CN113128141A - 一种基于无误差随机计算的中值滤波*** - Google Patents

一种基于无误差随机计算的中值滤波*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于无误差随机计算的中值滤波***,应用于数字图像处理优化设计领域,针对现有技术存在的资源消耗较大的问题,本发明的中值滤波***,包括:前向转换模块、随机比较器以及后向转换模块;前向转换模块包括集中序列生成单元与均匀序列生成单元,所述集中序列生成单元与均匀序列生成单元用于将二进制信号分别转换成均匀分布序列和集中分布序列;集中序列生成单元的输出端连接随机比较器的输入端,均匀序列生成单元的输出端连接随机比较器的选择端,随机比较器的输出端与后向转换模块相连;后向转换模块将随机比较器输出的随机序列转换为二进制数值;本发明的中值滤波器可以很好的应用于数字图像中值滤波降噪等领域。

Description

一种基于无误差随机计算的中值滤波***
技术领域
本发明属于数字图像处理优化设计领域,特别涉及一种中值滤波***的实现技术。
背景技术
由于目前集成电路运算性能高、集成面积小、功耗低等要求。随着科学技术的不断发展,晶体管的尺寸不断缩小,单位面积上可集成的晶体管愈来愈多。然而,随着Dennard的缩放比例定律的失效,计算领域遭到了空前的挑战。由Moore定律可知,缩小晶体管的尺寸,漏电流会随之变大,进而增加集成电路的功耗,但是性能的提升却不理想,复杂精密芯片的可靠性成为现阶段设计者最关心的问题,这就推动了新计算技术的发展。
在随机计算的数字电路设计中,常用的前向转换单元使用线性反馈移位寄存器(LFSR),来生成随机数源,设置不同的线性反馈移位寄存器(LFSR)初始值,前向转换的输出序列则不同,不仅可以产生伪随机的比特流,而且能够很好的降低比特流序列自身的自相关性,但随机电路的每一路需要独立的初始随机数来驱动,这样一来会极大地增加前向转换单元的电路面积和资源占用。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出一种基于无误差随机计算的中值滤波***。
本发明采用的技术方案为:一种基于无误差随机计算的中值滤波***,包括:前向转换模块、随机比较器模块以及后向转换模块;
所述前向转换模块包括集中序列生成单元与均匀序列生成单元,所述集中序列生成单元与均匀序列生成单元用于将二进制信号分别转换成集中分布序列和均匀分布序列;
集中序列生成单元的输出端连接随机比较器的输入端,均匀序列生成单元的输出端连接随机比较器的选择端,随机比较器的输出端与后向转换模块相连;后向转换模块将随机比较器输出的随机序列转换为二进制数值。
还包括时钟周期模块,所述时钟周期模块与前向转换模块共用一个加计数器。
所述集中分布序列的生成过程为:将加权二进制数与当前时钟周期的加计数器值进行比较,若大于当前时钟周期的加计数器值,则输出比特流为“1”;否则输出比特流为“0”,由于当前时钟周期等于上一时钟周期自加1,因此可输出“1”全在序列头部,其余位为“0”并在序列尾部的集中分布序列。
均匀序列生成单元的生成过程为:将当前时钟周期的加计数器值与前一个时钟周期的加计数器的值的二进制反码相与,得到的每位输出分别与二进制加权数中的每一位相与,得到的各输出分别连接或门,最终得到加权二进制数的均匀分布序列。
包括三个二进制信号。
所述随机比较器模块为三个随机比较器级联的结构,对应的,三个随机比较器依次记为第一随机比较器、第二随机比较器、第三随机比较器,三个二进制信号经前向转换模块后的三个集中序列,其中两个集中序列作为第一随机比较器的输入,另一个集中序列与第一随机比较器的较大输出作为第二随机比较器的输入,第一随机比较器的较小输出与第二随机比较器的较小输出作为第三随机比较器的输入,第二随机比较器的较大输出作为该随机比较器模块的最大序列输出,第三随机比较器的较大输出作为该随机比较器模块的中值序列输出,第三随机比较器的较小输出作为该随机比较器模块的最小序列输出;均匀分布序列作为三个随机比较器选择端的输入。
