专利名称：快速图像几何矩和中心矩快速计算结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据处理技术，具体地说是一种图像几何矩和中心矩快速 计算结构，可被应用于图像处理、计算机视觉和模式识别等领域。
背景技术：
矩在统计学中用于表征随机量的分布，对于数字图像，二维离散矩特 征具有旋转和平移不变特性，几何矩和中心矩的快速计算结构设计对于基
于RTL(旋转、平移和尺度)不变特性的目标识别与检测、目标成像跟踪、 机器人视觉、模式识别与智能系统领域具有重要的意义。在现有技术中， 图像几何矩和中心矩计算一般处于理论研究阶段，也有人通过软件程序的 执行方式直接应用图像几何矩和中心矩计算公式，实施基于微处理器的串 行计算，但这种方式计算速度慢，不能满足实时性要求较高的场合。
发明内容
为了克服基于微处理器的串行计算在图像几何矩和中心矩计算速度 慢，不能满足实时性要求较高的场合应用的问题，本发明的目的在于提出 一种具有占用逻辑资源少、计算速度快、延时小特点的快速图像几何矩和 中心矩快速计算结构。
本发明技术方案包括
数字滤波器栅格，数字滤波器栅格中置入有图像数据，数字滤波器栅 格在像素时钟及其倍频时钟下进行规则迭代计算；
几何矩计算单元，将来自数字滤波器栅格的数字滤波器栅格不同节点 的输出耦合起来，得到图像的几何矩；
质心计算单元，以几何矩计算结果为输入数据、在像素时钟下进行质 心计算，将几何矩的输出耦合起来，得几何矩；
中心矩计算单元，其输入数据来自几何矩计算单元和质心计算单元， 将几何矩和质心的输出耦合起来，得到图像中心矩。
所述规则迭代计算采用流水线结构进行一维迭代处理，再将一维处理 单元进行垂直方向连接，构成二维脉动阵列结构；数字滤波器栅格为串联 的水平滤波器和垂直滤波器组合结构，每一滤波器的基本组成是加法器和 延迟单元；水平滤波器中的加法器为超前进位加法器，垂直滤波器中的加 法器为进位传送加法器。
所述几何矩计算单元由第一 二计算单元组成，第一计算单元的输入输 出关系为C二2B-A;第二计算单元的输入输出关系为D=6(C-B)+A;所述几 何矩计算单元的输出即为图像的三阶以下、含三阶几何矩；所述质心计算
3单元由第三计算单元组成，其输入输出关系为C=B/A;所述中心矩计算单 元由第四 七计算单元组成，第四计算单元的输入输出关系为 G=F-AE-BD+ABC;第五计算单元的输入输出关系为D=C-AB;第六计算单 元的输入输出关系为G=F-AE-2BD+2B2C;第七计算单元的输入输出关系为 E=D-3AC+2A2B。
中心矩计算单元的输出为图像的三阶以下含三阶中心矩；所述倍频时 钟釆用能得到四倍频像素时钟的锁相环电路。 本发明的有益效果是
本发明图像几何矩和中心矩快速计算结构用于数字图像矩特征的提 取，它釆用流水线结构设计，具有计算速度快、功耗低、延时小等优点。
本发明通过优化的数字滤波器栅格结构设计，使其具有占用逻辑资源 少、功耗低的优点，在实时性要求较高的场合具有很好的应用价值。
图1为本发明几何矩和中心矩快速计算结构的组成关系框图。
图2为本发明釆用的数字滤波器原理图。 图3为本发明一个实施例数字滤波器栅格结构。 图4为本发明一个实施例第一计算单元原理图。 图5为本发明一个实施例第二计算单元原理图。 图6为本发明一个实施例几何矩计算原理图。 图7为本发明一个实施例第三计算单元原理图。 图8为本发明一个实施例质心计算原理图。 图9为本发明一个实施例第四计算单元原理图。
图io为本发明一个实施例第五计算单元原理图。
图11为本发明一个实施例第六计算单元原理图。 图12为本发明一个实施例第七计算单元原理图。 图13为本发明一个实施例中心矩计算原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明图像几何矩及中心矩快速计算结构，由数字滤波 器栅格、几何矩计算单元、质心计算单元和中心矩计算单元组成，在像素 时钟下，将图像数据置入流水线结构设计的数字滤波器栅格中，数字滤波 器栅格在像素时钟及其四倍频时钟下进行规则迭代计算，将数字滤波器栅 格不同节点的输出耦合起来，得到图像的几何矩；质心计算单元以几何矩
计算结果为输入数据、在像素时钟下进行质心计算，将几何矩的输出耦合 起来，得几何矩；中心矩计算单元的输入数据来自几何矩计算单元和质心
计算单元，将几何矩和质心的输出耦合起来，得到图像中心矩。
如图3所示，规则迭代计算使用流水线结构进行一维迭代处理，再将 一维处理单元进行垂直方向连接，构成二维脉动阵列结构；本发明规则迭 代计算用数字滤波器栅格实质上是一种二维脉动阵列结构。具体如下数字滤波器栅格为串联的水平滤波器HF和垂直滤波器VF组合结构， 数字滤波器栅格实质上是串联累加器结构；垂直滤波器的输出(节点y00、 y01、 y02、 y03、 y10、 yll、 y12、 y20、 y21、 y30)分别连接至几何矩计算 单元。
