CN1079555C - 图象处理***的边缘检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于图象处理***的边缘检测装置与方法。该装置包括一个用于输入象素数据变换为多态值的变换装置，一个用于计算这些多态值与预先规定的值的内积的匹配装置。以及一个用于根据内积的结果作出一个判定的判定装置，该装置能够不用附加低通滤波器而除去噪声。因此，它简化了硬件并能进行实时处理。

Description

图象处理***的边缘检测 方法与装置

本发明涉及一种图象处理***，更具体地涉及采用多态线性阈值逻辑元件的一种图象处理***的一种边缘检测方法与装置。

在本发明最重要的应用领域之一的一种图象信号处理***中，建议了一种预处理，因为它能够以消除诸如噪声之类的图象处理中的有害因素而提高检测运动矢量的精度。预处理也能以将一个高分辨率图象，通常以8个比特一个象素表示，映射为以少于8个比特一个象素表示的一种不同类型的图象来减轻计算负担。

已为上述目的提出过多种预处理。例如，Uomori等人在“全数字信号处理的自动图象稳定***”中采用抽取代表点(BERP)法，载于IEEE用户电子学报，36卷，3号，(510-519页)，1990年8月出版，它可认为是一种带通滤波方法。虽然BERP方法能够有效地滤去极高空间频率成分，例如噪声，以及低频成分，诸如强度平坦区，但它仍然需要两个以上比特每一象素来表示BERP图象。然而，检测到的边缘信息可以每一象素一个比特来表示。从而，该边缘检测方法可以简化硬件。边缘检测有多种方案，诸如：(i)采用图象空间梯度，(ii)使用拉普拉斯算子，(iii)使用平均值的差，(iv)与一个事先规定的模式匹配或拟合，以及(v)检测用图象中的高斯拉普拉斯算子滤波的零交义。(i)-(iv)中列举的边缘检测器的两大缺点是由于它们检测图象信号中的高频成分，所以它们只对某些图象工作得很好，但当噪声存在时边缘检测的性能明显地降低。另一方面，方案(v)具有噪声降低效应但也有在消除大量噪声时计算量显著增加的潜在缺点。即，由于噪声与边缘信息位于不同的高频区域，方案(v)需要更强的低通滤波来完全地检测边缘。所以用于边缘检测的窗口必将进一步加大。

从而，本发明的一个目的为提供一种既能降低噪声又不增大窗口大小的边缘检测方法。

本发明的另一目的为提供一种能简化硬件实现並进行实时操作的边缘检测装置。

为了实现第一目的，本发明的一种边缘检测方法包括下述步骤：

将输入象素数据变换成一个多态值集合；

计算所述多态值集合与一个预先规定的值的集合的一个内积；以及

根据所述内积的结果作出判定。

为了实现第二目标，本发明的一种边缘检测装置包括：

一个变换装置，用于将输入象素数据变换成多态值；

一个匹配装置，用于计算所述多态值与预定值的一个内积；以及

一个判定装置，用于根据所述内积的结果作出一个判定。

图1为示出根据本发明的一个图象处理***的一种边缘检测装置的信号流的流程图。

图2为示出根据本发明的边缘检测装置的方框图。

图3为示出根据本发明的边缘检测装置的一个较佳实施例的方框图。

图4为示出根据本发明的边缘检测装置的编码电路的方框图。

图5示出用于本发明的内积的预定边缘模式。

图6A示出用于根据本发明的边缘检测装置的一个匹配装置计算内积W₁，V的电路。

图6B示出用于根据本发明的边缘检测装置的匹配装置计算内积W₂，V的电路。

图6C示出用于根据本发明的边缘检测装置的匹配装置计算内积W₃，V的电路。

图6D示出用于根据本发明的边缘检测装置的匹配装置计算内积W₄，V的电路。

图7为根据本发明的边缘检测装置的W与V的内积输出的真值表。

图8示出用于在根据本发明的边缘检测装置中获得内积的卡诺图与特征等式。

图9为根据本发明的边缘检测装置的匹配装置的绝对值电路的一个逻辑电路图。

图10为根据本发明的边缘检测装置的判定电路的一个逻辑电路图。

图11为用于说明根据本发明的边缘检测装置的操作的时序图。

本发明基于多态线性阈值逻辑的线性可分性。它可以以下述定义与定理说明。二值输入的线性可分性已在P.M.LewiSII与C.L.Coates的《阈值逻辑》，John wiley aud Sons(约维兰父子出版公司)。1967出版中讨论过。这里首先给出多态输入的一个线性可分函数的定义。

