TWI406557B - 圖像處理裝置及方法 - Google Patents

Description

圖像處理裝置及方法

本發明涉及圖像處理領域，特別涉及一種圖像處理裝置及方法。

通常，由數碼相機或攝像機等圖像捕捉設備記錄之圖像，經影像處理後，可用黑白兩種單色表示，即感光元件上各個畫素點之圖像資訊可用二進位數字“0”和“1”代替，用於表示該畫素點記錄之是目標還是背景，這種只有兩種單色表示之圖像被稱為二值圖像。

圖像捕捉設備之鏡頭模組中經常會有灰塵或圖像捕捉時有小昆蟲或揚塵等位於鏡頭和被捕捉物體之間，因此，圖像捕捉設備捕捉得到之二值圖像中之目標會出現微小之空隙，如圖1所示，其中狀態A所示之二值圖像中之畫素點“1”和畫素點“2”為目標中之微小空隙。二值圖像中之背景也會出現微小之雜點，如狀態A所示之二值圖像中之畫素點“3”。因此，需要對圖像捕捉設備記錄之二值圖像進行空間濾波處理，以消除二值圖像之目標中之微小空隙和背景中之微小雜點。

目前，圖像捕捉設備之感光元件上各個畫素點之圖像資訊並不能獨立輸出，而是以行為單位之串行輸出。而空間濾波時為了確定圖像之目標中是否具有微小空隙以及背景中是否具有雜點，需要對圖像之目標或背景中之各畫素點及其周邊之畫素點進行分析，且考慮到空間濾波所用之時間，業界通常採用3*3畫素點矩陣對圖像進行空間濾波。

在圖像之空間濾波技術中，利用3*3畫素點矩陣執行“或運算”來更新圖像之中心畫素點，該演算法也稱為“膨脹”。如圖1所示，其中，黑色之畫素點表示記錄了目標之圖像資訊或雜點之圖像資訊，白色之畫素點代表背景或目標中之空隙。從狀態A到狀態B，以每個記錄了目標之圖像資訊之畫素點為中心畫素之3*3畫素點矩陣中，每個畫素點都被“膨脹”成記錄了目標之圖像資訊之畫素點。利用3*3畫素點矩陣執行“與運算”來更新圖像之中心畫素點，如圖2所示，該演算法也稱為“收縮”。對如圖1所示之狀態B中之圖元點進行“收縮”，得到狀態C。

經過狀態A到狀態B之“膨脹”與狀態B到狀態C之“收縮”後，圖像中畫素點1和畫素點2在狀態A中並沒有記錄目標之圖像資訊，在狀態B中畫素點1和畫素點2被“膨脹”成記錄了目標之圖像資訊之畫素點，經過“收縮”一次到達狀態C時，畫素點1和畫素點2還是表示為記錄了目標之圖像資訊之畫素點，經歷“膨脹”再“收縮”之過程，可以去除目標中之微小空隙。因此，可以利用先“膨脹”再“收縮”，即可去除圖像之目標中之微小空隙。

如圖3所示，狀態C經過“收縮”得到狀態D，記錄了目標之圖像資訊之畫素點僅剩下畫素點1，而在狀態C中記錄了物體資訊之畫素點2和畫素點3在狀態D中均沒有記錄目標之圖像資訊。如圖4所示，狀態D經過“膨脹”得到狀態E，將狀態E與狀態C對比可以看出，在狀態C中記錄了目標之圖像資訊之畫素點經過先“收縮”再“膨脹”後，變成了沒有記錄目標之圖像資訊之畫素點。因此，經過，可以利用先“收縮”再“膨脹”之方法消除背景中之微小雜點。

