對角線和右下對角線8個方向上的v階
Riemarm-Liouville分數階微分模板(砂V、W左上對角、W右上對角、妒；、Wy\妒/、W左下對角
和中的n個非零系數值按順序分別為
與整數階微分模板中的所有非零系數值之和為零不同，本
發(fā)明的在該8個方向上的V階分數階微分模板中的n+1個非零系數值之和不為零，即
數階微分模板(它是一個nXn的方陣)有明確的軸對稱中心，分數階微分模板的尺寸數 n是奇數；n的最小取值是3，n的最大值小于待進行分數階微分的數字圖像的尺寸數(若 待進行分數階微分的數字圖像S(x，y)是WXH的像素矩陣，當W = H時，其尺寸數為W;當 W興H時，其尺寸數為W和H中的最小值)；④對于不同性質的數字圖像(灰度圖像和RGB 彩色圖像)，本發(fā)明的RGB到HSI轉換器13首先根據待處理的數字圖像的性質不同，對圖 像進行不同處理。如果是數字灰度圖像則不做任何處理直接輸出進行下一步處理；如果是 RGB彩色圖像則進行RGB空間到HSI空間的轉換，并將I空間分量輸出進行下一步處理。 RGB到HSI轉換器13的輸出直接饋入數字或視頻流行存儲器9，通過Riemarm-Liouville 分數階微分卷積電路11進行分數階微分運算，最大值比較器12的輸出直接饋入到HSI到 RGB轉換器14，根據待處理的數字圖像性質不同分別進行處理，如果是數字灰度圖像則不 做任何處理直接將最大值比較器12的輸出作為分數階微分運算結果，如果是數字彩色圖 像，則先將最大值比較器12的輸出做HSI到RGB空間轉換，將轉換結果輸出作為分數階 微分運算結果。⑤本發(fā)明的數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路中的 Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11不限于圖11所采用的方案，一般說來它可以采 用圖1中的Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11所示結構，任何一種用硬件電路實 現本發(fā)明的Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的運算規(guī)則的具體措施均可導出 一種數字圖像的Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路的具體方案，這需要針對具體使 用背景來加以選取。現舉例介紹如下見圖1和圖12，如果要構造一個數字圖像I分量或灰度數字圖像的0 1階 黎曼-劉維爾分數階微分增強電路的具體電路，在工程實際應用中，該微分電路中的 Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路11的運算規(guī)則常采用3X3的分數階微分卷積模 板的方案來實現對數字灰度圖像或彩色圖像I分量的像素S(x，y)的v階分數階偏微分， 由上述說明可知在x軸負方向、左上對角線、右上對角線、y軸負方向、y軸正方向、x軸正方向、左下對角線和右下對角線8個方向上的v階Riemarm-Liouville分數階微分模板(
一、W左上對角、W右上對角、W； W； > K+、W左下對角和W右下對角)的尺寸數n = 3，上述8個方
向上的v階分數階微分模板中的3個非零系數值按順序分別是 121 V""2
31_v -21—v +1
r(2 - v) r(2-v)
r(2_v)。所以，其中數字圖像或視頻流行存儲器組9采用2n-2|n = 3 = 4個數字圖
像或視頻流行存儲器完成2n-l |n = 3 = 5行視頻圖像數據的獲?。黄渲墟i相/移位電路 組10共采用3n2-3n|n=3 = 18個D觸發(fā)器，通過對數字灰度圖像或I空間分量進行點 延時操作，產生計算數字灰度圖像或I空間分量分數階微分所需的(2n_l) X (2n-l) |n =3 = 5X5像素陣列；其中第一微分單元電路1至第八微分單元電路8共有8n|n=3 =24個乘法器，每個微分單元電路中n|n = 3 = 3個乘法器的非零權值按順序分別是
…1、、二 _2、、 3 r"2、+1。于是，如圖12所示，按照本說明書發(fā)明內容中所述 r(2 - v) r(2 - v) r(2 -v)