令P为一个L维矢量的集合，P中任何一个矢量的各分量取值{-j，…，-1，0，1，…，k}中M＝j+k+l个值之一，也就是说，

P＝{X｜X_iε{-j，…，-1，0，1，…，k}，i＝1，…，L}。

此时，P中的不同矢量数为M^L，而我们称-j与k为输入状态的极端值。令P₀与P₁为P的两个互不相交的子集且P₀ UP₁＝P。

给定加权矢量W，以 $F\left(X\right)={\&lsqb;}_{0W^{T}X<\mathrm{\&theta;}}^{1W^{T}X\&GreaterEqual;\mathrm{\&theta;}}$ 这里θ为一阈值，定义的一个逻辑函数F当且仅当

W^TX＞W^TY，XεP₁，与YεP₀时属于线性可分类型。

多态线性可分性分析通常是复杂的工作。然而，根据下述定理，将用于所提出的边缘检测器的一种特殊类型的逻辑函数可表示为线性可分的。

令X为-L维输入矢量，其分量均为极端值且令P₁＝{X}与P₀＝P-{X}，即

P₁＝{X|X_iε{-j，k}，i＝1，…，L}以及P₀＝P-P₁，其中P、-j与k由上述定义给定。则存在一线性可分函数F，将输入矢量X与其它矢量分离。

上述定理的证明如下。我们使用上述定义来证明这一定理並揭示存在着一个加权矢量W满足

W^TX＞W^TY，XεP₁与YεP₀。让我们来考虑下述加权矢量 $W_i={[}_{-1,X_i=-j,}^{1,X_i=k,}i=1,...,L$ 。则下述不等式成立

W_iX_i≥W_iY_i，_i，对于i＝1，…L这些不等式求和，可得

W^TX＞W^TY，因为至少对于一个i，等号不成立。

我们还可以考虑一个集合P_-1＝{-X}，其中X与W各自在上述等式中定义。则我们可得一种多态输入的多畴判别式函数，诸如

W^T(-X)＜W^TY＜W^TXTεP₀。

为了使用多态线性阈值逻辑于边缘检测，我们必须将一个象素的连续亮度值映射到若干离散状态上。

让我们使用一个1×1局部窗口来在一个给定的象素位置上检测一条边缘。假定图象的大小为n＝n₁×n₂。令Xi，i＝1，…，r为字典式排序的图象中的第i个象素值，且Zj，j＝1，…r，为以Xi为中心的局部窗口中的字典式排序的象素值中的第j个象素值，其中r＝1×1。则对于对应于Xi的局部窗口，Zj可以用映射

Z_j＝X_k，j＝1，…，r获得，其中

K＝i+{(j-1)/₁-1/2}n₂+{(j-1)modl-l/2}。符号l/2表示商的整数部分，而i mod l等于整数i被整数l除的余数的值。

得到一维数值Zj以后，对应于第i个象素的局部平均值等于 $M_i=\frac{1}{r}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_j$ 然后将对多态线性阈值逻辑的第j个输入状态V_j定义为

其中ε为对燥声数据的防护。要抑制的噪声量越大，ε应当越大。

我们定义四对双向边，其方向分别为0与180，90与270，45与225，以及135与315度。

首先，以局部窗口中自右至左的递增输入状态定义一条右边。例如，对于l＝3，右边及其对边，左边，分别由 $\left[\begin{array}{c}1x-1\\ 1x-1\\ 1x-1\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{c}-1x1\\ -1x1\\ -1x1\end{array}\right]$ 给定，其中X表示任意状态。

以上、下两边表示的第二对边以相同的方法定义，即 $\left[\begin{array}{ccc}-1& -1& -1\\ x& x& x\\ 1& 1& 1\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ x& x& x\\ -1& -1& -1\end{array}\right]$

