[發明專利]硬件實現導向濾波的優化系統和方法

有效

• 申請號: 201710404046.3
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107274362B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 賴睿;章剛玄;岳高宇;張春;李吉昌;莫一過;楊銀堂
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T5/10;G06T1/60
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 李園園

1.一種硬件實現導向濾波的優化方法，其特征在于，導向濾波中的均值濾波模塊采用偶數濾波窗口，且滿足濾波窗口W＝2²ⁿ，其中n＝{1，2，3}，硬件實現導向濾波包括有如下步驟：

(1)利用均值濾波模塊的局部圖像緩存單元產生輸入圖像的局部圖像：本發明采取流水線設計，在系統時鐘和數據有效使能信號的控制下，把輸入圖以串行方式輸入局部圖像緩存單元I_Buf，將產生大小為N*N局部圖像，N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

(2)同步輸入圖像數據：將局部圖像緩存單元最后一級FIFO的輸出端數據寫入數據同步器FIFO1；

(3)運用右移位運算的除法特性通過所述均值濾波模塊完成均值濾波并通過方差計算模塊計算方差σ²：將輸入圖像作為導向濾波中的導向圖，運用右移位運算的除法特性完成均值濾波中的除法運算，并計算方差，方差計算的具體步驟：

(3.1)計算局部圖像均值的平方對局部圖像中所有像素求和，并右移2n位得到平均值，n＝{1，2，3}，然后將平均值寫入數據同步器FIFO2，并對作平方運算得到局部圖像均值的平方

(3.2)計算局部圖像平方的平均值對局部圖像進行平方運算，得到一個大小為N*N的矩陣I²，對該矩陣中所有元素求和，并右移2n位得到局部圖像平方的平均值其中N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

(3.3)根據局部圖像均值的平方以及局部圖像平方的平均值計算方差σ²；

(4)基于一次項系數計算模塊和常數項計算模塊，根據方差σ²以及一個確定的平滑系數ε求解導向濾波中一次項系數a及常數項b：首先采用分段一次函數擬合方式逼近a系數曲線，然后基于多路選擇器和移位加法器完成分段一次函數的硬件實現，最終通過輸入方差即可得到導向濾波中一次項系數a，最后通過數據同步器FIFO2輸出的局部圖像的平均值與a系數算出常數項b；

(5)基于一次項系數均值濾波模塊和常數項均值濾波模塊，對一次項系數a及常數項b均值濾波：將a，b數據分別輸入到系數緩存器a_Buf，b_Buf，緩存器結構與I_Buf相同，在系統時鐘和數據有效使能信號的控制下，將產生兩個大小為N*N系數矩陣，分別存放于a_Buf和b_Buf的濾波窗口中，分別對濾波窗口中所有元素求和，運用右移位運算的除法特性，右移2n位算出對應的出平均值與其中N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

(6)利用輸出級計算模塊，計算輸出結果q完成導向濾波：根據數據同步器FIFO1輸出的數據與一次項系數a及常數項b的局部平均值得到導向濾波輸出結果q；

采取流水線設計，添加系統時鐘和數據有效使能信號進行控制，上述步驟完成一個像素的計算，在第一個輸出結果之后，每一個數據有效時鐘周期輸出一個計算結果，在系統時鐘和數據有效使能信號進行控制下，最終完成整張圖像的導向濾波。

2.根據權利要求1所述的硬件實現導向濾波的優化方法，其特征在于，步驟3.2中所述的計算局部圖像平均值的公式如下：

步驟3.3中計算局部圖像平方圖的平均值的公式如下所示：

其中，W為濾波窗口大小，I_i,j表示在濾波窗口中第i行第j列像素值，表示在濾波窗口中第i行第j列像素值的平方，N為局部濾波窗口寬度，N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運算符，局部圖像為濾波窗口中的圖像。

3.根據權利要求1所述的硬件實現導向濾波的優化方法，其特征在于，采用分段一次函數擬合方式逼近導向濾波中求解一次項系數a的曲線，表達式如下所示：

s為分段函數段數，k_i表示第i段的斜率，b_i表示第i段的截距，ε為平滑系數，x為圖像數據位寬，σ²為局部圖像的方差。

4.根據權利要求1所述的硬件實現導向濾波的優化方法，其特征在于，一次項系數a及常數項b均值濾波公式如下所示：

其中，W為濾波窗口大小，為均值濾波輸出結果，a_i,j，b_i,j分別表示在濾波窗口中第i行第j列一次項系數a的值和常數項b的值，N為濾波窗口寬度，N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運算符。