每一滤波器的基本组成是加法器和延迟单元(Z—')，参见图2。水平滤 波器HF中的加法器为超前进位加法器，垂直滤波器VF中的加法器为进位 传送加法器。离散的二维图像数据由第一个水平滤波器HF输入(见图3)。
数字滤波器栅格工作过程如下
对于一幅离散的二维数字图像，第一行数据依次输入水平滤波器HF, 当4个水平滤波器HF全部完成该行数据的累加搡作后，节点yO y3将累加 值向下传递给相应的垂直滤波器VF。然后，4个水平滤波器HF清零，同 时，所有垂直滤波器VF开始进行累加操作。接下来，第二行数据开始输入 水平滤波器HF,然后，重复上面的操作，直到完成整幅图像数据的累加搡 作。对于实时数字视频流，垂直累加操作可以在行消隐期间完成；对于缓 存的数字图像，需要为垂直累加操作提供延时周期再开始下一行数据的输 入。数字滤波器栅格结构在4倍于图像数据的时钟下工作，倍频时钟是通 过引入锁相环电路(PLL)得到的。
如图4-6所示，几何矩计算单元由第一 二计算单元C1 C2组成，第 一计算单元Cl的输入输出关系为C=2B-A;第二计算单元C2的输入输出 关系为D=6(C-B)+A。几何矩计算单元的输出(节点m00、 m01、 m10、 mll、 m02、 m20、 m21、 m12、 m03、 m30)即为图像的三阶以下(含三阶)几何 矩，几何矩计算单元的输出节点mOO、 m01和mlO连接至质心计算单元。
垂直节点y01 y02经第一计算单元Cl得图像的02阶几何矩m02,输 入输出关系为m02=2 y02- y01;
垂直节点y01 y03经第二计算单元C2得图像的03阶几何矩m03,输 入输出关系为m03=6(y03- y02)+ y01;
垂直节点y21、 yll经第一计算单元Cl得图像的21阶几何矩m21,输 入输出关系为m21=2yll-y21;
垂直节点yl2、 yll经第一计算单元Cl得图像的12阶几何矩ml2,输 入输出关系为ml2=2yl2-yll;
垂直节点y10、 y20经第一计算单元Cl得图像的20阶几何矩m20,输 入输出关系为m20=2 y20-yl0;
垂直节点y30、y20、ylO经第二计算单元C2得图像的30阶几何矩m30, 输入输出关系为m30=6(y30-y20)+yl0;
垂直节点y00直接构成图像的00阶几何矩m00;
垂直节点y01直接构成图像的Ol阶几何矩m01;
垂直节点ylO直接构成图像的10阶几何矩ml0;
垂直节点yll直接构成图像的11阶几何矩mll。如图7-8所示，质心计算单元由第三计算单元C3组成，其输入输出关 系为C二B/A,使用除法器实现。几何矩的输出m00、 m01经第三计算单元 C3得图像的质心水平坐标，输入输出关系为X()=m01/m00;几何矩的输出 m10、 m00经第三计算单元C3得图像的质心垂直坐标，输入输出关系为y0= m10/ mOO;
如图9-13所示，质心计算单元的输出坐标(x。和y。)和几何矩计算单 元的输出共同连接至中心矩计算单元。
如图9-12所示，中心矩计算单元由第四 七计算单元C4 C7组成，第 四计算单元C4的输入输出关系为G=F-AE-BD+ABC;第五计算单元C5的 输入输出关系为D=C-AB;第六计算单元C6的输入输出关系为 G=F-AE-2BD+2B2C;第七计算单元C7的输入输出关系为E=D-3AC+2A2B。
如图13所示，几何矩的输出mOO、 m01、 m10、 mll、质心水平和垂直 坐标值经第四计算单元C4得图像的中心矩pll,输入输出关系为pll=mll-x0mlO-y m01+ x0 y0 mOO;
几何矩的输出mOl、 m02、质心垂直坐标值经第五计算单元C5得图像 的中心矩H02,输入输出关系为|i02= m02-y 。mO 1;
几何矩的输出m10、 m20、质心水平坐标值经第五计算单元C5得图像 的中心矩p20,输入输出关系为^i20=m20-x0ml0;
几何矩的输出mll、 m02、 m12、 m 10、质心水平和垂直坐标值经第六 计算单元C6得图像的中心矩p12,输入输出关系为pl2= m 12- y 0 m 02-2x0m 11 +2x02m 10;
几何矩的输出m01、 mll、 m20、 m21、质心水平和垂直坐标值经第六 计算单元C6得图像的中心矩|Li21,输入输出关系为)Li21= m 21 x o m 20-2y0mll+2y02m01;
几何矩的输出m01、 m02、 m03、质心垂直坐标值经第七计算单元C7 得图像的中心矩H03,输入输出关系为|i03=m03-3yom02+2yo2m01;