以右上与左下两边表示的第三对边，由下式给出 $\left[\begin{array}{ccc}x& -1& -1\\ 1& x& -1\\ 1& 1& x\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{ccc}x& 1& 1\\ -1& x& 1\\ -1& -1& x\end{array}\right]$

最后，以左上与右下两边表示的第四对边由下式给出 $\left[\begin{array}{ccc}-1& -1& x\\ -1& x& 1\\ x& 1& 1\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{ccc}1& 1& x\\ 1& x& -1\\ x& -1& -1\end{array}\right]$

例如，对于l＝5，右边在第一列中为1，在最后一列中为-1，而在其余的列中为X(任意)。

使用上面提供的多畴判别式函数(W^T(-X)＜W^TY＜W^TX，YεP₀)，右、左两边能用同一加权矢量，以W_表示，检测出，因为它们是由极端值组成的且左边与右边的绝对值相等而符号相反。以同样方式，上、下两边，右上与左下两边，以及左上与右下两边分别以W₁、W/及W、检测。如上述定理所揭示，例如对于l＝3的一个用于检测右边或左边的可能的加权矢量等于

W_＝〔1X-11X-11X-1〕^T。明显地，以这一等式为基础，其余的加权矢量，即W₁、W/与W、可以将W_的元素进行适当的排列面而得到。

另一方面，LMS算法也可用于求得加权矢量。

基于对边的上述定义，边是以将四种多态线性阈值逻辑的输出与适当地排成序列的加权矢量进行或运算而检测的。完整的边缘检测过程以下述算法描述。

1.选择局部窗口的大小l。

2.对于i＝1，…，n执行

    2. 1构成Z

    2. 2计算输入状态V，设置V₀＝l。

    2. 3计算四个内积

与

如

    果它们中至少有一个大于或等于输出阈值θ，或小于

    或等于-θ。在这种情况中或门的输出为l。而在位

    置i检测到一条边缘，否则，不存在边缘。在实现上述算法中，使用了下面给出的非线性函数g(·)，

其中θ为一阈值。在使用上述加权矢量时，θ设置为等于6。

关于框的大小的选择，必须注意以下各方面。由于上述算法中步骤2. 2中的局部求平均值运算，框越大对噪声的控制越好。然而，增加框的大小有两个缺点，即，(i)对于不在0、45、90、135、180、225、270与315度方向上的边缘更难于检测，以及(ii)由于多态线性阈值逻辑需要更多的输入，要求更多的连接与计算。l＝3的框大小显示出非常有效，基于该窗口对于任何向上的边缘是最敏感的一个，由于它是最小的对称窗口。

图1是展示根据本发明的边缘检测方法中的一个信号流的流程图。应用图1，3以直接进行软件实现。在第一步骤，下标i表示字典式排序的象素位置。在第二步骤，取以第i个象素X_i为中心的局部图象模式的邻接点Z_j，j＝1，…，m。在第三步骤，Z_j表示在包含第i个象素X_i的一个局部窗口中的一个象素集合而m则为该局部窗口中的象素的数目。同时，在第三步骤中，Z_j，j＝1，…，m被映射到对应的多态值V_j，j＝1，…，m。在第四步骤，V＝〔V₁，…，W_m〕^T分别与预定的模式W₁、W₂、W₃与W₄进行比较。在第五步骤，判定V是否与预定的边缘模式W₁、W₂、W₃与W₄中至少一个匹配，如果是，则在第六步骤确定第i个象素是一个边缘。否则，在第七步骤，确定第i个象素X_i不是一个边缘。在第八步骤，如果第i个象素X_i不是全部象素，则在第九步骤将i增加l而进程返回到第二步骤重复执行一个主循环。否则在第八步骤，结束操作。

图2示出了根据本发明的边缘检测装置的总框图。该装置的构造及功能如下。

图2所示的边缘检测装置包含三块，一个编码块用于在应用一个局部窗口将一个原始图象数据X_i字典式排序以后将字典式排序的数据Z₁，…，Z_m变换为多态V₂，…，V_m，一个匹配块用于计算多态数据V₁，…，V_m与预定的分别对应于W_、W₁、W/与W、的边缘模式W₁、W₂、W₃与W₄的内积，以及一个判定块用于将各内积的结果数据与一个输出阈值进行比较，将比较结果进行“或”运算並判定原始图象数据X_i是否是一个边缘。

