專利名稱：高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器的制作方法
高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器所屬領(lǐng)域本發(fā)明所提出的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器是一種對數(shù)字圖 像復雜紋理細節(jié)特征進行高精度分數(shù)階增強或平滑的電路裝置。本發(fā)明涉及的分數(shù)階微積 分的階次不是傳統(tǒng)的整數(shù)階，而是非整數(shù)階，工程應用中一般取分數(shù)或有理小數(shù)。見圖1， 該高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器是采用RGB到HSI轉(zhuǎn)換器9、行存儲器組 10、鎖相/移位電路組11、分數(shù)階微積分掩模卷積電路12、最大值比較器13與HSI到RGB 轉(zhuǎn)換器14以級聯(lián)方式構(gòu)成的。分數(shù)階微積分掩模卷積電路12中的第一算法單元電路1至 第八算法單元電路8采用特有的分數(shù)階微積分掩模卷積算法來實現(xiàn)分數(shù)階微積分的高精 度計算。該高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器具有既能分數(shù)階增強又能分數(shù)階 平滑、計算精度高、色彩不失真的顯著優(yōu)點。本發(fā)明所提出的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù) 階微積分濾波器特別適用于對高清晰數(shù)字電視、生物醫(yī)學圖像、銀行票據(jù)、衛(wèi)星遙感圖像和 生物特征圖像等的復雜紋理細節(jié)特征進行高精度分數(shù)階增強或平滑的應用場合。本發(fā)明屬 于應用數(shù)學、數(shù)字圖像處理和數(shù)字電路交叉學科的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的圖像紋理細節(jié)特征分析方案分為統(tǒng)計分析方案、結(jié)構(gòu)分析方案、基于 模型方案和頻譜方案四類。在數(shù)字圖像中，鄰域內(nèi)像素與像素之間的灰度值具有很強的相 關(guān)性，這種相關(guān)性通常是以復雜的紋理細節(jié)特征表現(xiàn)出來的，上述四類傳統(tǒng)的圖像紋理細 節(jié)特征分析方案對紋理圖像所富含的復雜紋理細節(jié)特征的處理結(jié)果都不盡人意。近三百年以來，分數(shù)階微積分業(yè)已成為數(shù)學分析的一個重要分支，但對于國內(nèi)外 眾多數(shù)學家乃至工程技術(shù)界的物理學家而言它還鮮為人知。如何將分數(shù)階微積分這一嶄 新的數(shù)學方法應用于現(xiàn)代信號分析與處理，特別是數(shù)字圖像處理之中，在國際上都還是一 個研究甚少的新興學科分支。本發(fā)明申請人對分數(shù)階微積分在現(xiàn)代信號分析與處理，特別 是在數(shù)字圖像處理中的應用做了較為深入而系統(tǒng)的研究。本發(fā)明申請人作為獨立發(fā)明人 和專利權(quán)人于2006年8月30日申請的發(fā)明專利數(shù)字圖像的分數(shù)階微分濾波器(專利號 ZL200610021702. 3)已于2009年9月2日獲得授權(quán)。本發(fā)明申請人的進一步研究表明雖 然上述數(shù)字圖像的分數(shù)階微分濾波器具有既能盡量保留圖像平滑區(qū)域中的低頻輪廓特征， 同時又能分數(shù)階、非線性、多尺度增強圖像中灰度值躍變幅度相對較大的高頻邊緣特征，而 且還能分數(shù)階、非線性、多尺度增強圖像中灰度值躍變幅度和頻率變化相對不大的高頻紋 理細節(jié)特征的顯著優(yōu)點，但還存在下述三大缺點有待進一步改進和提高I.該數(shù)字圖像的 分數(shù)階微分濾波器只能完成分數(shù)階微分運算，不能利用同一電路結(jié)構(gòu)完成分數(shù)階積分運 算。因此該濾波器只能對數(shù)字圖像的復雜紋理細節(jié)特征進行分數(shù)階增強處理，而不能進行 分數(shù)階平滑處理；II.該濾波器所具有的實時、簡便、高效等優(yōu)點是以犧牲分數(shù)階微分運算 的計算精度為代價的，其相對誤差較大，不適合需要分數(shù)階微分的高精度計算的應用場合； III.由于當分數(shù)階微分的階次較大時容易破壞數(shù)字彩色圖像R、G、B三個色彩分量 之間的 相關(guān)性，所以當分數(shù)階微分階次較大時，該濾波器對數(shù)字彩色圖像的處理結(jié)果容易產(chǎn)生色彩失真。針對上述三大缺點，本發(fā)明的申請人進一步深入研究了用分數(shù)階微積分增強或平滑數(shù)字圖像紋理細節(jié)特征的基本原理及其運算規(guī)則，在此基礎上根據(jù)數(shù)字圖像分數(shù)階微積 分的性質(zhì)以及數(shù)字圖像處理、數(shù)字電路、串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點，提出了一種高精度 分數(shù)階增強或平滑數(shù)字圖像復雜紋理細節(jié)特征的電路裝置的新方案，即高精度計算的數(shù)字 圖像的分數(shù)階微積分濾波器。該高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器具有既能分 數(shù)階增強又能分數(shù)階平滑、計算精度高、色彩不失真的顯著優(yōu)點。它的推廣將會對分數(shù)階微 積分在現(xiàn)代信號的分析與處理之中，特別是在數(shù)字圖像信號的分析與處理之中的應用產(chǎn)生 深遠的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是構(gòu)造一種高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器，該濾波 器可以對數(shù)字圖像復雜紋理細節(jié)特征進行高精度分數(shù)階增強或平滑。