[發明專利]一種模板可配置N像素并行灰度形態學濾波電路和方法

有效

• 申請號: 201910975475.5
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110866885B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 桑紅石;李強;常誠;姜慶峰;高萬蘇維;劉羽豐;李玉濤
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06T5/30
• 分類號: G06T5/30;G06T1/20
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;曹葆青

1.一種模板可配置N像素并行灰度形態學濾波電路，其特征在于，所述模板為平坦對稱結構元素，可配置結構元素大小m的最大值為M，所述濾波電路包括：

行解析電路，用于在所述濾波電路配置為行運算時，對每幀圖像數據進行解析，每個時鐘周期向并行運算電路輸出N個相鄰的行像素；

列轉置電路，用于在所述濾波電路配置為列運算時，對每幀圖像數據進行解析，每個時鐘周期向并行運算電路輸出N個相鄰的列像素；

數據拼接電路，用于當圖像行列數不是N的整數倍時，對圖像進行擴展，以保證送入并行運算電路的N個相鄰像素屬于同一行/列；

并行運算電路包括：移位寄存器、窗口生成電路和極值運算電路；

移位寄存器，用來緩存經行解析電路和列轉置電路解析輸出的圖像數據；

窗口生成電路，用于在N像素并行濾波時，根據當前配置的結構元素大小、所述濾波電路工作方式，從移位寄存器中取緩存的圖像數據，可共用圖像數據按順序填充至1×(M+N-1)一維工作窗口的W_N～W_M位置處，不可共用圖像數據按順序填充至1×(M+N-1)一維工作窗口的剩余位置；

極值運算電路，用于在N像素并行濾波時，根據所述濾波電路工作方式，取一維工作窗口各位置像素中的極小值/極大值，得到N像素并行灰度形態學濾波結果；

所述列轉置電路包括：N塊簡單雙端口RAM，存儲圖像數據所需RAM的深度為經行處理后圖像行數除以N和數據右移電路，其解析過程如下：

(1)圖像數據讀入，N塊RAM初始寫地址為0，圖像數據采用順序切換的方式每個周期向一塊RAM寫入數據，圖像數據寫入第N塊RAM后，寫地址加1，繼續將圖像數據寫入N塊RAM的對應地址，直至N塊RAM都處于滿狀態，暫停圖像數據讀入；

(2)圖像數據讀出，N塊RAM初始讀地址為0，若每個RAM都處于滿狀態，則從N塊簡單雙端口RAM中每次并行讀出N個數據，否則當圖像數據寫入第N塊RAM后，并行讀出N個數據；

(3)在解析第1列N個相鄰像素時，數據右移電路將簡單雙端口的輸出數據右移0位，在解析第2列N個相鄰像素時，數據右移電路將簡單雙端口的輸出數據右移w位，隨著解析像素列數的增加，右移的位數依次加w，直至解析出第列像素，簡單雙端口RAM的滿狀態結束，其中，w為數據位寬；

(4)判斷所有像素是否解析完畢，若是，結束，否則，進入步驟(1)；

一維工作窗口的填充方式具體如下：

當(N-1)≤m≤M時，將可共用數據填充至一維工作窗口W_N～W_M位置處，當重用數據不夠填充W_N～W_M位置處時，窗口剩余位置填充2^w-1或者0值，腐蝕運算時填充2^w-1，膨脹運算時填充0，其余數據按順序填充W₁～W_M+N-1位置處；

當1≤m＜(N-1)時，一維工作窗口W_m+1～W_M位置處填充2^w-1或者0，腐蝕運算填充2^w-1，膨脹運算時填充0，其余數據按順序填充W₁～W_M+N-1位置處；

極值運算電路包括：1個(M-N+1)輸入極值運算電路、N個(N-1)輸入極值運算電路和1個(N+1)輸入極值運算電路；一維工作窗口填充完畢后，取固定位置的數據送入對應的極值運算電路，具體如下：

當(N-1)≤m≤M時，將一維工作窗口中W_N～W_M位置的數據送入(M-N+1)輸入極值運算電路，得到極值Y，N個(N-1)輸入的極值運算電路的輸入數據分別為W₁～W_N-1位置的數據得到極值y₁，W₂～W_N-1和W_M+1位置的數據得到極值y₂，一直到W_M+1～W_M+N-1得到極值yN，再將Y分別和y₁，y₂，…，y_N比較，便可得到N像素并行的處理結果；

當1≤m＜(N-1)時，將一維工作窗口中W_N～W_M位置的數據送入(M-N+1)輸入求極值運算電路得到極值Y，N個(N-1)輸入的極值運算電路的輸入數據分別為W₁～W_m，剩余值輸入0或2^w-1，腐蝕運算輸入2^w-1，膨脹運算時輸入0，得到極值y₁，W₂～W_m和W_M+1位置的數據，剩余值輸入0或2^w-1，腐蝕運算輸入2^w-1，膨脹運算時輸入0，得到極值y₂，一直到W_M-m+1～W_M+N-1，剩余值輸入0或2^w-1，腐蝕運算輸入2^w-1，膨脹運算時輸入0，得到極值y_N，再將Y分別和y₁，y₂，…，y_N比較，得到N像素并行的處理結果；