上述三块所执行的功能如下。

首先，需要窗口概念来通过相邻象素的相互关系判定原始图象数据X_i是否为一条边缘。因此编码块将相邻象素Z₁、Z₂，…Z_m排列成一维的並得到一个具有亮度值的中值並将相邻象素Z₁、Z₂…Z_m变换成对应的多态值V₁、V₂、…、V_m。

如果V_j，j＝1，…、  m，具有M态(M＞2)，则需要〔Log₂M〕来表示V_j。记号〔log₂M〕当M为2的幂时表示log₂M，否则，它表示log₂M+1的整数部分。这里，通过***中值与一个噪声控制参数ε，匹配块将各象素分离为三级，它们分别是，具有大于中值加ε的值的，小于中值减ε的值的，以及在中值加ε与中值减ε之间的值的。这里，噪声减弱效应根据参数ε突出地表现出来。

一个匹配块分别输出变换后的图象数据与四个预先规定边缘模式的匹配程度。即，匹配块计算变换后的图象数据V₁、V₂、…、V_m；V与对应的四个预先规定的边缘模式W₁、W₂、W₃与W₄的内积，它们是期望为对应于水平、垂直以及两条对角线方向的。这里，  W₁ ^T·V表示变换后的图象数据V₁、V₂、…、  V_m；V与预先规定的边缘模式W₁的内积，W₁是期望为对应于水平方向的。

可实现实时的进程，它基于图象处理***同时执行四个内积的计算。

一个判定块执行下述功能：分别将内积W₁ ^T、V、W₂ ^T·V，W₃ ^T·V，W₄ ^T·V的输出值与一个给定的常量进行比较，如果输出值中至少有一个大于该给定值则判定为一条边缘。而用于与内积的输出值进行比较的给定常量则可由用户使用一台微型计算机进行控制。

图3示出根据本发明的边缘检测装置的一个较佳实施例。该装置的构造与功能如下。

一个编码装置包括一个用于输出一个输入图象数据的水平扫描线延时信号的第一延时设备10，一个串接在该第一延迟设备10上的第二延时设备20，它用于输出二个水平扫描线延时信号，一个3×3窗口电路30，它连接到编码装置的输入端，第一延时设备10的输出端与第二延时设备20的输出端，用于在3×3局部窗口电路中存储九个象素数据，一个中值计算电路40用于计算3×3局部窗口中除外中心象素的其余8个象素数据的一个中值，以及一个三态编码器50用于应用该中值与给定的阈值ε将8个象素数据分为三级。並将该8个象素数据变换成对应于三个级的编码。

一个匹配装置包括内积电路60、61、62、63用于计算各预先规定的边缘模式W₁、W₂、W₃及W₄与三态编码器50的输出的内积。

一个判定装置包括比较器70、71、72、73，用于将各内积电路60、61、62、63的输出与给定的常量进行比较並输出匹配信号，以及“或”门80用于逻辑求和比较器70、71、72、73的输出。

图4示出编码装置的一个较佳实施例。该3×3窗口电路30包括三个寄存器90、91、92，它们分别包括一组8个并联的D型触发器且串接到用于输入由8个比特表示的一个顺序扫描数字视频信号的一个输入端，以及三个寄存器100，101，102，它们分别包括一组8个并联的D型触发器且串按到第一延时设备10的一个输出端上用于输入第一延时设备10的输出信号，以及三个寄存器110，111，112，它们分别包括一组8个并联D型触发器且串接到第二延时设备20的输出端上用于输入该第二延时设备20的输出信号，借此，将9个象素数据存储在3×3窗口电路30中。一个实际中值计算电路120包括加法器121，122，123，123用于将8个寄存器90、91、92、100、102、110、111、112(除外一个寄存器101的输出信号)的输出信号两两相加，以及加法器130、131用于将加法器121、122、123、124输出信号去掉最低位比特LSB后剩下的信号两两相加，以及一个加法器140用于将加法器130、131输出信号去掉一个最低比特LSB后剩下的信号相加，並用于输出一个将其输出信号去掉一个最低位比特LSB后剩下的信号。