目前，3*3畫素點矩陣之空間濾波通常將圖像上各畫素點之圖像資訊存儲在記憶體中，當需要處理該圖像時，藉由軟體讀取圖像中各畫素點之資訊以及以該畫素點為中心之周圍8個相關畫素點之資訊，在藉由軟體進行“膨脹 ”或“收縮”處理，以消除背景中之雜點或清除圖像之目標中之微小空隙，以使目標和背景更為清晰。由於，利用軟體從記憶體中讀取資料必須一個一個讀取，即一個脈衝只能讀取一個資料，那麼按照上述方式對一張圖像先進行“收縮”再“膨脹”消除背景中之雜點或先進行“膨脹”再“收縮”消除圖像之目標中之空隙則需要太長之時間。例如：一張1024*768之影像，共需要1024*768*3*3*2個讀取步驟，因此，對於畫素集成度高之圖像，空間濾波處理之速度相當慢。

鑒於此，有必要提供一種可快速實現空間濾波之圖像處理裝置。

還有必要提供一種可快速實現空間濾波之圖像處理方法。

一種圖像處理裝置，包括讀取單元、複數依次連接之矩陣單元、選擇單元以及控制單元，該讀取單元用於讀取圖像之畫素點之圖像資訊，該畫素點之圖像資訊依次經過該複數依次連接之矩陣單元進行膨脹或收縮處理，該複數依次連接之矩陣單元將膨脹或收縮處理後之畫素點之圖像資訊分別傳出，該控制單元用於輸出控制訊號，該控制訊號用於控制該矩陣單元執行膨脹處理還是收縮處理，該選擇單元與該各個矩陣單元之輸出端和該控制單元均相連，用於根據該控制訊號選擇性地輸出該複數矩陣單元之處理結果。

一種圖像處理方法，包括如下步驟：依次讀取複數畫素點之圖像資訊；該複數畫素點之圖像資訊經過一系列延時後同時輸出；對該同時輸出之複數畫素點之圖像資訊進行連續膨脹或收縮處理；將每次膨脹或收縮處理後之結果分別傳出；選擇性地輸出上述傳出之處理結果。

上述圖像處理裝置和方法藉由複數依次連接之矩陣單元對畫素點之圖像資 訊進行多次膨脹或收縮處理，以實現圖像之一次讀取和多次處理，減少讀取步驟，節省了讀取時間，從而提高圖像處理速度。

100‧‧‧圖像處理裝置

10‧‧‧讀取單元

20‧‧‧矩陣單元

21‧‧‧延遲單元

210‧‧‧寄存單元

23‧‧‧處理單元

230‧‧‧膨脹處理模組

231‧‧‧收縮處理模組

233‧‧‧檢測模組

30‧‧‧選擇單元

40‧‧‧矩陣單元

41‧‧‧延遲單元

410‧‧‧第一存儲單元

412‧‧‧第二存儲單元

43‧‧‧處理單元

430‧‧‧膨脹處理模組

431‧‧‧收縮處理模組

433‧‧‧檢測模組

50‧‧‧控制單元

圖1為採用3*3畫素點矩陣對圖像進行“膨脹”處理之示意圖。

圖2為對圖1處理後之圖像進行“收縮”處理之示意圖。

圖3為對圖2處理後之圖像進行“收縮”處理之示意圖。

圖4為對圖3處理後之圖像進行“膨脹”處理之示意圖。

圖5為一較佳實施方式之圖像處理裝置之功能模組圖。

圖6為一較佳實施方式之矩陣單元之結構圖。

圖7為另一較佳實施方式之矩陣單元之結構圖。

圖8為一較佳實施方式之圖像處理方法步驟流程圖。

請參閱圖5，其為一較佳實施方式之圖像處理裝置100之功能模組圖，圖像處理裝置100用於對圖像進行空間濾波處理。

圖像處理裝置100包括讀取單元10、複數依次連接之矩陣單元20、與各個矩陣單元20之輸出端均相連接之選擇單元30以及與各矩陣單元20之輸入端和選擇單元30之輸入端均相連之控制單元50。讀取單元10用於逐行讀取感光元件中各畫素點之圖像資訊。矩陣單元20用於對讀取單元10讀取之畫素點進行“膨脹”或“收縮”處理，並將處理後之結果傳出。選擇單元30用於選擇第幾個矩陣單元20之傳出作為圖像處理裝置100之輸出，以確定進行圖像“膨脹”或“收縮”處理之次數，進而確定消除畫素點半徑N(即包含雜點所在畫素點在內之N*N畫素點矩陣之邊長N)為多大之雜點或空隙。控 制單元50用於輸出控制訊號至各矩陣單元20和選擇單元30，以控制矩陣單元20進行“膨脹”或“收縮”，以及控制選擇單元30進行選擇。