单个随机比较器包括:第一随机比较模块、stanh模块、第二随机比较模块、第三随机比较模块;三个随机比较模块的两个输入端作为该随机比较器的两个输入端,该随机比较器的两个输入端的输入是反相的,第一随机比较模块的选择端作为该随机比较器的选择端;第一随机比较模块的输出端接stanh模块的输入端,stanh模块的输出端分别连接第二随机比较模块与第三随机比较模块各自的选择端;第二随机比较模块的输出作为该随机比较器的较大输出端,第三随机比较模块的输出作为该随机比较器的较小输出端。
所述stanh模块具体为基于有限状态机的stanh函数,具体的:
状态转移图的转换原则为:N个状态,分别是S0、S1、…、Sn-1,X作为状态机的初始输入值,输出Y只与当前状态Si有关,0<i<N-1,若0<i≤N/2-1,则输出值Y=0;否则输出值Y=1。
本发明的有益效果:随机计算是一种近似或不精确计算的表示形式,本发明可实现随机比较器的无误差输出结果,其结构包括前向转换模块,随机比较器,后向转换模块,所述随机比较器可以级联,所述前向转换模块、随机比较器和后向转换模块依次电路相连,输入二进制信号通过概率序列生成器生成均匀分布序列和集中分布序列,集中分布序列作为随机比较器的输入端,均匀分布序列作为随机比较器的选择端,随机比较器的输出端与后向转换模块相连,完成随机序列到传统二进制数值的转换,并且可以很好的应用于数字图像中值滤波降噪等领域;本发明的基于无误差随机计算的中值滤波***包括以下优点:
1、基于加计数器的转换单元,通过固定概率分布来减少互相关性,改进的随机比较器模型实现无固有误差的随机计算结果。
2、时钟周期模块可以与前向转换模块共用一个加计数器,减少资源消耗。
3、实现了随机计算可以很好的应用于中值滤波降噪等领域的功能。
附图说明
图1为本发明中的中值滤波***的结构框图;
图2为本发明中的中值滤波3*3滑窗示意图;
图3为本发明中的集中序列生成单元示意图;
图4为本发明中的均匀序列生成单元示意图;
图5为本发明中的基于有限状态机的转移图;
图6为本发明中的随机比较器内部结构图;
图7为本发明中的随机比较器级联图;
图8为本发明应用于图像中值滤波实验结果图;
其中,图8(a)为原始图像,图8(b)为传统方法实现的中值滤波结果,图8(c)为基于随机计算实现的中值滤波结果。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容,下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示,本发明的一种基于无误差随机计算的中值滤波***包括:前向转换模块、随机比较器以及后向转换模块;所述前向转换模块包括集中序列生成单元与均匀序列生成单元,用于将二进制信号分别转换成集中分布序列和均匀分布序列;所述随机比较器用于输出最大集中分布序列和最小集中分布序列;所述后向转换模块用于将输出的随机序列转换回二进制数值。
本实施例中的前向转换单元使用线性反馈移位寄存器(LFSR),来生成随机数源,设置不同的线性反馈移位寄存器(LFSR)初始值,前向转换的输出序列则不同,不仅可以产生伪随机的比特流,而且能够很好的降低比特流序列自身的自相关性。
如图2所示,中值滤波3*3滑窗输出值原理图,在使用软件实现时,首先比较每列(行)的像素值,按照最大值、中间值和最小值排序;然后比较最大值那一列(行)取其中的最小值,比较中间值那一列(行)取中间值,比较最小值那一列(行)取最大值;最后再比较前一步骤中的三个值,取中间值,这个中间值即为所需的窗口中的统计中值,作为窗口的输出,图2所示的具体示例比较过程如下:
步骤1首先比较每列的像素值,按照最大值、中间值和最小值排序{{50,37,19},{98,36,24},{80,64,23}};
