[發(fā)明專利]一種模板可配置N像素并行灰度形態(tài)學(xué)濾波電路和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910975475.5
• 申請(qǐng)日: 2019-10-16
• 公開（公告）號(hào): CN110866885B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 桑紅石;李強(qiáng);常誠;姜慶峰;高萬蘇維;劉羽豐;李玉濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T5/30
• 分類號(hào): G06T5/30;G06T1/20
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李智;曹葆青

本發(fā)明公開了一種模板可配置N像素并行灰度形態(tài)學(xué)濾波IP模塊和方法，屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。針對(duì)IP實(shí)現(xiàn)必須降低存儲(chǔ)資源消耗這一要求，設(shè)計(jì)了用一維形態(tài)學(xué)濾波實(shí)現(xiàn)二維形態(tài)學(xué)濾波的方案以減少大模板濾波時(shí)二維窗口生成對(duì)存儲(chǔ)資源的消耗，對(duì)于一維形態(tài)學(xué)濾波列運(yùn)算時(shí)的數(shù)據(jù)解析方式提出要求，設(shè)計(jì)了列轉(zhuǎn)置電路以達(dá)到每個(gè)周期像運(yùn)算電路提供N個(gè)相鄰的列像素。針對(duì)IP必須提高時(shí)鐘工作頻率以滿足系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性這一問題，通過挖掘大模板形態(tài)學(xué)濾波過程中運(yùn)算電路的可重用性，充分開發(fā)形態(tài)學(xué)濾波的并行性，提高了灰度形態(tài)學(xué)濾波IP的數(shù)據(jù)通過率。IP在配置為不同結(jié)構(gòu)元素大小時(shí)，極值運(yùn)算電路都相同且共用一個(gè)M?N+1輸入極值電路，減少了運(yùn)算資源消耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種模板可配置N像素并行灰度形態(tài)學(xué)濾波電路和方法。

背景技術(shù)

圖像預(yù)處理是目標(biāo)檢測與識(shí)別中的必要環(huán)節(jié)，灰度形態(tài)學(xué)濾波是圖像預(yù)處理中的重要步驟，具有廣泛的應(yīng)用需求和場景。在自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤等嵌入式圖像處理系統(tǒng)中，往往需要對(duì)圖像進(jìn)行灰度形態(tài)學(xué)濾波來實(shí)現(xiàn)平滑圖像、凸顯圖像中感興趣區(qū)域、描繪圖像不同區(qū)域間的邊界等圖像預(yù)處理功能。在精確制導(dǎo)系統(tǒng)中，為了達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別建筑物的目的，需要多次調(diào)用灰度形態(tài)學(xué)濾波對(duì)圖像進(jìn)行背景抑制，去除圖像中比結(jié)構(gòu)元素小的不感興趣區(qū)域。且隨著飛行器與建筑物之間距離的變化，需要完成灰度形態(tài)學(xué)濾波的原始圖像大小和所需的結(jié)構(gòu)元素大小也會(huì)隨之改變。

灰度形態(tài)學(xué)濾波是對(duì)與結(jié)構(gòu)元素重合的圖像像素執(zhí)行取灰度差的極小值或取灰度和的極大值操作。做取極值操作后，得到的一個(gè)新像素，結(jié)構(gòu)元素中心的坐標(biāo)就是新像素的坐標(biāo)，濾波操作的結(jié)果是這個(gè)新像素的灰度值。使用濾波器中心的訪問待處理圖像的所有像素，才可以得到灰度形態(tài)學(xué)腐蝕/膨脹濾波后的圖像，連續(xù)兩次調(diào)用灰度形態(tài)學(xué)腐蝕/膨脹運(yùn)算才能得到灰度形態(tài)學(xué)開/閉運(yùn)算的結(jié)果。因此，隨著結(jié)構(gòu)元素和待處理圖像的增大，實(shí)現(xiàn)灰度形態(tài)學(xué)濾波過程的復(fù)雜度和運(yùn)算負(fù)荷隨之增加。對(duì)于一幅大小為512×640圖像，使用Tms320c6455型號(hào)的DSP實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)元素大小為81×81的二維形態(tài)學(xué)腐蝕/膨脹操作，共需約10.7×10⁸次比較運(yùn)算，耗時(shí)約101ms，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)元素大小為81×81的二維形態(tài)學(xué)開/閉操作，共需約21.5×10⁸次比較運(yùn)算，耗時(shí)約202ms，而實(shí)驗(yàn)室的嵌入式圖像處理系統(tǒng)要求20ms內(nèi)完成對(duì)大小為512*640圖像的所有操作包括：采集原始圖像，向FPGA寫入原始圖像，灰度形態(tài)學(xué)濾波，直方圖統(tǒng)計(jì)，標(biāo)記、特征計(jì)算、相似性判斷等與連通區(qū)域有關(guān)運(yùn)算，圖像差分和高斯濾波運(yùn)算，連通域特征值計(jì)算與分析，特征數(shù)據(jù)融合，單目標(biāo)跟蹤和輸出結(jié)果。因此，在CPU或DSP上使用軟件編程的方式難以滿足嵌入式圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。目前一般采用硬件加速模塊，利用硬件并行性的優(yōu)勢(shì)，獲得比軟件更高的處理速度，以滿足嵌入式圖像處理系統(tǒng)對(duì)灰度形態(tài)學(xué)濾波模塊的實(shí)時(shí)性要求。

對(duì)圖像進(jìn)行二維形態(tài)學(xué)濾波，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)元素大小，生成二維工作窗口作為鄰域，且在此鄰域內(nèi)完成取灰度差的極小值或取灰度和的極大值的操作。在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)元素大小和待處理圖像尺寸大小的增加，所需要的硬件資源和運(yùn)行時(shí)間隨之增加。因此，在實(shí)時(shí)性要求高且硬件資源有限的嵌入式圖像處理系統(tǒng)，如航空航天、無人駕駛、精確制導(dǎo)等系統(tǒng)無法適用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)灰度形態(tài)學(xué)濾波時(shí)結(jié)構(gòu)元素的增加導(dǎo)致硬件資源消耗大和運(yùn)行時(shí)間長的問題，本發(fā)明提供了一種模板可配置N像素并行灰度形態(tài)學(xué)濾波電路和方法，其目的在于實(shí)現(xiàn)多像素并行濾波，提高處理速度，減少冗余計(jì)算，降低硬件資源開銷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種模板可配置N像素并行灰度形態(tài)學(xué)濾波電路，所述模板為平坦對(duì)稱結(jié)構(gòu)元素，可配置結(jié)構(gòu)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(yùn)算時(shí)，對(duì)每幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，每個(gè)時(shí)鐘周期向并行運(yùn)算電路輸出N個(gè)相鄰的行像素；

列轉(zhuǎn)置電路，用于在所述濾波電路配置為列運(yùn)算時(shí)，對(duì)每幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，每個(gè)時(shí)鐘周期向并行運(yùn)算電路輸出N個(gè)相鄰的列像素；