控制訊號為一段二進位之代碼，其分為高位段代碼和低位元段代碼，高位段代碼用於控制選擇單元30進行選擇，低位段代碼分別用於控制各個矩陣單元20進行“膨脹”或“收縮”，且每一位低位段代碼控制一個矩陣單元20。代碼之位元數可以根據矩陣單元20之數量進行確定，如矩陣單元20為8個，則控制代碼之位數為11位，其格式為SSS，XXXX XXXX，X代表用於控制矩陣單元20之低位元代碼，例如當X為1時，接收該為1之控制訊號之矩陣單元20執行“膨脹”，反之，則執行“收縮”；S則代表用於控制選擇單元30之高位代碼。如控制訊號為“011 1001 XXXX”時，第一個和第四個矩陣單元20(與讀取單元10連接之矩陣單元20為第一個，以下依次為第二、第三……第N個)執行“膨脹”處理，第二和第三個矩陣單元20執行“收縮”處理。選擇單元30選擇第4個矩陣單元20之傳出L(3)作為圖像處理裝置100之輸出，該輸出表示對圖像分別進行了兩次“膨脹”和兩次“收縮”。若對一張1024*768之圖像進行上述兩次“膨脹”和兩次“收縮”，採用傳統方法則需要(1024-2)*(768-2)*3*3*4個讀取步驟，而採用圖像處理裝置100進行上述兩次“膨脹”和兩次“收縮”，只需要(1024-2)*(768-2)*3*3個讀取步驟，因此，採用圖像處理裝置100可以大大提高空間濾波處理之速度。

請參閱圖6，矩陣單元20包括延遲單元21以及執行“與運算”或者“或運算”之處理單元23。延遲單元21用於延遲讀取單元10讀取之畫素點之圖像資訊，延遲單元21包括複數依次連接之寄存單元210，寄存單元210用於寄存讀取單元10讀取之一個畫素點之圖像資訊(以下畫素點之“圖像資訊”用“PII”表示)，並且每經過一個時鐘訊號寄存單元210都更新一次，即寄 存單元210依次將自己寄存之畫素點之PII傳輸至下一個寄存單元210，並更新下一個寄存單元210，而第一個寄存單元210則用讀取單元10在這一時鐘訊號讀取之畫素點之PII進行更新。

處理單元23包括膨脹處理模組230、收縮處理模組231以及檢測模組233。其中膨脹處理模組230對處理單元23讀取之複數畫素點之PII進行“或運算”。收縮處理模組231對處理單元23讀取之複數畫素點之PII進行“與運算”。檢測模組233用於檢測控制單元50發送來之控制訊號，以確定讓膨脹處理模組230進行工作還是讓收縮處理模組231進行工作，如當檢測模組233檢測到控制訊號為0時，讓收縮處理模組231進行工作，反之，讓膨脹處理模組230進行工作。

若讀取單元10讀取如圖3所示之狀態C中12*7之圖像，且欲消除狀態C中畫素點半徑小於3之雜點，對應之，矩陣單元20至少應具有26個寄存單元210(即兩行加兩個)。圖3所示狀態C之12*7圖像中各個畫素點之PII從第一行之第一個畫素點(圖3左上角)開始，從左向右，從上到下依次傳遞給二十六個寄存單元210(直接與讀取單元10相連之寄存單元210為第一個，後面之依次為第二個、第三個等)。處理單元23與讀取單元10之輸出端、第一、第二、第十二、第十三、第十四、第二十四、第二十五、第二十六個寄存單元210之輸出端(共八個寄存單元210之輸出端)相連。