几何矩的输出m10、 m20、 m30、质心水平坐;示值经第七计算单元C7 得图像的中心矩p30，输入输出关系为^30=m30-3x0m20+2x02ml0;
中心矩计算^元的输出(|aOO、 p01、 p10、 pll、 p02、 |i20、 p21、 pl2、 p03、 p30)即为图像的三阶以下(含三阶)中心矩。
本发明几何矩和不变矩的快速计算结构设计涉及超大规模集成电路、 数字信号处理离散数学和数据结构等技术，通过对原始的图像几何矩和不 变矩计算公式进行优化，提取其规则迭代部分，通过数字滤波器栅格实现 规则迭代计算，再将数字滤波器栅格的输出进行优化计算，得到图像的几 何矩和中心矩。该方案具有占用资源少、计算速度快、延时小和易于硬件 实现等特点，适合对实时性要求较高的场合应用。
权利要求
1. 一种图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征包括数字滤波器栅格，数字滤波器栅格中置入有图像数据，数字滤波器栅格在像素时钟及其倍频时钟下进行规则迭代计算；几何矩计算单元，将来自数字滤波器栅格的数字滤波器栅格不同节点的输出耦合起来，得到图像的几何矩；质心计算单元，以几何矩计算结果为输入数据、在像素时钟下进行质心计算，将几何矩的输出耦合起来，得几何矩；中心矩计算单元，其输入数据来自几何矩计算单元和质心计算单元，将几何矩和质心的输出耦合起来，得到图像中心矩。
2. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是 所述规则迭代计算釆用流水线结构进行一维迭代处理，再将一维处理单元 进行垂直方向连接，构成二维脉动阵列结构。
3. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是 数字滤波器栅格为串联的水平滤波器和垂直滤波器组合结构，每一滤波器 的基本组成是加法器和延迟单元。
4. 根据权利要求3所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是 水平滤波器中的加法器为超前进位加法器，垂直滤波器中的加法器为进位 传送加法器。
5. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是 所述几何矩计算单元由第一 二计算单元组成，第一计算单元的输入输出关 系为C=2B-A;第二计算单元的输入输出关系为D=6(C-B)+A。
6. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是 所述几何矩计算单元的输出即为图像的三阶以下、含三阶几何矩。
7. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是 所述质心计算单元由第三计算单元组成，其输入输出关系为C=B/A。
8. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是 所述中心矩计算单元由第四 七计算单元组成，第四计算单元的输入输出关 系为G=F-AE-BD+ABC;第五计算单元的输入输出关系为D=C-AB;第六 计算单元的输入输出关系为G=F-AE-2BD+2B2C;第七计算单元的输入输出关系为E=D-3AC+2A2B。
9. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征是: 中心矩计算单元的输出为图像的三阶以下含三阶中心矩。
10. 根据权利要求1所述图像几何矩及中心矩快速计算结构，其特征 是所述倍频时钟釆用能得到四倍频像素时钟的锁相环电路。
全文摘要
本发明公开一种图像几何矩和中心矩快速计算结构，由数字滤波器栅格、几何矩计算单元、质心计算单元和中心矩计算单元组成，其中数字滤波器栅格，数字滤波器栅格中置入有图像数据，数字滤波器栅格在像素时钟及其倍频时钟下进行规则迭代计算；几何矩计算单元，将来自数字滤波器栅格的数字滤波器栅格不同节点的输出耦合起来，得到图像的几何矩；质心计算单元，以几何矩计算结果为输入数据、在像素时钟下进行质心计算，将几何矩的输出耦合起来，得几何矩；中心矩计算单元，输入数据来自几何矩计算单元和质心计算单元，将几何矩和质心的输出耦合起来，得到图像中心矩。它具有占用逻辑资源少、计算速度快的特点，在目标识别与检测领域有很好的使用价值。
文档编号G06K9/46GK101425174SQ200710157860
公开日2009年5月6日 申请日期2007年10月31日 优先权日2007年10月31日
发明者侯绪奎, 丹 朱, 嵩 李, 王玉良, 刚 赵 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所