的本發(fā)明的數字圖像的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路及其時序控制電路15、 數字圖像或視頻流行存儲器組9、鎖相/移位電路組lCKRiemarm-Liouville分數階微分卷 積電路11和最大值比較器12的具體電路結構和電路參數，就可以方便地構造出數字圖像 的0 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路。圖12未畫出其中的時序控制電路及其被 觸發(fā)產生的時序控制信號的具體實現。
權利要求
一種數字圖像的0～1階黎曼 劉維爾分數階微分增強電路，其特征在于它是由數字圖像或視頻流行存儲器組(9)、時序控制電路(15)、鎖相/移位電路組(10)、Riemann Liouville分數階微分卷積電路(11)、最大值比較器(12)、RGB到HSI轉換器(13)、HSI到RGB轉換器(14)級聯而成；串行數字圖像或視頻流Sx(k)輸入Riemann Liouville數字圖像分數階微分電路后首先進入RGB到HSI轉換器(13)，根據圖像性質分別進行處理，如果是灰度圖像則不做處理，直接輸出進行下一步處理；如果是RGB彩色圖像則進行RGB空間到HSI空間的轉換，將得到的HSI空間I分量進行下一步處理；之后分三路進行處理第一路順序經過數字圖像或視頻流行存儲器組(9)、鎖相/移位電路組(10)、Riemann Liouville分數階微分卷積電路(11)處理后，分別輸出像素Sx(k+(n 1)(H+1))在x軸負方向 左上對角線W左上角、右上對角線W右上角、y軸負方向 y軸正方向 x軸正方向 左下對角線W左下角和右下對角線W右下角8個方向上的HSI空間I分量的v階Riemann Liouville分數階偏微分的近似值；再經過最大值比較器(12)處理后，輸出上述8個方向I分量微分近似值中的最大值；最大值比較器(12)的輸出饋入HSI到RGB轉換器(14)，根據圖像性質不同分別進行處理，如果是灰度圖像則不做處理，直接輸出得到分數階微分結果，如果是RGB彩色圖像則進行HSI空間到RGB空間的轉換，將轉換后的彩色圖像信號輸出得到像素Sx(k+(n 1)(H+1))的v階分數階微分的近似值 第二路觸發(fā)時序控制電路(15)產生相應的時序控制信號，便于Riemann Liouville分數階微分卷積電路(11)對數字圖像或視頻流行存儲器(9)中的數據進行v階Riemann Liouville分數階微分處理；第三路與數字圖像或視頻流行存儲器組(9)的輸出一起饋入鎖相/移位電路組(10)生成(2n 1)×(2n 1)的像素陣列。其中，k的取值由W×H 1逐次減一，直到 k＝0；W的取值等于待進行分數階微分的數字圖像的行數；H的取值等于待進行分數階微分的數字圖像的列數；n取[3，min(W，H)]之間的任意奇數；v取0到1之間的任意分數或有理小數或無理數的近似小數。dest_path_FSB00000285961500011.tif,dest_path_FSB00000285961500012.tif,dest_path_FSB00000285961500013.tif,dest_path_FSB00000285961500014.tif,dest_path_FSB00000285961500015.tif
2.根據權利要求1所述的數字圖像的O 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路，其 特征在于時序控制電路(15)在輸入數字圖像或視頻流的行、列有效信號的觸發(fā)下產生相 應的控制數字圖像或視頻流行存儲器組(9)、鎖相/移位電路組(10)、Riemann-Liouville 分數階微分卷積電路(11)和最大值比較器(12)操作所需的時序控制信號。
3.根據權利要求1所述的數字圖像的O 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路，其 特征在于數字圖像或視頻流行存儲器組(9)由讀寫地址發(fā)生器及雙端口 RAM組構成；在 時序控制電路(15)的信號作用下，讀寫地址發(fā)生器產生雙端口 RAM的讀寫地址操作，并處 理讀寫地址初始化和回轉操作；數字圖像或視頻流行存儲器組(9)共采用2n-2個數字圖像 或視頻流行存儲器，完成2n-l行數字圖像或視頻的灰度值或RGB空間轉換到HSI空間后的 I分量數據的獲取。