當讀取單元10讀取之如圖3狀態C所示之圖像之第一行之第一個畫素點之PII傳遞到延遲單元21之第二十六個寄存單元210中時，第二十五、第二十四個寄存單元210存著讀取單元10讀取之第一行中之第二和第三個畫素點之PII；第十二、第十三、第十四個寄存單元210存著第二行前三個畫素點之PII；第一、第二個寄存單元210存著第三行前兩個畫素點之PII；第三行第三個畫素點之PII在讀取單元10中即將輸出。上述之這九個畫素點剛好組 成第一個3*3畫素點矩陣，下一個時鐘訊號到來時，處理單元23同時得到這九個畫素點之PII，並藉由這九個圖像資訊計算出以第二行第二個畫素點為中心之第一個畫素點矩陣。再來一個時鐘訊號時，上述之九個輸出端之輸出變為以第二行第三個畫素點為中心之第二個圖元點矩陣。如此，每一個時鐘訊號之到來可以完成第一個畫素點矩陣即同時完成九個畫素點之PII之讀取，相比現有技術中只能逐個讀取感光元件中畫素點之PII之軟體方法而言，大大增加了空間濾波之速度。

圖6所示之實施方式中，讀取單元10也相當於一個寄存單元210，用來存儲當前畫素點矩陣之最後一個畫素點之PII，所以處理單元23有一個畫素點之PII是從讀取單元10上獲得之，其他八個畫素點之PII從延遲單元21之八個寄存單元210之輸出端獲得。其他實施方式中，若延遲單元21中之寄存單元210之數量大於或等於二十六個時(即大於或等於圖像中兩行加兩個之畫素點之個數)，處理單元23則可以直接從延遲單元21之九個寄存單元210之輸出端獲得畫素點之PII。其中，每個畫素點之PII為一個二進位資料，本實施方式中，每個寄存單元為一個一位元之D觸發器。

可以看出，圖5所示之實施方式中從讀取單元10輸出之圖像資訊不立刻被讀取，而是延遲二十六個脈衝後(即圖像中兩行加兩個之畫素點之個數)，再開始讀取資料。換句話說，圖像中之第三行第三個畫素點之圖像資訊輸出時開始第一次讀取，因為複數寄存單元210上之PII是同時輸出之，所以處理單元23可以同時讀取到構成第一個畫素點矩陣之九個被延遲之畫素點之PII。

由於圖像往往不只是圖3狀態C所示之12*7之解析度，如1024*768，若仿照圖6所示之矩陣單元20之技術方案，則延遲單元21中至少需要1024*2+2=2050個寄存單元210。如此之多之寄存單元210會使得矩陣單元 20之元件數量太多，體積也將較大。為此，有必要提供一種元件數量較少之延遲單元21。

請參閱圖7，其為另一實施方式之矩陣單元40之結構示意圖，其相對於圖6所示之矩陣單元20之區別在於，延遲單元41採用第一存儲單元410和第二存儲單元412代替圖6中之部分寄存單元210。讀取單元10之輸出端、第一存儲單元410、第二存儲單元412以及處理單元43依次串聯；讀取單元10之輸出端還進一步串聯有四個寄存單元210；第一存儲單元410之輸出端串聯有三個寄存單元210；第二存儲單元412之輸出端串聯有兩個寄存單元210。處理單元43分別與連接於讀取單元10之輸出端之後三個寄存單元210、連接於第一存儲單元410輸出端之三個寄存單元210、連接於第二存儲單元412輸出端之二個寄存單元210、第二存儲單元412之輸出端(共九個)相連，以同時獲得該九個輸出端之九個畫素點之PII。

