[發明專利]一種可重構的一維卷積處理器

有效

• 申請號: 201410216342.7
• 申請日: 2014-05-21
• 公開（公告）號: CN103985083B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 張斌;饒磊;趙季中;王建軍;符歡歡
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及圖像處理領域，特別涉及一種一維卷積處理器。

背景技術

圖像是人類獲取信息、表達信息和傳遞信息的重要手段。在人類接受的信息中，圖像等視覺的信息占到80％。數字圖像處理通過數學運算對圖像信息進行各種加工處理，來改善圖像的視覺效果和提高圖像的實用性。數字圖像處理主要研究內容包括圖像去噪、圖像增強、圖像變換、圖像編碼、圖像壓縮、圖像識別、圖像分割、特征提取、邊緣檢測等。近年來，圖像處理不但在模型建立與算法優化方面取得了重大進步，還在生物醫學、工業生產、遙感、天文學、軍事、通信等領域獲得了廣泛關注和應用。

隨著集成電路的高速發展，二維卷積已經在數字信號處理器(DSP)，圖像處理單元(GPU)和專業集成電路(ASIC)上實現了。在現場可編程邏輯門陣列(FPGA)中的DSP塊也已經實現了二維卷積(Kill?Benjamin,Abbes?Amira,“Efficient?reconfigurable?architectures?of?generic?cyclic?convolution.”)。對于實時高分辨率圖像的卷積處理，依然是一個挑戰(Mohammad?K.,Agaian?S.,“Efficient?FPGA?implementation?of?convolution.”)。近年來，由于對大模板同步卷積的需求逐漸增大，低硬件資源消耗、高處理速度的卷積處理器越來越受到研究人員的關注。

綜上所述，目前的卷積處理器主要存在的問題有：運算的速度慢，效率低，不能實時處理圖像；硬件資源消耗大，不易于在硬件上實現；處理器的靈活性差，不適于多種不同模板的需求。

發明內容

本發明的目的在于將復雜的二維卷積分離成分別與一個一維列向量和一個一維行向量的卷積，提供一種可重構的一維卷積處理器；結構簡單、靈活性好、硬件資源消耗低、易于硬件實現，運算速度快，能夠實時地進行大分辨率的灰度圖像與大卷積模板的卷積運算。通過控制模塊控制，可以靈活的改變可重構一維卷積模塊的輸入和級聯方式，實現多種卷積模板下的卷積運算。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種可重構的一維卷積處理器，包括輸入控制模塊、行存模塊和可重構一維卷積模塊；可重構一維卷積模塊連接輸入控制模塊和行存模塊，輸入控制模塊連接行存模塊；輸入控制模塊，用于通過控制信號控制行存模塊輸出不同行數的圖像像素信號，通過控制信號控制可重構一維卷積模塊的一維列向量陣列和一維行向量陣列的連接方式，通過控制信號動態配置卷積模板參數，以此實現多級級聯、不同模板大小的圖像卷積運算；行存模塊，用于接收圖像信號，存儲圖像像素信息，根據輸入控制模塊的控制信號動態改變輸出的行數，行存模塊同時輸出相應行數的圖像像素信號到可重構一維卷積模塊；可重構一維卷積模塊，根據行存模塊輸入的圖像信號和輸入控制模塊的控制信號，改變卷積陣列的級聯方式和卷積模板參數，完成不同模板大小的圖像卷積運算，輸出經過卷積運算處理的圖像。

優選的，所述可重構一維卷積模塊包括若干6×1一維列向量卷積陣列和若干6×1一維行向量卷積陣列；6×1一維列向量卷積陣列包括6個第一2輸入乘法器、2個第一3輸入加法器和1個第一2輸入加法器；列向量卷積陣列中的第一2輸入乘法器的一個輸入為一維列向量系數，另一個輸入為圖像行存模塊輸出或者為前一級卷積陣列輸出，第一3輸入加法器的輸入為對應3個第一2輸入乘法器的結果，第一2輸入加法器的輸入為對應兩個第一3輸入加法器的結果；6×1一維行向量卷積陣列包括6個第二2輸入乘法器、2個第二3輸入加法器和1個第二2輸入加法器；行向量卷積陣列中的第二2輸入乘法器的輸入為一維卷積模板系數和同一級列向量陣列的輸出，第二3輸入加法器的輸入為對應3個第二2輸入乘法器的結果，第二2輸入加法器的輸入為對應兩個第二3輸入加法器的結果。

優選的，所述可重構的一維卷積處理器由四個6×1一維列向量卷積陣列和四個6×1一維行向量卷積陣列采用串、并混合的連接方式構成。

優選的，可重構的一維卷積處理器的一維卷積處理硬件實現方法包括：(1)先列后行的方法：圖像先與一維列向量進行一維卷積運算得到結果再與一維行向量進行卷積運算得到最終的卷積運算結果；(2)先行后列的方法：圖像先與一維行向量進行一維卷積運算得到結果再與一維列向量進行卷積運算得到最終的卷積運算結果。

一種可重構的一維卷積處理器，將一個二維的卷積模板分離成一個一維列向量與一個一維行向量乘積的形式，將卷積處理分離成圖像相應像素分別與一維列向量和行向量的卷積。