4.根據權利要求1所述的數字圖像的O 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路， 其特征在于其中的鎖相/移位電路組(10)根據串行數字圖像或視頻流的輸入特點和當 前輸入像素值，共采用3n2-3n個D觸發(fā)器，通過時序延時計算數字圖像分數階微分所需的 (2n-l) X (2n-l)像素陣列。
5.根據權利要求1所述的數字圖像的O 1階黎曼-劉維爾分數階微分增強2電路，其特征在于其中的Riemarm-Liouville分數階微分卷積電路(11)由8個 并行計算的第一微分單元電路⑴至第八微分單元電路⑶構成；每個微分單 元電路由分數階微分模板尺寸數η個乘法器(16 20)和一個加法器(21)構 成；這η個乘法器(16 20)是具有相同乘法功能的不同器件，其非零權值按順序分別是 Mm-3)1:廣—徹―1 廣 + ("-2廣；Riemann-Liouville 分數階微分 Γ(2-ν)Γ(2-ν)卷積電路(11)由如下8個特定的微分單元電路構成第一微分單元電路⑴計算像素民&+(11-1) (Η+1))在χ軸負方向上I分量的ν階Riemann-Liouville分數階偏微分的近似值；像素Sx(k+(n_l) (Η+1))的值與權值 1 饋入第一乘法器(16)，相乘后饋入加法器(21)；像素Sx(k+(n-l) (Η+1)-H)的值與權值 2]'ν - 2 分別饋入第二乘法器(17)，相乘后饋入加法器(21)；以此類推，若1 <m<n，像素民如 的值與權值(所+1)'" ~ + (所-1)'"V相乘后饋入加法器 的值與權值V相乘后饋入加法器 (21)；第二微分單元電路⑵計算像素民&+(11-1) (Η+1))在左上對角線方向上I分 量的ν階Riemarm-Liouvi 1 Ie分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (η-1) (Η+1))的值與權值Γ (2- ν)分別饋入第一乘法器(16)，然后饋入加法器(21)；像素Sx(k+(n-l)(H+D-1-H)的值與權值Ii^ _2、分別饋入第一乘法器(17)，相乘后饋入加法器 (21)；以此類推，若 l<m<n，像素 Sx(k+(n_l) (Η+1) - (m-1) - (m-1) H)的值與權值 -相乘后饋入加法器(21) ;Sx(k+(n-l) (Η+1)-(η-1)-(η-1)H)的 值與權值-ro、相乘后饋入加法器(21)； 第三微分單元電路(3)計算像素民&+(11-1) (Η+1))在右上對角線方向上I分量的 ν階Riemarm-Liouvi 1 Ie分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (η-1) (Η+1))的值與權值 饋入第一乘法器(16)，相乘后饋入加法器(21)；像素Sx (k+(n-1) (H+D+1-H)的值 與權值If^ _2、分別饋入第二乘法器(17)，相乘后饋入加法器(21)；以此類推，若1 <m Γ(2 - ν)3<n，像素 的值與權值 相乘后 饋入加法器(21) ; 的值與權值—D +{n-2)1Γ(2-ν)相乘后饋入加法器(21)；第四微分單元電路⑷計算像素民&+(11-1) (Η+1))在y軸負方向上I分量的ν 階Riemarm-Liouvi 1 Ie分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (n-1) (Η+1))的值與權值 1Γ(2-ν)饋入第一乘法器(16)，相乘后饋入加法器(21)；像素 的值與權值二。