為了方便理解，下面仍以讀取單元10讀取圖3所示狀態C之圖像為例進行說明。第一存儲單元410和第二存儲單元412分別用於存儲圖像中之一行畫素點之PII，即12個畫素點之PII。由於前一個畫素點之PII之輸出到記憶體之存儲動作需要一個脈衝之時間，即需要一個寄存單元210之延遲時間，所以可存儲12個畫素點之PII之第一存儲單元410或第二存儲單元412便相當於12+1=13個延遲，即等於13個寄存單元210。從而使得第一存儲單元410之輸出要比讀取單元10之輸出晚一個脈衝時間，第二存儲單元412之輸出又要比第一存儲單元410之輸出晚一個脈衝時間，所以圖7中之第一存儲單元410之輸出端比第二存儲單元412多連接一個寄存單元210，以存儲第一存儲單元410比第二存儲單元412早輸出之一個畫素點之PII。同理，讀取單元10之輸出端也需要比第一存儲單元410之輸出端多連接一個寄存單元210。如此可確保一個畫素點矩陣之九個畫素點之PII能同時在各個輸出端輸出 ，處理單元43即可同時獲得九個畫素點之PII。

上述圖像處理裝置100僅僅是以九個畫素點作為一個畫素點矩陣之空間濾波進行舉例，其還可以延伸到十六個等其他數量之畫素點作為一個畫素矩陣之情況，只需要按照上述實施方式之技術思想對應變更寄存單元210之數量與排列方式以及記憶體之個數和容量即可。其原理都是將讀取單元10之輸出端畫素點之PII進行延遲，以實現後續之複數畫素點之PII同時讀取，從而減少空間過濾之時間，使得圖像處理速度大幅度提高。另外，圖像處理裝置100設置複數矩陣單元20、40，並分別設置各矩陣單元20、40進行“膨脹”或“收縮”操作，藉由選擇單元30選擇進行“膨脹”和“收縮”之次數，使圖像處理裝置100一次即可完成數次“膨脹”和“收縮”操作，大大提高圖像空間濾波之速度。

請參閱圖8，一種圖像處理方法，包括如下步驟：

步驟501，依次讀取複數畫素點之PII並輸出。

步驟503，該複數畫素點之PII經過一系列延時後同時輸出；

步驟505，對該同時輸出之複數畫素點之PII進行連續膨脹或收縮處理。該矩陣單元能同時處理複數畫素點之圖像資訊，且同時處理之複數畫素點屬於同一畫素點矩陣。該畫素點矩陣由圖像中某一畫素點以及以該畫素點為中心之周圍畫素點組成，如3*3畫素點矩陣。

步驟507，將膨脹或收縮處理之結果分別傳出。

步驟509，選擇性地輸出上述傳出之處理結果。

上述圖像處理方法藉由連續對複數畫素點之PII進行“膨脹”或“收縮”處理後分別傳出，並選擇性輸出上述傳出之處理結果，如此即可實現圖像之 一次讀取和多次處理，減少讀取步驟，節省了重複讀取之時間，進而提高了圖像處理之速度。

100‧‧‧圖像處理裝置

10‧‧‧讀取單元

20‧‧‧矩陣單元

30‧‧‧選擇單元

50‧‧‧控制單元

Claims (16)