本發(fā)明的申請人深入 研究了用分數(shù)階微積分增強或平滑數(shù)字圖像紋理細節(jié)特征的基本原理及其運算規(guī)則，在此 基礎上根據(jù)數(shù)字圖像分數(shù)階微積分的性質(zhì)以及數(shù)字圖像處理、數(shù)字電路、串行數(shù)字視頻碼 流的輸入特點，提出了一種高精度分數(shù)階增強或平滑數(shù)字圖像復雜紋理細節(jié)特征的電路裝 置的新方案，即高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器。該高精度計算的數(shù)字圖像 的分數(shù)階微積分濾波器具有既能分數(shù)階增強又能分數(shù)階平滑、計算精度高、色彩不失真的 顯著優(yōu)點。見圖1，該高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器是采用RGB到HSI轉(zhuǎn) 換器9、行存儲器組10、鎖相/移位電路組11、分數(shù)階微積分掩模卷積電路12、最大值比較 器13與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器14以級聯(lián)方式構(gòu)成的。分數(shù)階微積分掩模卷積電路12中的第 一算法單元電路1至第八算法單元電路8采用特有的分數(shù)階微積分掩模卷積算法來實現(xiàn)分 數(shù)階微積分的高精度計算。在具體說明本發(fā)明內(nèi)容之前，有必要對本說明書所用符號涵義及其取值范圍進行 三點說明第1點，沿用傳統(tǒng)圖像處理中習慣用χ和y坐標分別表示圖像像素的縱軸和橫 軸坐標(與歐幾里德空間的一般數(shù)學表示不同，它習慣用χ和y坐標分別表示橫軸和縱軸 坐標)，用S(x, y)表示坐標(X，y)上的像素的灰度值或RGB值；當χ和y取連續(xù)的模擬值 時，S(x，y)表示模擬圖像；當χ和y取離散的數(shù)字值時，S(x，y)表示數(shù)字圖像(χ和y分別 表示行坐標和列坐標)，它是一個像素矩陣；第2點，為了使分數(shù)階微積分掩模(它是一個 (n+2) X (n+2)的方陣)有明確的軸對稱中心，η的最小取值是3，η+2的最大取值小于待進 行分數(shù)階微積分的數(shù)字圖像的尺寸數(shù)Ν(若待進行分數(shù)階微積分的數(shù)字圖像S(x，y)是LXH 的像素矩陣，當L = H時，其尺寸數(shù)N = L ；當L興H時，其尺寸數(shù)N為L和H中的最小值，即 N = min(L, H))，n取[3，min(L，H)-2]之間的任意奇數(shù)，min(L，H)取L和H中的最小值； 第3點，在實際工程應用中，待進行處理的數(shù)字圖像S(x，y)(它是一個LXH的像素矩陣，L 表示S(x，y)的行數(shù)，H表示S(x，y)的列數(shù)，即每行有H個像素，χ取0 (L_l)之間的整 數(shù)，y取0 (H-I)之間的整數(shù))的L行像素的灰度值或RGB值一般不是并行輸入(L行像 素的灰度值或RGB值各行同時輸入)，而是串行輸入(L行像素的灰度值或RGB值一行像素 接一行像素輸入，每行輸入H個像素的灰度值或RGB值，形成串行數(shù)字視頻碼流)圖像處理 裝置；根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點，用Sx(k)表示串行數(shù)字視頻碼流中的像素(下標X表示每一幀數(shù)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(shù)字視頻碼 流的，S(x, y)從它最下面的一行(第L行)開始從下至上輸入，k表示像素Sx(k)在串行 數(shù)字視頻碼流中的像素序號，k從LXH-I開始計數(shù)，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30^，7)，則民&士通士13)對應串行輸入前坐標 (χ士a，y士b)上的像素 S(x士a，y士b)。 見圖1，本發(fā)明的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器是由RGB到HSI轉(zhuǎn) 換器9、行存儲器組10、鎖相/移位電路組11、分數(shù)階微積分掩模卷積電路12、最大值比較 器13與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器14級聯(lián)而成；串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)輸入高精度計算的數(shù)字 圖像的分數(shù)階微積分濾波器后，經(jīng)過RGB到HSI轉(zhuǎn)換器9處理后將灰度值或亮度I分量分 成三路第一路順序經(jīng)過行存儲器組10、鎖相/移位電路組11、分數(shù)階微積分掩模卷積電 路12處理后，分別輸出像素Sx(k+n(H+l))在χ軸負方向、χ軸正方向、y軸負方向、y軸正 方向、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個方向上的ν階分數(shù)階偏微積 分的近似值，再經(jīng)過最大值比較器13處理后，輸出上述8個近似值中的模值最大的值作為 像素Sx(k+n(H+l))的ν階分數(shù)階微積分值近似值Sxw(k+n(H+l))；第二路觸發(fā)時序控制電 路產(chǎn)生相應的時序控制信號；第三路與行存儲器組10的輸出一起饋入鎖相/移位電路組 11生成(2n+l) X (2n+l)的像素陣列。其中，該高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波 器中的分數(shù)階微積分掩模卷積電路12的階次ν可在-m +m之間取分數(shù)或有理小數(shù)值(m 是任意正整數(shù)。由于數(shù)字電路的計算長度有限，當ν為無理小數(shù)時，可以約等于近似的有理 小數(shù))，根據(jù)工程精度的不同要求，階次ν分為三種類型的浮點數(shù)據(jù)，其第一算法單元電路1 至第八算法單元電路8的計算數(shù)據(jù)類型也分為相應三種類型第1種類型，單精度型(占4 個字節(jié)內(nèi)存，計算長度32bit，有效數(shù)字6 7位，計算數(shù)值范圍10_37 IO38)；第2種類型， 雙精度型(占8個字節(jié)內(nèi)存，計算長度64bit，有效數(shù)字15 16位，計算數(shù)值范圍10_3°7 IO308)；第3種類型，長雙精度型(占16個字節(jié)內(nèi)存，計算長度128bit，有效數(shù)字18 19 位，計算數(shù)值范圍10_4931 IO4932)。