步骤2然后最大值那一行取其中的最小值,比较中间值那一行取中间值,最小值那一行取最大值{min{50,98,80},med{37,36,64},max{19,24,23}};
步骤3最后比较取出的三个值,取中间值,这个中间值即为所需的窗口中的统计中值med{50,37,24},即37位窗口的输出值。
如图3所示,集中分布序列生成单元,所述集中分布序列单元是将二进制加权数X[n-1:0]与当前时钟周期的加计数器值cnt进行比较,之所以使用基于加计数器的前向转换单元,是可以通过固定概率的分布来减小序列间的互相关性,不仅可以实现电路复用,也可以减少资源的消耗。且前向转换单元中的加计数器也可以与时钟周期模块中的加计数器共用,进一步提升电路的运行效率。其中加计数器可以由所有前向转换器共用,若X>cnt,则输出比特流为“1”;若X≤cnt,则输出比特流为“0”,由于每个时钟周期cnt=cnt+1,因此可输出“1”全在序列头部,其余位为“0”并在序列尾部的集中分布序列,例如待转换数5,经过集中转换单元生成的8-bit的集中分布序列11111000。
X[n-1:0]表示待转换二进制序列,X表示n bit的二进制加权数。
如图4所示,均匀分布序列生成单元,其中加计数器由所有前向转换器共用,当前时钟周期的加计数器值cnt,与前一个时钟周期的加计数器的值的二进制反码相与,其功能起一个上升沿检测器的作用,得到的每位输出分别与二进制加权数X[n-1:0]相与,输出分别连接或门,即得到加权二进制数X[n-1:0]的均匀分布序列。
图4中X0、…、Xi、…、Xn-1分别表示X[n-1:0]中的n个bit位。
如图5所示,基于有限状态机的状态转移图,由一组以线性形式排列的N个状态组成(饱和计数器)。通常,选择N=2K个状态,其中K是正整数,从第一个状态到最后一个状态的转换必须通过所有中间状态的逐次转换来实现。其中,所述状态转移图的转换原则为,N个状态,分别是S0、S1、…、Si、…、SN-1,X作为状态机的初始输入值,输出Y只与当前状态Si有(0<i<N-1)关,若0<i≤N/2-1,则输出值Y=0;否则输出值Y=1,由此构造出基于有限状态机的stanh函数,在已有模型的基础上,本发明通过输入集中分布的A、B和均匀分布的R,不仅实现了无误差计算结果,而且将原有的状态数减少为仅需要四个状态就能实现功能,极大地减少了电路面积和资源占用。
如图6所示,随机比较器的内部结构图,其中A、B为随机比较器输入端,为集中分布序列,R为数据选择器的选择端,为均匀分布序列,产生的随机比特流差值送入stanh模块,由stanh模块的配置可知,
Figure BDA0003025914630000051
进而得到,0≤PX<0.5时,PY=0;PX=0.5时,PY=1/2;0.5<PX≤1时,PY=1。所以若A>B,则PX>0.5,S=1,stanh模块倾向于保持在高状态侧,最右边的数据器选择A;若A<B,则PX<0.5,S=0,stanh模块倾向于保持在低状态侧,最右边的数据选择器选择B,由此分别输出最大集中分布序列和最小集中分布序列。这里的S表示stanh模块的输出。
PY表示输出比特流中的每个比特为1的概率;PX表示输入比特流中的每个比特位1的概率;
Figure BDA0003025914630000052
表示在输入概率PX下,当前状态为i的概率;N表示总的状态数。
如图7所示,随机比较器级联图,由上述所提到的随机比较器级联而成,简单介绍下其工作原理:二进制信号分别a、b、c,经过前向转换单元转换成随机比特流,得到A、B、C三个序列;首先比较B、C两个序列的大小,较大序列存入MAX1,较小序列存入MIN1;然后比较MAX1、A两个序列的大小,较大序列存入MAX,较小序列存入MIN2;最后比较MINi、MIN2两个序列的大小,较大序列存入MID,较小序列存入MIN,由此分别输出最大序列MAX、中值序列MID、最小序列MIN。