1. 一種圖像處理裝置，包括讀取單元、複數依次連接的矩陣單元、選擇單元以及控制單元，該讀取單元用於讀取圖像的畫素點的圖像資訊，該畫素點的圖像資訊依次經過該複數依次連接的矩陣單元進行膨脹或收縮處理，該複數依次連接的矩陣單元將膨脹或收縮處理後的畫素點的圖像資訊分別傳出，該控制單元用於輸出控制訊號，該控制訊號用於控制該矩陣單元執行膨脹處理還是收縮處理，該選擇單元與該各個矩陣單元的輸出端和該控制單元均相連，用於根據該控制訊號選擇性地輸出該複數矩陣單元的處理結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述之圖像處理裝置，其中該矩陣單元包括延遲單元和處理單元，該延遲單元用於接收該畫素點的圖像資訊，該延遲單元具有複數輸出端，用於分別輸出延遲後的複數畫素點的圖像資訊，該處理單元具有複數輸入端與該延遲單元的複數輸出端相連，該處理單元用於同時接收該延遲單元的複數輸出端輸出的畫素點的圖像資訊並計算得出該矩陣單元的傳出。
3. 如申請專利範圍第2項所述之圖像處理裝置，其中該處理單元包括膨脹處理模組、收縮處理模組以及檢測模組，該膨脹處理模組用於對該矩陣單元讀取的各畫素點的圖像資訊進行或運算，並將結果傳出，該收縮處理模組用於對該矩陣單元讀取的各畫素點的圖像資訊進行與運算，並將結果傳出，該檢測模組用於檢測該控制訊號，並回應該控制訊號確定對該各畫素點的圖像資訊進行膨脹處理還是進行收縮處理。
4. 如申請專利範圍第3項所述之圖像處理裝置，其中該延遲單元至少延遲該讀取單元兩行加兩個數量的畫素點的圖像資訊的輸出時間。
5. 如申請專利範圍第3項所述之圖像處理裝置，其中該延遲單元包括複數寄存單元和存儲單元，該寄存單元和存儲單元用於接收讀取單元輸出的畫素點的圖像資訊並進行延遲，該處理單元用於同時接收複數延遲後的畫素點的圖像資訊。
6. 如申請專利範圍第5項所述之圖像處理裝置，其中該存儲單元用於存儲該讀取單元一行的畫素點的圖像資訊。
7. 如申請專利範圍第5項所述之圖像處理裝置，其中該存儲單元有兩個且串聯連接，該兩個存儲單元的輸出端均串聯有複數寄存單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述之圖像處理裝置，其中該讀取單元的輸出端、該兩個存儲單元以及至少兩個寄存單元依次串聯連接，其中，與讀取單元相連的存儲單元的輸出端進一步串聯有至少兩個寄存單元，讀取單元的輸出端進一步串聯有至少兩個寄存單元。
9. 如申請專利範圍第2項所述之圖像處理裝置，其中該延遲單元包括複數寄存單元，每個寄存單元用於寄存一個畫素點的圖像資訊，該處理單元的複數輸入端分別連接於該複數寄存單元的輸出端，以同時獲得複數畫素點的圖像資訊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之圖像處理裝置，其中該處理單元的複數輸入端中的一個輸入端直接與該讀取單元相連，用於直接接收畫素點的圖像資訊，其餘輸入端連接於該複數寄存單元的輸出端。
11. 如申請專利範圍第9項所述之圖像處理裝置，其中該複數寄存單元依次串聯連接，畫素點的圖像資訊藉由該複數寄存單元依次延時傳遞。
12. 如申請專利範圍第9項所述之圖像處理裝置，其中該寄存單元為D觸發器。
13. 如申請專利範圍第1項所述之圖像處理裝置，其中該控制訊號為一段二進位之代碼，該代碼的位元數根據該矩陣單元的數目進行確定，且該代碼 分為高位段代碼和低位元段代碼，高位段代碼用於控制選擇單元進行選擇，低位元段代碼用於控制矩陣單元執行膨脹處理還是執行收縮處理。
14. 一種圖像處理方法，包括如下步驟：依次讀取複數畫素點的圖像資訊；該複數畫素點的圖像資訊經過一系列延時後同時輸出；該同時輸出的複數畫素點的圖像資訊進行連續膨脹或收縮處理；將每次膨脹或收縮處理後的結果分別傳出；選擇性地輸出上述傳出的處理結果。
15. 如申請專利範圍第14項所述之圖像處理方法，其中該複數畫素點的圖像資訊屬於同一畫素點矩陣，該畫素點矩陣包括一個畫素點以及以該畫素點為中心的周圍畫素點。
16. 如申請專利範圍第14項所述之圖像處理方法，其中該複數畫素點的圖像資訊經過延時後同時輸出以進行膨脹或收縮處理。