8个寄存器90、91、92、100、102、110、111、112的输出信号以及加法器140的输出信号暂存在寄存器中(未示出)用于在下一阶段中作为输入。即，中值计算电路120以下述方法计算中值。

令Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₆、Z₇、Z₈、与Z₉为寄存器90、91、92、100、102、110、111、112的输出。令A、B、C与D为选自寄存器的输出的两个数据之和，则A、B、C与D表示为

A＝Z₁+Z₂，B＝Z₃+Z₄，C＝Z₆+Z₇以及D＝Z₈+Z₉。这里，令E、F、G与H为值A、B、C、D去掉一个LSB比特后剩下的值。则E、F、G与H表示为 $E=\frac{A}{2}=\frac{Z_1+Z_2}{2},$ $F=\frac{B}{2}=\frac{Z_3+Z_4}{2},$ $G=\frac{C}{2}=\frac{Z_6+Z_7}{2}$ 及 $H=\frac{D}{2}=\frac{Z_8+Z_9}{2}$ 。並且，令I与J分别为E与F及G与H之和，则I与J表示为 $I=E+F=\frac{Z_1+Z_2+Z_3+Z_4}{2},$ 及J＝G+H＝ $\frac{Z_6+Z_7+Z_8+Z_9}{2}$ 。这里，令K与L分别为I与J去掉一个LSB后剩下的值，则K与L表示为 $K=\frac{E+F}{2}=\frac{Z_1+Z_2+Z_3+Z_4}{4},$ 及 $L=\frac{G+H}{2}=\frac{Z_6+Z_7+Z_8+Z_9}{4}$ 。並且，设K与L相加后去掉其和的一个LSB比特所得之值为中值M，则M表示为 $M=\frac{K+L}{2}=\frac{Z_1+Z_2+Z_3+Z_4+Z_6+Z_7+Z_8+Z_9}{8}$ 所得到的中值M並不是精确的。由于所得到的中值是用于F一阶段的三态编码的，所以精确中值与所得中值之差並不降低结果边缘的质量。

以及，三态编码器电路150包括加法器160用于将该中值M与一个且有噪声减弱效应的参数ε相加以生成一个值M+ε；加法器161用于将该中值M与参数-ε相加以生成一个值M-ε；一个比较器170用于将除外中心象素数据Z₅的各象素数据Z₁、Z₂、…、Z₉与值M+ε进行比较；比较器171用于将除外中心象素数据Z₅的各象素数据Z₁、Z₂、…、Z₉与该值M-ε进行比较；以及反相器180用于输出比较器170的一个最高位比特MSB信号V₁₁、V₂₁、…、V₉₁；以及“或”门190用于分别对三态信号的最低位比特LSBV₁₀、V₂₀、…、V₉₀与比较器171的输出进行“或”运算，即逻辑求和。即，当对应的象素数据小于值M-ε时，三态编码器150输出一个值11，而当对应的象素数据大于值M+ε时输出一个值01，否则输出一个值00。这里，设定最高位比特MSB为符号位而最低位比特LSB为数值位，则值11，00、01分别对应于三态-1、0、1。

图5示出四个预先规定的边缘模式W₁、W₂、W₃与W₄。

图6A、6B、6C、6D示出本发明的匹配装置中用于计算内积的电路。

匹配装置计算四种预先规定的边缘模式W₁、W₂、W₃与W₄中各个的元素的二进制补码与屏蔽值V₁₁V₁₂V₂₁V₂₀…、V₉₁V₉₀的内积。

图7示出内积的真值表。

图8示出内积电路的简化的卡诺图。

图8的简化逻辑等式为 $U_{\mathrm{jl}}\left(\mathrm{MSB}\right)=\stackrel{\&OverBar;}{V_{\mathrm{ji}}}{V}_{\mathrm{jo}}{W}_{\mathrm{ji}}+V_{\mathrm{ji}}+\stackrel{\&OverBar;}{W_{\mathrm{jljo}}}$

U_jo(LSB)＝V_joW_jo这些逻辑等式可使用四种预先规定的边缘模式进一步化简。

首先，在W_jl＝W_jo＝1时， $U_{\mathrm{jl}}\left(\mathrm{MSB}\right)=\stackrel{\&OverBar;}{V_{\mathrm{jl}}}{V}_{\mathrm{jo}}$