_2、分別饋入第二乘法器(17)，相乘后饋入加法器21 ；以此類推，若1 < m < n， 像素 的值與權值^； 相乘后饋入加法器(21) 的值與權值 相乘后饋入加法器 第五微分單元電路(5)計算像素民&+(11-1) (Η+1))在y軸正方向上I分量的ν 階Riemarm-Liouville分數階偏微分的近似值；像素民&+(11-1)01+1))的值與權值 1 饋入第一乘法器(16)，相乘后饋入加法器(21)；像素Sx(k+(n-l) (H+l)+l)的值與權值h ―2、分別饋入第二乘法器(17)，相乘后饋入加法器(21)；以此類推，若1 <m <η，像素Sx(k+(n-l) (H+l) + (m-l))的值與權值(術+ 1)丨”一 2=1 v +(講—V ν相乘后饋入加法器(21) ;Sx(k+(n-l) (H+l)+ (n-1))的值與權值打+(n~2)i相乘后饋入 加法器(21)；第六微分單元電路(6)計算像素民&+(11-1) (Η+1))在χ軸正方向上I分量的ν 階Riemarm-Liouvi 1 Ie分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (n-1) (H+l))的值與權值 饋入第一乘法器(16)，相乘后饋入加法器(21)；像素 的值 與權值_2、分別饋入第二乘法器(17)，相乘后饋入加法器(21)；以此類推，若 ，像素 的值與權值+\+(附—1)1 ^相乘后饋入加法器( 的值與權值 '相乘后饋入 加法器(21)；第七微分單元電路(7)計算像素民&+(11-1) (H+1))在左下對角線方向上I分量的ν階Riemarm-Liouville分數階偏微分的近似值；像素Sx(k+(n_l) (H+1))的值與權值“二)饋入第一乘法器(16)，相乘后饋入加法器(21)；像素Sx(k+(n-l) (H+D-1+H)的值與權值“ 2、分別饋入第二乘法器(17)，相乘后饋入加法器(21)；以此類推，若1 < m < n，像 Γ (2 - ν) 素民如^^) (H+l)-(m-l) + (m-l)H)的值與權值J … /相乘后饋入加 法器(21) ;Sx(k+(n-l) (H+l)-(n-l) + (n-l)H)的值與權值--^相乘后饋入加法器(21)；第八微分單元電路⑶計算像素民&+(11-1) (Η+1))在右下對角線方向上I分 量的ν階Riemarm-Liouvi 1 Ie分數階偏微分的近似值；像素Sx (k+ (n-1) (H+1))的值與權值、饋入第一乘法器(16)，相乘后饋入加法器(21)；像素Sx(k+(n-l) (H+D+1+H)的值與權值Γ(2_ν)分別饋入第二乘法器(17)，相乘后饋入加法器 (21)；以此類推，若 l<m<n，像素 Sx (k+(n_l) (H+1) + (m_l) + (m_l) H)的值與權值(m +1)1V V + {m~ 1)1 V .相乘后饋入加法器(21) ;Sx(k+(n-l) (H+1)+ (n-1)+ (n-1)H)的 Γ(2-ν)值與權值-徹-O1—V +("―2)1—V相乘后饋入加法器(21)。 Γ(2-ν)
全文摘要
本發(fā)明所提出的數字圖像的0～1階黎曼-劉維爾分數階微分增強電路是一種實時增強數字圖像或視頻流紋理特征的電路裝置。本發(fā)明涉及的分數階微分的階次是0≤v＜1；由數字圖像或視頻流行存儲器組9、時序控制電路15、鎖相或移位電路組10、Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11、最大值比較器12、RGB到HSI轉換器13與HSI到RGB轉換器14級聯而成的。它的Riemann-Liouville分數階微分卷積電路11中的第一微分單元電路1至第八微分單元電路8的運算規(guī)則都是采用Riemann-Liouville分數階微分卷積模板的方法來實現數字圖像空域的分數階微分紋理特征增強。本發(fā)明所提出的Riemann-Liouville分數階數字圖像微分電路特別適用于CT、MRI等醫(yī)學圖像處理、衛(wèi)星遙感圖像、高清晰數字電視、天網監(jiān)視、刑偵圖像分析等領域。
文檔編號H04N5/202GK101902560SQ20101016004
公開日2010年12月1日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權日2010年4月28日
發(fā)明者周激流, 蒲亦非, 陳慶利 申請人:蒲亦非;陳慶利;周激流