本發(fā)明提出的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分 濾波器包括下列電路部件，其具體構(gòu)造如下見圖1，根據(jù)處理數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，當處理數(shù)字灰度圖像時，RGB到HSI轉(zhuǎn)換器 9和HSI到RGB轉(zhuǎn)換器14不起任何作用，直接輸出數(shù)字視頻圖像的灰度值；當處理數(shù)字彩 色圖像時，RGB到HSI轉(zhuǎn)換器9將數(shù)字視頻圖像從RGB色彩空間轉(zhuǎn)換到HSI色彩空間之中。 HSI到RGB轉(zhuǎn)換器14將數(shù)字視頻圖像從HSI色彩空間轉(zhuǎn)換到RGB色彩空間之中。見圖1，行存儲器組10由時序控制電路、讀寫地址發(fā)生器以及雙端口 RAM組構(gòu)成； 時序控制電路在輸入數(shù)字視頻流的行、場有效信號的觸發(fā)下產(chǎn)生相應的控制讀寫地址發(fā)生 器、雙端口 RAM組、鎖相/移位電路組11、分數(shù)階微積分掩模卷積電路12與最大值比較器13 操作所需的時序控制信號；讀寫地址發(fā)生器在時序控制信號的作用下產(chǎn)生雙端口 RAM的讀 寫地址，并負責處理讀寫地址初始化和回轉(zhuǎn)的問題；行存儲器組10根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流 的輸入特點，利用當前輸入像素，根據(jù)處理數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，行存儲器組10采用2η個 行存儲器完成2η+1行數(shù)字視頻圖像的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值的獲取。見圖1，鎖相/移位電路組11根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點，利用當前輸入 像素，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，鎖相/移位電路組11共采用3η2+3η個D觸發(fā)器， 通過對數(shù)字灰度圖像或數(shù)字彩色圖像的亮度分量I進行點延時產(chǎn)生計算數(shù)字圖像分數(shù)階微積分所需的(2n+l) X (2n+l)像素陣列；(2n+l) X (2n+l)像素陣列的第1行采用2η個D 觸發(fā)器，第2行采用2η-1個D觸發(fā)器，一直到第η行每行采用D觸發(fā)器的個數(shù)都是逐行減 一，第η行采用η+1個D觸發(fā)器；(2η+1) X (2η+1)像素陣列的第η+1行采用2η個D觸發(fā)器； (2η+1) X (2η+1)像素陣列的第η+2行采用η+1個D觸發(fā)器，第η+3行采用η+2個D觸發(fā)器， 一直到第2η+1行每行采用D觸發(fā)器的個數(shù)都是逐行加一，第2η+1行采用2η個D觸發(fā)器。見圖1，分數(shù)階微積分掩模卷積電路12是本發(fā)明的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù) 階微積分濾波器所有構(gòu)成電路部件中實現(xiàn)數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分最關(guān)鍵的電路部件，也 是本發(fā)明提出該高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器新方案的核心內(nèi)容。為了清 楚說明分數(shù)階微積分掩模卷積電路12的電路構(gòu)成，有必要先對分數(shù)階微積分掩模卷積電 路的運算規(guī)則進行如下簡要說明在歐氏測度下，分數(shù)階微積分最常用的是Grilmwald-Letnikov定義
中，信號S(X)的持續(xù)期為χ e [a, χ]。ν可為任意復數(shù)，本發(fā)明取ν為任意實數(shù)(包括分 數(shù))。表示基于Grilmwald-Letnikov定義的分數(shù)階微分算子。當ν為負實數(shù)時，DG_LV 為分數(shù)階積分算子；當ν為零時，Dg_lv是全通濾波算子，既不微分也不積分；當ν為正實數(shù) 時，為分數(shù)階微分算子。分數(shù)階微積分的Grilmwald-Letnikov定義在歐氏測度下將 整數(shù)階微積分的整數(shù)步長推廣到分數(shù)步長，從而將微積分的整數(shù)階推廣到分數(shù)階。分數(shù)階 微積分的Grilmwald-Letnikov定義的計算簡便易行，它僅僅需要與信號S(X)自身相關(guān)的 JC — Cl
5(>-A:(—f))的離散采樣值，而不需要信號s(x)的導數(shù)與積分值。不失一般性，本發(fā)明令a = 0，將信號S(X)的持續(xù)期χ e [O, χ]進行N等分，
共有Ν+1個節(jié)點。這Ν+1個因果像素點的值分別為Snes(0)，Sh^SU/N)，…，
Sk ^ s (χ-kx/N),…，Sq ^s(X)。其中，k取O N之間的整數(shù)。由于數(shù)字圖像處理
是存儲在介質(zhì)中進行的，另外，由于圖像的邊界可以通過周期開拓的方式將其擴展，所
以我們還可以對數(shù)字圖像中的非因果像素點進行處理。這N+1個非因果像素點的值
分別為 Stl Ξ S (X)，s_! = S (x+x/N)，…，s_k = S (x+kx/N)，…，s_N = s (2x)。基于分
數(shù)階微積分的Grilmwald-Letnikov定義式，當N足夠的大時，可以去掉極限符號，于
是可以推導得
成立。其中，Γ(α) =JVxXa-1辦= (OT-I)!表示Gamma函數(shù)。為了提高收斂速度
和收斂精度，本發(fā)明將
改進為
于是，除了 v =。，士2，士4，...