U_jo(LSB)＝V_jo

其次．在W_jl＝W_jo＝0时，

        U_jl(MSB)＝U_jo(LSB)＝0。即不论图象数据如何，其内积输出永远为“0”从而对结果边缘没有影响。

第三，在W_jl＝0，W_jo＝1时。

        U_jl(MSB)＝V_jl，

        U_jo(LSB)＝V_jo。结果，在配置硬件时，四种预先规定的边缘模式蕴含地存在，只有三态值好象对内积的输出有影响。並且，所得到的内积输出是用两个比特表示的並且在配置硬件时九个象素中除去加权值为0的象素只使用六个象素。

使用上述逻辑等式的一种硬件配置示出如下。

首先，W₁.V的匹配电路输出( V₁₁.V₁₀)V₁₀、(V₃₁)V₃₀、( V₄₀.V₄₀)V₄₀、V₆₁V₆₀、( V₇₁.V₇₀)V₇₀、V₉₁V₉₀。

其次，W₂.V的匹配电路输出( V₁₁.V₁₀)V₁₀、V₇₁V₇₀、( V₂₁.V₂₀)V₂₀、V₈₁V₈₀、( V₃₁.V₃₀)V₃₀、V₉₁V₉₀。

第三，W₃.V的匹配电路输出( V₁₁.V₁₀)V₁₀、V₆₁V₆₀、( V₂₁.V₂₀)V₂₀、V₈₁V₈₀、( V₄₁.V₄₀)V₄₀、V₉₁V₉₀。

第四，W₄.V的匹配电路输出( .V₂₀)V₂₀、V₄₁V₄₀、(

.V₃₀)V₃₀、V₇₁V₇₀、(

.V₆₀)V₆₀、V₈₁V₈₀。

这些逻辑等式是用反相器200与“与”门210实现的，如图6A、6B、6C与6D中所示。

尔后，对应匹配电路中“与”门210的输出与反相器200的输出相加以求内积。

这里，加法是使用加法器220並以增加一个绝对值电路230来实现的。增加绝对值电路230是用于当加法的最终值为负值时能得到相同的边缘结果，因为“与”门210的输出是以二进制补码表示的。同样，“与”门210的输出与反相器200的输出的相加使用符号延伸法。

图6A、6B、6C与6D中所示的用于得到绝对值的绝对值电路230在图9中更详细地展示。

在图9中，假定四比特的一个输入数据为A₃ A₂ A₁ A₀，而一个输出数据为B₂B₁B₀。绝对值电路230包括用于将输入数据A₁与A₀进行“或”运算的“或”门240，当“或”门240的输出与输入数据A₃全为“1”时用于提供一个“0”的“与非”门250，当输入数据A₃与A₀全为“1”时用于提供“0”的“与非”门260，以及当输入数据A₂和“与非”门250的输出为不同的值时用于输出“1”的同门270，以及当输入数据A₂和“与非”门260的输出为不同的值时用于输出“1”的同门280。这样，“同”门270、280的输出值和一个输入数据A0分别成为绝对值电路230的输出B₂B₁B₀。

图10示出本发明的边缘检测装置的判定装置的一个较佳实施例。该判定装置包括用于输入来自绝对值电路230的输出信号OUT1、OUT2、OUT3、与OUT4以及一个表示一条边缘的阈值“110”的四个比较器290，以及用于将分别选自4个比较器240的输出信号两两进行“或”运算的两个“或”门300，以及用于对两个“或”门300的输出信号进行“或”运算的“或”门310。並且，如果选自输出信号OUT1、OUT2、O UT3与0UT4的至少一个大于或等于“6”，则“或”门310的输出成为“1”，並判定为一条边缘。

图11为展示本发明的边缘检测电路的操作的定时图。假定图11中所示的输入图象数据是存储在3×3窗口电路90、91、92、100、101、102、110、111与112中的。这里ε设定为10。並且三态值V₁、V₂、V₃、V₄、V₆、V₇、V₈V₉示出在图11中。这里，在用虚线加框的两个方形区域中的两个输入模式等于对应的预先规定的边缘模式。即第一个虚线加框的方形区域等于W₁，以及第二个虚线加框的方形区域等于W₂。相应地，当至少一个输出信号OUT1与OUT2为“1”时，输出信号EDGE(边缘)成为“1”。