如图8所示,上述所述级联随机比较器可应用于中值滤波等数字图像处理领域,整个过程均采用随机比特流来实现,在测试的IEEE图库中,每个像素点的像素值都是由8比特加权二进制代表的灰度值表示,其中图8(a)为原始图像,图8(b)为传统方法实现的中值滤波结果,图8(c)为基于随机计算实现的中值滤波结果,可以发现本发明的基于随机计算的中值滤波器与加权二进制***下的中值滤波器相比没有固有概率值误差。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无误差随机计算的中值滤波***,其特征在于,包括:前向转换模块、随机比较器模块以及后向转换模块;
所述前向转换模块包括集中序列生成单元与均匀序列生成单元,所述集中序列生成单元与均匀序列生成单元用于将二进制信号分别转换成均匀分布序列和集中分布序列;
集中序列生成单元的输出端连接随机比较器的输入端,均匀序列生成单元的输出端连接随机比较器的选择端,随机比较器的输出端与后向转换模块相连;后向转换模块将随机比较器输出的随机序列转换为二进制数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于无误差随机计算的中值滤波***,其特征在于,还包括时钟周期模块,所述时钟周期模块与前向转换模块共用一个加计数器。
3.根据权利要求2所述的一种基于无误差随机计算的中值滤波***,其特征在于,所述集中分布序列的生成过程为:将加权二进制数与当前时钟周期的加计数器值进行比较,若大于当前时钟周期的加计数器值,则输出比特流为“1”;否则输出比特流为“0”,由于当前时钟周期等于上一时钟周期自加1,因此可输出“1”全在序列头部,其余位为“0”并在序列尾部的集中分布序列。
4.根据权利要求3所述的一种基于无误差随机计算的中值滤波***,其特征在于,均匀序列生成单元的生成过程为:将当前时钟周期的加计数器值与前一个时钟周期的加计数器的值的二进制反码相与,得到的每位输出分别与二进制加权数中的每一位相与,得到的各输出分别连接或门,最终得到加权二进制数的均匀分布序列。
5.根据权利要求4所述的一种基于无误差随机计算的中值滤波***,其特征在于,所述随机比较器模块为三个随机比较器级联的结构,三个随机比较器依次记为第一随机比较器、第二随机比较器、第三随机比较器,对应的包括三个二进制信号,三个二进制信号经前向转换模块后的三个集中序列,其中两个集中序列作为第一随机比较器的输入,另一个集中序列与第一随机比较器的较大输出作为第二随机比较器的输入,第一随机比较器的较小输出与第二随机比较器的较小输出作为第三随机比较器的输入,第二随机比较器的较大输出作为该随机比较器模块的最大序列输出,第三随机比较器的较大输出作为该随机比较器模块的中值序列输出,第三随机比较器的较小输出作为该随机比较器模块的最小序列输出;均匀分布序列作为三个随机比较器选择端的输入。
6.根据权利要求5所述的一种基于无误差随机计算的中值滤波***,其特征在于,单个随机比较器包括:第一随机比较模块、stanh模块、第二随机比较模块、第三随机比较模块;三个随机比较模块的两个输入端作为该随机比较器的两个输入端,该随机比较器的两个输入端的输入是反相的,第一随机比较模块的选择端作为该随机比较器的选择端;第一随机比较模块的输出端接stanh模块的输入端,stanh模块的输出端分别连接第二随机比较模块与第三随机比较模块各自的选择端;第二随机比较模块的输出作为该随机比较器的较大输出端,第三随机比较模块的输出作为该随机比较器的较小输出端。
7.根据权利要求6所述的一种基于无误差随机计算的中值滤波***,其特征在于,所述stanh模块具体为基于有限状态机的stanh函数,具体的:
状态转移图的转换原则为:N个状态,分别是S0、S1、…、Sn-1,X作为状态机的初始输入值,输出Y只与当前状态Si有关,0<i<N-1,若0<i≤N/2-1,则输出值Y=0;否则输出值Y=1。
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