中還引入了信號s(x)在非 節(jié)點處的信號值。本發(fā)明取信號s(x)的三個相鄰節(jié)點值Μι + :-:) s(x-—)
N N ’ N ,
JC kx
λΓ~ 應用拉格朗日三點插值公式，于是可以推導得 然后，本發(fā)明令
對信號S(X)進行分數(shù)插值，可推導得 進而可推導得
式，它將信號S(X)的分數(shù)階微積分歸結(jié)為簡單的乘法和加法運算，它同時還放寬了分數(shù)階 微積分Griimwald-Letnikov定義中N —①的條件限制。由于計算機或數(shù)字濾波器處理的是數(shù)字量，其值有限；另外，由于圖像信號的灰 度值或亮度分量I值的最大變化量是有限的，數(shù)字圖像的灰度值或亮度分量I值變化發(fā)生 的最短距離是在兩相鄰像素之間，因此二維數(shù)字圖像S (X，y)在X和y軸方向上的持續(xù)時 間(圖像矩陣的尺寸)只可能以像素為單位進行度量，相鄰像素之間的最小距離只可能是 一個像素。s(x，y)的最小等分間隔只可能是一個像素單位。若s(x，y)中變量χ和y的
持續(xù)期分別為
和
，則在χ和y軸方向上的單位等分間隔分別為hx=x/l=1和hy=y/h=1
其最大等分數(shù)分別為
和
可見，對于數(shù)字圖像處 理而言，即使分數(shù)階微積分掩模的尺寸數(shù)大到等于數(shù)字圖像S (X，y)的尺寸數(shù)(即n+2 = N =min (L，H))，也只可能是對其分數(shù)階微積分解析值的最大逼近，而不可能完全等于其分數(shù) 階微積分的解析值。當k = η≤N-I時，可以推導s(x，y)在χ和y坐標軸負方向上分數(shù)階 偏微積分的前n+2項近似后向差分分別為
見圖1，由于在數(shù)字圖像中，鄰域內(nèi)像素與像素之間具有很大的相關(guān)性，為了加強 分數(shù)階微積分掩模卷積電路12的抗圖像旋轉(zhuǎn)性，使其能在8個對稱方向上分別完成對圖像 s(x, y)的分數(shù)階微積分運算，利用s(x，y)在χ和y坐標軸負方向上分數(shù)階偏微積分的前 n+2項近似后向差分，本發(fā)明分別構(gòu)造出在χ軸負方向上的分數(shù)階微積分掩模(用Wx-表示， 見圖2)、y軸負方向上的分數(shù)階微積分掩模(用Wy-表示，見圖4)。另外，χ軸正方向上的分 數(shù)階微積分掩模(用Wx+表示，見圖3)、y軸正方向上的分數(shù)階微積分掩模(用Wy+表示，見 圖5)、左下對角線方向上的分數(shù)階微積分掩模(用Wuid表示，見圖6)、右上對角線方向上的 分數(shù)階微積分掩模(用Wro表示，見圖7)、左上對角線方向上的分數(shù)階微積分掩模(用Wliid 表示，見圖8)、右下對角線方向上的分數(shù)階微積分掩模(用Wkdd表示，見圖9)與^—和^-的 構(gòu)造原理和方法類似，這里不再贅述。本發(fā)明利用上述8個方向上的分數(shù)階微積分掩?？?以分別計算出s(x，y)在χ軸負方向、χ軸正方向、y軸負方向、y軸正方向、左下對角線、右 上對角線、左上對角線和右下對角線8個方向上的ν階分數(shù)階微積分的近似值。為了運算 簡便，本發(fā)明將s (x, y)在上述8個方向上模值最大的ν階分數(shù)階微積分的近似值作為s (χ, y)的ν階分數(shù)階微積分的近似值。見圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8和圖9，Qi是覆蓋在非因果像素點上、=
s(x+x/N)的分數(shù)階微積分掩模系數(shù)值。Ci。是覆蓋在感興趣點S(l = s (χ)上的分數(shù)階微積 分掩模系數(shù)值。當k — η = 1時，本發(fā)明可以構(gòu)造出3X3的分數(shù)階微積分掩模；當k — η =3時，本發(fā)明可以構(gòu)造出5X5的分數(shù)階微積分掩模；當k — η = 2m-l時，本發(fā)明可以構(gòu) 造出(n+2) X (n+2) = (2m+l) X (2m+l)的分數(shù)階微積分掩模，其中η取奇數(shù)，m取自然數(shù)。 本發(fā)明的分數(shù)階微積分掩模系數(shù)值分別為


本發(fā)明的(n+2)X(n+2)分數(shù)階微積分掩模是一個稀疏矩陣，它的掩模系數(shù)是n+2個非零 值，它們都是分數(shù)階微分階次v的函數(shù)?？梢宰C明上述n+2個分數(shù)階微積分掩模系數(shù)之和不 等于零，這是圖像分數(shù)階微積分掩模與圖像整數(shù)階微積分掩模在特性上的顯著區(qū)別之一。由于計算機或數(shù)字濾波器的數(shù)字圖像處理是以對離散像素直接處理為基礎的，所 以分數(shù)階微積分掩模的數(shù)值運算規(guī)則也同樣采用分數(shù)階微積分掩模卷積的空域濾波方案， 這種空間濾波的方式就是在待處理的數(shù)字圖像中逐點移動并對應積和分數(shù)階微積分掩模。 分數(shù)階微積分掩模卷積電路12的運算規(guī)則是采用分數(shù)階微積分掩模卷積的方案來實現(xiàn)數(shù) 字圖像分數(shù)階微積分的空域濾波，適合用硬件電路實現(xiàn)對數(shù)字圖像信號進行相應處理。分 數(shù)階微積分掩模卷積電路12針對數(shù)字灰度圖像和數(shù)字彩色圖像的運算規(guī)則是A.分數(shù)階微積分掩模卷積電路12針對數(shù)字灰度圖像的運算規(guī)則。在LXH的數(shù) 字灰度圖像s(x，y)中，用本發(fā)明的(n+2) X (n+2) = (2m+l) X (2m+l)的分數(shù)階微積分掩模 在上述8個方向上進行卷積濾波，ffxMx\ffyMy\ffLDD>ffEUD>ffLim和W 的數(shù)值運算規(guī)則分別 為



B.分數(shù)階微積分掩模卷積電路12針對數(shù)字彩色圖像的運算規(guī)則。由于數(shù)字彩色 圖像s(x，y)中各像素的RGB各分量之間存在相關(guān)性，并且其值一般限制在
之間， 因此，分數(shù)階微積分會破壞R、G、B三個分量的相關(guān)性，經(jīng)過分數(shù)階微積分處理的彩色圖像 可能出現(xiàn)色彩失真?；谏鲜鲈?，本發(fā)明僅在HSI色彩空間中處理數(shù)字彩色圖像的亮度 分量I值的分數(shù)階微積分。分數(shù)階微積分掩模卷積電路12針對數(shù)字彩色圖像的亮度分量 I值的運算規(guī)則與其針對數(shù)字灰度圖像的運算規(guī)則和參數(shù)相同。下面具體說明分數(shù)階微積分掩模卷積電路12的電路結(jié)構(gòu)見圖1，分數(shù)階微積分 掩模卷積電路12由8個并行計算的特定的第一算法單元電路1至第八算法單元電路8構(gòu) 成；第一算法單元電路1至第八算法單元電路8分別計算數(shù)字視頻圖像各像素的灰度值或 HSI色彩空間中的亮度分量I值在x軸負方向、x軸正方向、y軸負方向、y軸正方向、左下 對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個方向上的v階分數(shù)階微積分的近似值。見圖1和圖10，每個算法單元電路由與分數(shù)階微積分掩模尺寸數(shù)相同的n+2個第 一乘法器至第七乘法器15 21與一個加法器22構(gòu)成；這n+2個乘法器的非零權(quán)值按順序
分別是
加法器22的輸出值饋入最大值比較器13。見圖1，分數(shù)階微積分掩模卷積電路12由如下8個并行計算的特定的第一算法單 元電路1至第八算法單元電路8構(gòu)成第一算法單元電路1計算像素民&+1101+1))在x軸負方向上的v階分數(shù)階 偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值
V V2
與權(quán)值一 +——分別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l))
4 8
.2
.3
的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1---分別饋入第二乘法
2 8
器16，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l)-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮
5v 5v3 “4 --+——+
4 16 16
度分量I值與權(quán)值
-分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22 ；
16以此類推，若l≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+I)一iN)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量1值與權(quán)值
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22；以此類推，像素Sx(k+n(H+I)一(n一2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
刀分別饋入第五乘法器19，相乘后饋入加法器22；像素S。(k+n(H+I)一(n—1)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量l值與權(quán)值
分別饋入第六乘法器20，相乘后饋入加法器22；像素S、(k+n(H+I)一nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
入第七乘法器2¨睬后饋Aj0法器22。
第二算法單元電路2計算像素S、(k+n(H+／))在X軸正方向上的V階分數(shù)階偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+I)一H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值v/4+v2/8分別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22；像素S、(k+n(H+I)) 的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1-v2/2-v3/8分別饋入第二乘法 器16，相乘后饋入加法器22；像素Sx(k+n(H+I)+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量工值與權(quán)值-5v/4+5v3/16+v4/16分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22；以此類推，若l≤i≤n+2，像素S、(k+n(H+I)+iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量l值與權(quán)值