本发明的边缘检测装置具有下述优点。

第一，由于在多态编码方法中使用了噪声减弱参数，可以不使用附加的低通滤波器而大大地减小噪声的影响。

第二，由于采用了最小的二维对称窗口3×3局部窗口，便能够极大地简化硬件与最小化操作时间。

第三，由于同时使用若干线性阈值逻辑，它能够利用多层线性阈值逻辑的旋转不变性质。

Claims (22)

1.一种用于图象处理***的边缘检测方法，包括下述步骤：

将输入象素数据变换为多态值；

计算所述多态值与预先规定的值的一个内积；以及

根据所述内积的结果作出一个判定。

2.一种用于图象处理***的边缘检测装置，包括：

一个变换装置，用于将输入象素数据变换为多态值；

一个匹配装置，用于计算所述多态值与预先规定的值的一个内积；以及

一个判定装置，用于根据所述内积的结果作出一个判定。

3.权利要求2所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述变换装置进一步包括用于存储所述象素数据的一个存储装置(30)。

4.权利要求3所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述存储装置(30)存储1×1数据以存储围绕中心象素的相邻象素。

5.权利要求4所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述变换装置包括一个中值计算电路(40)用于计算所述1×1数据的一个中值；以及

一个映射电路(50)，用于使用所述中值与一个任意常量将所述1×1数据变换成所述多态值。

6.权利要求5所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述任意常量为一个噪声减弱参数。

7.权利要求6所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述l为3。

8.权利要求7所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述存储装置(30)包括：

一个第一延时设备(10)用于将所述输入象素数据延时一条水平扫描线；

一个第二延时设备(20)，它是串接到所述第一延时设备的，用于将所述输入象素数据延时两条水平扫描线；

第一组三个寄存器(90)、(91)、(92)，它们是串接到一个输入端上的，用于输入所述输入象素数据；

第二组三个寄存器(100)、(101)、(102)，它们是串接到所述第一延时设备的，用于输入所述延时一条水平扫描线的信号；

第三组三个寄存器(110)、(111)、(112)，它们是串接到所述第二延时设备的，用于输入所述延时两条水平扫描线的信号。

9.权利要求8所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述第一组、第二组、第三组寄存器(90)、(91)、(92)、(100)、(101)、(102)、(110)、(111)、(112)分别由多个D型触发器构成。

10.权利要求9所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述中值计算电路(120)包括：

第一组四个加法器(121)、(122)、(123)、(124)，用于将所述第一组、第二组与第三组寄存器中除外所述第二组寄存器中的一个中心象素数据以外的四对输出信号相加；

第二组两个加法器(130)、(131)，用于将所述第一组四个加法器的输出去掉最低位比特后剩下的输出信号中选择的两两相加；

一个第三加法器(140)，用于将所述第二组两个加法器的输出去掉最低位比特后剩下的输出信号相加并将相加后的信号的最低位比特去掉后剩下的一个信号输出。

11.权利要求10所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述映射电路(150)将所述输入象素数据变换成三态值。

12.权利要求11所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述三态值为二的补码二进制数表示中的11、01与00。

13.权利要求12所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述映射电路(150)包括：

一个第四加法器(160)，用于将所述第三加法器的一个输出信号与所述任意常量相加；

一个第五加法器(161)，用于将所述第三加法器的一个输出信号与所述任意常量的负值相加；

第一组八个比较器(170)，用于将除外所述中心象素数据的八个象素数据分别与所述第四加法器的输出信号相比较；

第二组八个比较器(171)，用于将所述八个象素数据分别与所述第五加法器的一个输出信号相比较；

八个反相器(180)，用于分别反相所述第一组比较器的输出信号並分别输出所述三态值的最高位比特信号；以及

八个“或”门(190)，用于对所述八个反相器的一个输出信号与所述第二组八个比较器的输出信号进行“或”运算並分别输出所述三态值的最低位比特信号。

14.权利要求13所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述匹配装置计算所述三态值与所述四种预先规定的边缘模式的内积。

15.权利要求14所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述四种预先规定的边缘模式是由对应的3×3矩阵构成的。