在配置為不同結構元素大小時，極值運算電路共用一個(M-N+1)輸入極值運算電路。

2.一種模板可配置N像素并行灰度形態學濾波方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

S1.當圖像行列數不是N的整數倍時，對圖像進行擴展，以保證行運算/列運算時輸出的N個相鄰像素屬于同一行/列；

S2.當配置為行運算時，對每幀圖像數據進行解析，每個時鐘周期輸出并緩存N個相鄰的行像素；當配置為列運算時，對每幀圖像數據進行解析，每個時鐘周期輸出并緩存N個相鄰的列像素；

S3.在N像素并行濾波時，根據當前配置的結構元素大小、工作方式，取出緩存的圖像數據，可共用圖像數據按順序填充至1×(M+N-1)一維工作窗口的W_N～W_M位置處，不可共用圖像數據按順序填充至1×(M+N-1)一維工作窗口的剩余位置，其中，M為可配置結構元素大小m的最大值；

S4.在N像素并行濾波時，根據所述工作方式，取一維工作窗口各位置像素中的極小值/極大值，得到N像素并行灰度形態學濾波結果；

所述當配置為列運算時，對每幀圖像數據進行解析，每個時鐘周期輸出并緩存N個相鄰的列像素，具體如下：

(1)圖像數據讀入，N塊RAM初始寫地址為0，圖像數據采用順序切換的方式每個周期向一塊RAM寫入數據，圖像數據寫入第N塊RAM后，寫地址加1，繼續將圖像數據寫入N塊RAM的對應地址，直至N塊RAM都處于滿狀態，暫停圖像數據讀入；

(2)圖像數據讀出，N塊RAM初始讀地址為0，若每個RAM都處于滿狀態，則從N塊簡單雙端口RAM中每次并行讀出N個數據，否則當圖像數據寫入第N塊RAM后，并行讀出N個數據；

(3)在解析第1列N個相鄰像素時，數據右移電路將簡單雙端口的輸出數據右移0位，在解析第2列N個相鄰像素時，數據右移電路將簡單雙端口的輸出數據右移w位，隨著解析像素列數的增加，右移的位數依次加w，直至解析出第列像素，簡單雙端口RAM的滿狀態結束，其中，w為數據位寬；

(4)判斷所有像素是否解析完畢，若是，結束，否則，進入步驟(1)；

一維工作窗口的填充方式具體如下：

當(N-1)≤m≤M時，將可共用數據填充至一維工作窗口W_N～W_M位置處，當重用數據不夠填充W_N～W_M位置處時，窗口剩余位置填充2^w-1或者0值，腐蝕運算時填充2^w-1，膨脹運算時填充0，其余數據按順序填充W₁～W_M+N-1位置處；

當1≤m＜(N-1)時，一維工作窗口W_m+1～W_M位置處填充2^w-1或者0，腐蝕運算填充2^w-1，膨脹運算時填充0，其余數據按順序填充W₁～W_M+N-1位置處；

所述根據所述工作方式，取一維工作窗口各位置像素中的極小值/極大值，得到N像素并行灰度形態學濾波結果，具體如下：

當(N-1)≤m≤M時，將一維工作窗口中W_N～W_M位置的數據送入(M-N+1)輸入極值運算電路，得到極值Y，N個(N-1)輸入的極值運算電路的輸入數據分別為W₁～W_N-1位置的數據得到極值y₁，W₂～W_N-1和W_M+1位置的數據得到極值y₂，一直到W_M+1～W_M+N-1得到極值y_N，再將Y分別和y₁，y₂，…，y_N比較，便可得到N像素并行的處理結果；

當1≤m＜(N-1)時，將一維工作窗口中W_N～W_M位置的數據送入(M-N+1)輸入求極值運算電路得到極值Y，N個(N-1)輸入的極值運算電路的輸入數據分別為W₁～W_m，剩余值輸入0或2^w-1，腐蝕運算輸入2^w-1，膨脹運算時輸入0，得到極值y₁，W₂～W_m和W_M+1位置的數據，剩余值輸入0或2^w-1，腐蝕運算輸入2^w-1，膨脹運算時輸入0，得到極值y₂，一直到W_M-m+1～W_M+N-1，剩余值輸入0或2^w-1，腐蝕運算輸入2^w-1，膨脹運算時輸入0，得到極值y_N，再將Y分別和y₁，y₂，…，y_N比較，得到N像素并行的處理結果；

在配置為不同結構元素大小時，極值運算電路共用一個(M-N+1)輸入極值運算電路。