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22；以此類推，像素Sx(k+n(H+I)+(n一2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
入第五乘法器19，相乘后饋入加法器22；像素Sx(k+n(H+I)+(n一1)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量l值與權(quán)值
分別饋入第六乘法器20，相乘后饋入加法器22；像素SX(k+n(H+I)+nil)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量1值與權(quán)值
分別饋入第七乘法器21，相乘后饋入加法器22。 第三算法單元電路3計算像素民&+1101+1))在y軸負方向上的v階分數(shù)階 偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值 V V2
與權(quán)值一+——分別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1-v2/2-v3/8分別饋入第二乘法器16，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l)-l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值-5v/4+5v3/16+v4/16分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)-i)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l)-(n-2))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第五
乘法器19，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx (k+n (H+l) - (n-1))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第六乘法器
20，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)-n)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第七乘法器21，相乘后饋入加法器22。 第四算法單元電路4計算像素民&+1101+1))在y軸正方向上的v階分數(shù)階 偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)_l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值 V V2
與權(quán)值v/4+v2/8別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值-5v/4+5v3/16+v4/16分別饋入第二乘法 器16，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l)+l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮
度分量I值與權(quán)值55v/4+5v3/16+v4/16 分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)+i)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l) + (n-2))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第五乘法器19，相乘后饋入加法器22 ;像素民&+1101+1) + (11-1))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第六乘法器
20，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)+n)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I
值與權(quán)值
分別饋入第七乘法器21，相乘后饋入加法器22。
第五算法單元電路5計算像素Sx(k+n(H+l))在左下對角線方向上的v階分數(shù) 階偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I V v2
值與權(quán)值一 +——分別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l))
2 3
的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1 一^■一分別饋入第二乘法器
2 8
16，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)-l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度 5v 5v3 v4
分量I值與權(quán)值-5v14+5v3/16+v4/16分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)-i+iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度
分量I值與權(quán)值
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l)-(n-2) + (n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第五
乘法器19，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx (k+1) - (n-1) + (n-1) H)的灰度值或HSI色彩空間
中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第六乘法
器20，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx (k+n (H+l) -n+nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度
分量I值與權(quán)值
分別饋入第七乘法器21，相乘后饋入加法器22。
第六算法單元電路6計算像素Sx(k+n(H+l))在右上對角線方向上的v階分數(shù) 階偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)-l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I V V2
值與權(quán)值一 +——分別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l)) 4的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1 一^■一i分別饋入第二乘法器16，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)+l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值-二+ H + L分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)+i-iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度
分量I值與權(quán)值
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l)+n-2)-(n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第五
乘法器19，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l) + (n-l)-(n-l)H)的灰度值或HSI色彩空
間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第六乘法器20，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)+n-nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮
度分量I值與權(quán)值
分別饋入第七乘法器21，相乘后饋入加法器22。 第七算法單元電路7計算像素Sx(k+n(H+l))在左上對角線方向上的v階分數(shù) 階偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I V V2
值與權(quán)值一 +——分別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l)) 4 8
的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1 一^■一1分別饋入第二乘法器16，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l)-l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值-二+ H + L分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22 ；以
各此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)-i-iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度