16.权利要求15所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中各所述四种预先规定的边缘模式包括一种第一模式(W₁)，它在第一列中为-1，在第二列中为0，在第三列中为1；一种第二模式(W₂)，它在第一行中为-1，在第二行中为0，在第三行中为1；一种第三模式(W₃)，它在第一行中为-1，-1，0，在第二行中为-1，0，1，在第三行中为0，1，1；以及一种第四模式(W₄)，它在第一行中为0，-1，-1，在第二行中为1，0，-1，在第三行中为1，1，0。

17.权利要求16所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置。其中所述三态值与所述第一模式的所述内积电路(60)包括：

三个反相器(200)，分别用于反相所述三态值的第一、第四与第七个值的最高位比特；

三个“与”门(210)，分别用于将所述三个反相器的输出信号与所述三态值的所述第一、第四与第七个值的最低位比特逻辑地相乘；

第八组五个加法器(220)，用于使用附号延伸将所述三态值的第三、第六、第九个值与所述三个“与”门的输出信号相加；以及

一个绝对值电路(230)，用于当所述第八组五个加法器的最终输出信号为负值时求得一个绝对值。

18.权利要求17所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述三态值与所述第二种模式的所述内积电路(61)包括：

三个反相器(200)，分别用于反相所述三态值的第一、第二与第三个值的最高位比特；

三个“与”门(210)，分别用于将所述三个反相器的输出信号与所述三态值的第一、第二与第三个值的最低位比特逻辑地相乘；

第九组五个加法器(220)，用于使用符号延伸将所述三态值的第七、第八与第九个值与所述三个“与”门的输出信号相加；以及

一个绝对值电路(230)，用于当所述第九组五个加法器的最终输出信号为负值时求得一个绝对值。

19.权利要求18所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述三态值与所述第三种模式的所述内积电路(62)包括：

三个反相器(200)，分别用于反相所述三态值的第一、第二与第四个值的最高位比特；

三个“与”门(210)，分别用于将所述三个反相器的输出信号与所述三态值的第一、第二与第四个值的最低位比特逻辑地相乘；

第十组五个加法器(220)，用于使用符号延伸将所述三态值的第六、第八与第九个值与所述三个“与”门的输出信号相加；以及

一个绝对值电路(230)，用于当所述第十组五个加法器的最终输出信号为一个负值时求得一个绝对值。

20.权利要求19所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述三态值与所述第四种模式的所述内积电路(68)包括：

三个反相器(200)，分别用于反相所述三态值的第二、第三与第六个值的最高位比特；

三个“与”门(210)，分别用于将所述三个反相器的输出信号与所述三态值的第二、第三与第六个值的最低位比特逻辑地相乘；

第十一组五个加法器(220)，用于使用符号延伸将所述三态值的第四、第七与第八个值以及所述三个“与”门的输出信号相加；以及

一个绝对值电路(230)，用于当所述第十一组五个加法器的最终输出信号为一个负值时求得一个绝对值。

21.权利要求20所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述绝对值电路(230)包括：

一个“或”门(240)，用于对输入的四比特的两个最低位比特进行“或”运算；

一个第一“与非门”(250)，用于输入所述“或”门的一个输出信号以及所述输入的四比特的最高位比特；

一个第二“与非”门(260)，用于输入所述输入的四比特的最高位比特与最低位比特；

一个第一“同”门(270)，用于输入所述第一“与非”门的一个输出信号以及所述输入的四比特的最高位比特；以及

一个第二“同”门(280)，用于输入所述第二“与非”门的一个输出信号以及所述输入的四比特的次最低位比特，

从而，所述第一“同”门的一个输出为所述绝对值的最高位比特，所述八个加法器的最低位比特为所述绝对值的最低位比特，所述第二“同”门的一个输出为绝对值的中间比特。

22.权利要求21所提出的一种用于图象处理***的边缘检测装置，其中所述判定装置包括：

第三组四个比较器(270)，用于分别输入四个绝对值电路的输出以及一个给定的阈值；

两个“或”门(300)，用于对所述第三组四个比较器的输出信号选择的两两进行“或”运算；以及

一个“或”门(310)，用于对所述两个“或”门的输出信号进行“或”运算。

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