分量I值與權(quán)值
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，像素Sx(k+n(H+l)-(n-2)-(n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
乘法器19，相乘后饋入加法器22 ;像素民(1^01+1)-(11-1)-(11-1)!1)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值,
分別饋入第六乘法器20，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)-n-nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值,
分別饋入第七乘法器21，相乘后饋入加法器22。 第八算法單元電路8計算像素Sx(k+n(H+l))在右下對角線方向上的ν階分數(shù)
階偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)-l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I 2
值與權(quán)值二+ 分別饋入第一乘法器15，相乘后饋入加法器22;像素Sx(k+n(H+l)) 4 8的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1----分別饋入第二乘法器16，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)+l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值+ 分別饋入第三乘法器17，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，若1 ≤ i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)+i+iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度
分別饋入第四乘法器18，相乘后饋入加法器22 ；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l) + (n-2) + (n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值分別
饋人弟五
乘法器19，相乘后饋入加法器22 ;像素民Sx(k+n(H-l)+n-nH)的灰度值或HSI色彩空
間中的亮度分量I值與權(quán)值,
分別饋入第六乘法器20，相乘后饋入加法器22 ；像素Sx(k+n(H+l)+n+nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值
分別饋入第七乘法器21，相乘后饋入加法器22。 見圖1，最大值比較器13將分數(shù)階微積分掩模卷積電路12的第一算法單元電路1 至第八算法單元電路8輸出值中模值最大的值作為像素Sx(k+n(H+l))的ν階分數(shù)階微積 分的近似值。最大值比較器13有8路輸入，1路輸出，分別饋入第一算法單元電路1至第八 算法單元電路8的輸出值，輸出上述8個饋入值中的模值最大的值。
下面結(jié)合附圖和電路裝置實例詳細說明本發(fā)明的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù) 階微積分濾波器的新方案


圖1是本發(fā)明的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器的電路結(jié)構(gòu)示意 圖。圖2是第一算法單元電路1的在χ軸負方向上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖3是第二算法單元電路2的在χ軸正方向上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖4第三算法單元電路3的在y軸負方向上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖5是第四算法單元電路4的在y軸正方向上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖6是第五算法單元電路5的在左下對角線上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖7是第六算法單元電路6的在右上對角線上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖8是第七算法單元電路7的在左上對角線上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖9是第八算法單元電路8的在右下對角線上的分數(shù)階微積分掩模(n+2) X (n+2) 方陣示意圖。圖10是第一算法單元電路1至第八算法單元電路8共同的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖11是當在χ軸負方向、χ軸正方向、y軸負方向、y軸正方向、左下對角線、右上 對角線、左上對角線和右下對角線8個方向上的ν階分數(shù)階微分掩模都是5X5的方陣時的 高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器電路示意圖。其中，1是第一算法單元電路；2是第二算法單元電路；3是第三算法單元電路；4 是第四算法單元電路；5是第五算法單元電路；6是第六算法單元電路；7是第七算法單元 電路；8是第八算法單元電路；9是RGB到HSI轉(zhuǎn)換器；10是行存儲器組；11是鎖相/移位 電路組；12是分數(shù)階微積分掩模卷積電路；13是最大值比較器；14是HSI到RGB轉(zhuǎn)換器； 15是第一乘法器；16是第二乘法器；17是第三乘法器；18是第四乘法器；19是第五乘法 器；20是第六乘法器；21是第七乘法器；22是加法器；23 28是功能和參數(shù)相同的行存 儲器；29是與13功能和參數(shù)相同的最大值比較器；A點是高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器的串行數(shù)字視頻碼流Sx (k)的輸入點；B點是權(quán)值
的輸入點；C點是權(quán)值
的輸入點；E點是權(quán)值
的輸入點；F點是權(quán)值1 一^■一二的輸入點；G點是權(quán)值二 + L的 4 16 162 84 8
輸入點；H點是像素Sx(k+3H+3)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值的輸出點。上
述第一算法單元電路至第八算法單元電路分別輸出像素Sx(k+n(H+l))在χ軸負方向、χ軸
正方向、y軸負方向、y軸正方向、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個方
向上的ν階分數(shù)階偏微積分的近似值。
具體實施例方式現(xiàn)舉例介紹如下見圖1和圖11，在工程實際應用中，高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾 波器中的分數(shù)階微積分掩模卷積電路12的運算規(guī)則常采用5X5的分數(shù)階微積分掩模卷 積的方案來實現(xiàn)對數(shù)字圖像的像素S(x，y)的ν階分數(shù)階偏微積分，階次ν —般在_2 +2之間取分數(shù)或有理小數(shù)值，由上述說明可知在χ軸負方向、χ軸正方向、y軸負方向、 y軸正方向、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個方向上的ν階分數(shù) 階微積分掩模(Wx_、\\ Wy_、Wy+、ffLDD, Wro、Wum和Wkdd)的尺寸數(shù)n+2 = 5，上述8個方向上
22 3
的ν階分數(shù)階微積分掩模中的5個非零系數(shù)值按順序分別是
其中
中行存儲器組10采用2n|n = 3 = 6個行存儲器完成2η+1 |η = 3 = 7行數(shù)字視頻圖像的灰度 值或亮度分量I值的獲取；其中鎖相/移位電路組11共采用3η2+3η|η = 3 = 36個D觸發(fā) 器，通過對數(shù)字灰度圖像或數(shù)字彩色圖像的亮度分量I進行點延時產(chǎn)生計算數(shù)字圖像分數(shù) 階微積分所需的(2η+1) X (2η+1) |η = 3 = 7X7像素陣列；其中第一算法單元電路1至第 八算法單元電路8共有8 X (n+2) -7 I n = 3 = 33個乘法器，每個算法單元電路中(n+2) | n = 3
=5個乘法器的非零權(quán)值按順序分別是^+f ι--~一— -Ix+i^l+zl
4 8、 2 8、4 16 16
Γ(2-ν) ν2) Γ( -ν) ( ν ν2 ^ Γ(2-ν) (ν ν2λ ^ a ^ m
^vw V 1—- + \ Λ --+—和丄V --+—。于是，如圖11所不，按
2·Γ(-ν) Iv 4 J Γ(-ν) ^ 4 8 J 2·Γ(-ν) Iv 4 8 J
照本說明書的發(fā)明內(nèi)容中所詳細說明的本發(fā)明的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分 濾波器的級聯(lián)電路結(jié)構(gòu)及其RGB到HSI轉(zhuǎn)換器9、行存儲器組10、鎖相/移位電路組11、分 數(shù)階微積分掩模卷積電路12、最大值比較器13和HSI到RGB轉(zhuǎn)換器14的具體電路結(jié)構(gòu)和 電路參數(shù)，就可以方便地構(gòu)造出該高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器的具體電 路。在不影響準確表述的前提下，為了更加清晰明了地描述其中的第一算法單元電路1至 第八算法單元電路8的具體電路，圖11未畫出其中的時序控制電路及其被觸發(fā)產(chǎn)生的時序 控制信號。
權(quán)利要求
一種高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器，其特征在于它是由RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(9)、行存儲器組(10)、鎖相/移位電路組(11)、分數(shù)階微積分掩模卷積電路(12)、最大值比較器(13)與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(14)級聯(lián)而成；串行數(shù)字視頻碼流Sx(k)輸入高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器后，經(jīng)過RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(9)處理后將灰度值或亮度I分量分成三路第一路順序經(jīng)過行存儲器組(10)、鎖相/移位電路組(11)、分數(shù)階微積分掩模卷積電路(12)處理后，分別輸出像素Sx(k+n(H+1))在x軸負方向、x軸正方向、y軸負方向、y軸正方向、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個方向上的v階分數(shù)階偏微積分的近似值，再經(jīng)過最大值比較器(13)處理后，輸出上述8個近似值中的模值最大的值作為像素Sx(k+n(H+1))的v階分數(shù)階微積分值近似值Sx(v)(k+n(H+1))；第二路觸發(fā)時序控制電路產(chǎn)生相應的時序控制信號；第三路與行存儲器組(10)的輸出一起饋入鎖相/移位電路組(11)生成(2n+1)×(2n+1)的像素陣列。其中，k的取值由L×H-1逐次減一，直至為零；L的取值等于待進行分數(shù)階微積分的數(shù)字圖像行數(shù)的正整數(shù)；H的取值等于待進行分數(shù)階微積分的數(shù)字圖像列數(shù)的正整數(shù)；n取[3，min(L，H)-2]之間的任意奇數(shù)，min(L，H)取L和H中的最小值；v取[-m，m]之間的任意分數(shù)或有理小數(shù)值，m取任意正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器，其特征 在于當處理數(shù)字灰度圖像時，其中的RGB到HSI轉(zhuǎn)換器(9)和HSI到RGB轉(zhuǎn)換器(14)不 起任何作用，直接輸出數(shù)字視頻圖像的灰度值；當處理數(shù)字彩色圖像時，其中的RGB到HSI 轉(zhuǎn)換器(9)將數(shù)字視頻圖像從RGB色彩空間轉(zhuǎn)換到HSI色彩空間之中，HSI到RGB轉(zhuǎn)換器 (14)將數(shù)字視頻圖像從HSI色彩空間轉(zhuǎn)換到RGB色彩空間之中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器，其特征 在于其中的行存儲器組(10)由時序控制電路、讀寫地址發(fā)生器以及雙端口 RAM組構(gòu)成； 時序控制電路在輸入數(shù)字視頻流的行、場有效信號的觸發(fā)下產(chǎn)生相應的控制讀寫地址發(fā)生 器、雙端口 RAM組、鎖相/移位電路組(11)、分數(shù)階微積分掩模卷積電路(12)與最大值比 較器(13)操作所需的時序控制信號；讀寫地址發(fā)生器在時序控制信號的作用下產(chǎn)生雙端 口 RAM的讀寫地址，并負責處理讀寫地址初始化和回轉(zhuǎn)的問題；行存儲器組(10)根據(jù)串行 數(shù)字視頻碼流的輸入特點，利用當前輸入像素，根據(jù)處理數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，行存儲器組 (10)采用2n個行存儲器完成2n+l行數(shù)字視頻圖像的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量 I值的獲取。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器，其特征 在于其中的鎖相/移位電路組(11)根據(jù)串行數(shù)字視頻碼流的輸入特點，利用當前輸入像 素，根據(jù)處理的數(shù)字圖像的性質(zhì)不同，鎖相/移位電路組(11)共采用3n2+3n個D觸發(fā)器， 通過對數(shù)字灰度圖像或數(shù)字彩色圖像的亮度分量I進行點延時產(chǎn)生計算數(shù)字圖像分數(shù)階 微積分所需的(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個D 觸發(fā)器，第2行采用2n-l個D觸發(fā)器，一直到第n行每行采用D觸發(fā)器的個數(shù)都是逐行減 一，第n行采用n+1個D觸發(fā)器；(2n+l) X (2n+l)像素陣列的第n+1行采用2n個D觸發(fā)器； (2n+l) X (2n+l)像素陣列的第n+2行采用n+1個D觸發(fā)器，第n+3行采用n+2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(shù)都是逐行加一，第2n+l行采用2n個D觸發(fā)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器，其特征=在于其中的分數(shù)階微積分掩模卷積電路(12)由8個并行計算的特定的第一算法單元電路 (1)至第八算法單元電路(8)構(gòu)成；第一算法單元電路(1)至第八算法單元電路(8)分別 計算數(shù)字視頻圖像各像素的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值在x軸負方向、x軸 正方向、y軸負方向、y軸正方向、左下對角線、右上對角線、左上對角線和右下對角線8個方 向上的v階分數(shù)階微積分的近似值；每個算法單元電路由與分數(shù)階微積分掩模尺寸數(shù)相同 的n+2個第一乘法器至第七乘法器(15 21)與一個加法器(22)構(gòu)成；這n+2個乘法器的非零權(quán)值按順序分別是 ；加法器(22)的輸出值饋入最大值比較器(13)；分數(shù)階微積分掩模卷積電路(12)由如下8個并行 計算的特定的第一算法單元電路(1)至第八算法單元電路(8)構(gòu)成第一算法單元電路(1)計算像素民&+1101+1))在x軸負方向上的v階分數(shù)階偏微 積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第二乘法器(16)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)-iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx (k+n(H+l)-(n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-(n-l)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(n+l)-nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入加法器(22)；第二算法單元電路(2)計算像素民&+1101+1))在x軸正方向上的v階分數(shù)階偏微 積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 V V2—+——分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的灰 4 8度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1---分別饋入第二乘法器(16)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)；量I值與權(quán)值-以此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)+iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l) + (n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l) + (n-l)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入加法器(22)；第三算法單元電路(3)計算像素民&+1101+1))在y軸負方向上的v階分數(shù)階偏微 積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 V V2—+——分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1 一^■一i分別饋入第二乘法器(16)， 相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值-5v/4+5v3/16+v4/16分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，若1≤i≤n+2,像素Sx(k+n(H+l)-i)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l)-(n-2))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22);像素民0^01+1)-(11-1))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-n)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入加法器(22)；第四算法單元電路⑷計算像素民&+1101+1))在y軸正方向上的v階分數(shù)階偏微 積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)-l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值v/4+v2/8分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值11-v2/2-v3/8分別饋入第二乘法器(16)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+l)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分 5v 5v3量I值與權(quán)值-5v/4+5v3/16+v4/16分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，若1≤i≤n+2,像素Sx(k+n(H+l)+i)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l) + (n-2))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22);像素民0^01+1) + (11-1))的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+n)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入加法器(22)；第五算法單元電路(5)計算像素民Sx(k+n(H+1))在左下對角線方向上的v階分數(shù)階偏 微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與 權(quán)值 v/4+v2/8分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的 4 8 灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 1-v2/2-v3-8分別饋入第二乘法器(16)， 相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分 量I值與權(quán)值-5v/4+5v3/16+v4/16 分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)； 以此類推，若1≤i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)-i+iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值. 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l)-(n-2) + (n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22);像素&0^01+1)-(11-1) + (11-1)11)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值_ 分別饋入第六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-n+nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入加法器(22)；第六算法單元電路(6)計算像素民&+1101+1))在右上對角線方向上的v階分數(shù)階偏 微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)-l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與 權(quán)值v/4+v2/8分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的 灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 1-v2/2-v3/8分別饋入第二乘法器(16)， 相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值-5v/2+5v3/16+v4/16分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，若≤≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)+i-iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量 I 值與權(quán)值 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l) + (n-2)-(n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22);像素Sx(k+n(H+1) + (n-1)-(n-1)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán) 分別饋入第六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+n-nH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入加法器(22)；第七算法單元電路(7)計算像素Sx(k+n(H+1)在左上對角線方向上的ν階分數(shù)階偏 微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)+l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值v/4+v2/8分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的 灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1-v2/2-v3/8分別饋入第二乘法器(16)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分 5ν 5ν3 ν4量I值與權(quán)值-5v/4+5v3/16+v4/16分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)； 4 16 16以此類推，若1 ≤ i≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)-i-iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量 I 值與權(quán)值 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l)-(n-2)-(n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 計分別饋入第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22);像素Sx(k+n(H+l)-l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量ι值與權(quán)值 分別饋入第 六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)-n-nH)的灰度值或HSI色彩空 間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入 加法器(22)；第八算法單元電路(8)計算像素民&+1101+1))在右下對角線方向上的ν階分數(shù)階偏微積分的近似值；像素Sx(k+n(H+l)-l-H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與 2權(quán)值二+ L分別饋入第一乘法器(15)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l))的 灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值1-2/-v3/8分別饋入第二乘法器(16)， 相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+l+H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分 5ν 5ν3 ν4量I值與權(quán)值-5VV 、4+5v3/16+v416分別饋入第三乘法器(17)，相乘后饋入加法器(22)； 4 16 16以此類推，若1 ≤i ≤n+2，像素Sx(k+n(H+l)+i+iH)的灰度值或HSI色彩空間中的亮 度分量 I 值與權(quán)值 分別饋入第四乘法器(18)，相乘后饋入加法器(22)；以此類推，像素 Sx(k+n(H+l) + (n-2) + (n-2)H)的灰度值或HSI色彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋如第五乘法器(19)，相乘后饋入加法器(22);像素民(1^01+1) + (11-1) + (11-1)!1)的灰度值或HSI色 彩空間中的亮度分量I值與權(quán)值 分別饋入第 六乘法器(20)，相乘后饋入加法器(22)；像素Sx(k+n(H+l)+n+nH)的灰度值或HSI色彩空 間中的亮度分量I值與權(quán)值, 分別饋入第七乘法器(21)，相乘后饋入 加法器(22)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器，其特征 在于其中的最大值比較器(13)將分數(shù)階微積分掩模卷積電路(12)的第一算法單元電路 (1)至第八算法單元電路(8)輸出值中模值最大的值作為像素Sx(k+n(H+l))的ν階分數(shù)階 微積分的近似值。最大值比較器(13)有8路輸入，1路輸出，分別饋入第一算法單元電路 (1)至第八算法單元電路⑶的輸出值，輸出上述8個饋入值中的模值最大的值。
全文摘要
本發(fā)明所提出的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器是一種對數(shù)字圖像復雜紋理細節(jié)特征進行高精度分數(shù)階增強或平滑的電路裝置。該濾波器是采用RGB到HSI轉(zhuǎn)換器、行存儲器組、鎖相/移位電路組、分數(shù)階微積分掩模卷積電路、最大值比較器與HSI到RGB轉(zhuǎn)換器以級聯(lián)方式構(gòu)成的。分數(shù)階微積分掩模卷積電路中的第一算法單元電路至第八算法單元電路采用特有的分數(shù)階微積分掩模卷積算法來實現(xiàn)分數(shù)階微積分的高精度計算。本發(fā)明所提出的高精度計算的數(shù)字圖像的分數(shù)階微積分濾波器特別適用于對高清晰數(shù)字電視、生物醫(yī)學圖像、銀行票據(jù)、衛(wèi)星遙感圖像和生物特征圖像等的復雜紋理細節(jié)特征進行高精度分數(shù)階增強或平滑的應用場合。
文檔編號H04N5/21GK101848319SQ20101013874
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者蒲亦非 申請人:蒲亦非