Устройство для обработки цифровых изображений

(71) Научно-исспедтут бытовой радиоэл ательскийктронндй нстипар а. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМ ПРИ ГННТ СССР туры(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ(57) Изобретение относится к радио. электронике и информационно-вычислительной технике и может быть использовано в цифровых видеосистемах, включающих операции обработки изображений.Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей эа счет изменения формата изображений. Поставленная.80163684 цель достигается тем, что устройствосодержит блок 1 управления и формирования адреса, блок 2 интерполяции,мультинпекеор 3 и блок 4 памяти,изображений. Устройство обеспечивает полу"чение увеличенного в два раза фрагмента изображения размером 25 бв 256 элементов, хранящегося в блоке 4 памятиизображений. Вычисление значений элементов увеличенной матрицы может производиться в соответствии с ходом телевизонной развертки в квазериальноммасштабе времени. Это повышает эффективность реализации ряда алгоритмовцифровой обработки изображений, например алгоритмов . предварительной обработки изображений, алгоритмов распознавания изображений и др. Крометого, использование интерполяциитретьего порядка позволяет получатьвысокое качество увеличенных изображений. 3 ил.48 3 16368Изобретение относится к радиоэлектронике и информационно-вычислительной технике и может быть использовано в цифровых видеосистемах, включающих операции обработки изображений.Цель изобретения - расширение Функционапьных возможностей за счет изменения формата иэображения,На фиг. 1 представлена функционапь ная схема устройства для обработкицифровых иэображений; на Фиг. 2 -Функционапьная схема блока интерполяции; на Фиг. 3 - функциональная схема блока управления и формирования ад 5реса.Устройство содержит (фиг. 1) блок1 управления и Формирования адреса, .блок 2 интерполяции, мультиплексор 3,блок 4 памяти изображений, входы 5-7выходы 8-11 блока 4 памяти изображений, выходы 12-18 блока 1.Блок 2 интерполяции (фиг. 2), содержит два сумматора 19, делитель 20,элемент НЕ 21, два арифметико-логических узла 22элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕИЛИ 23, группу элементов НЕ 24, элемент ИЛИ.25, мультиплексор 26, регистр 27, умножитель 28 на коэффициент.30Блок 1 управления и формированияадреса (фиг. 3) содержит два триггера 29 и 30, элемент НЕ 31, счетчики32-35, элементы ИЛИ 36-38, элементыИ 39 и 40, мультиплексоры 41, 42,Формат выходного изображения часто выбирают равным 512512 элементов.Поэтому в качестве исходного массивапри увеличении в два раза требуетсямассив размером 256 к 256 точекДля увеличения масштаба цифровых40иэображений в два раза в качестве блокапамяти изображений удобно использоватьФункциональное з апоминающее устройство изображений, которое позволяетсчитывать записанные в нем данные полюбой траектории задаваемой в окне4 К 4 элементав том числе и по траектории, ориентированной вдоль строк,столбцов и диагонапи исходной матрицы. При этом необходимо задавать:16-разрядный адрес положения окна,которое определяется адресом левоговерхнего элемента окна (старший байтуказывает номер строки, а младший -номер столбца, на пересечении которых находится этот элемент); сигналвыбора направления траектории в окне(низкий уровень - траектория вдоль строк, единичный уровень - траекто рия вдоль столбцов); двухразрядные адреса первой, второй, третьей и четвертой точек траектории.Для того, чтобы последовательно получить значения элементов выходной матрицы в соответствии с ходом телевизионной развертки, необходимо на вход блока интерполяции подавать значения четырех соответствукицих элементов исходной матрицы.Для определения (1 с, 1)"х элементов выходной матрицы Ос=0511, 1= =0511), расположенных вдоль 1 "х строк исходной матрицы ( =0255) между 1-ми элементами этих строк Ц=0255)т.е, дпя которых М " четное (1=21), а 1 - нечетное (1=21+1), необходимо Формировать траекторию вдоль строк (горизонтальную)При этом фдля вычисления нечетного 1 "го элемента 1-й строки необходимо задать (1, 1-1) "й адрес верхнего левого элемента окна и горизонтальную траекторию внутри окна. Четный 1-й элемент 1 "й стро-., ки (1=2 выходной матрицы совпадает с -м элементом исходной матрицы или с вторым элементом горизонтальной тра-. ектории окна, верхний левый элемент которого задается ( 1,-1) "м адресом. Последовательно проходя окном с горизонтальной траекторией вдоль строк исходной матрицы, можно определить все элементы выходной матрицы для четных значенийПри определении значений элементов нечетных строк выходной матрицы (1 с= 21+1) необходимо формировать траекторию как вдоль столбцов (вертикапькую), так и вдоль диагонали (диагональную) . Эти траектории задаются сигналами выбора направления траектории в окне и четырьмя адресами точек траектории, подаваемыми на вход функциональной памяти. Вертикальная траектория формируется для определения элементов выходной матрицы, расположенных на пересечении нечетных строк (1 с=21+1) и четных столбцов (1=21). При этом необходимо задать (1"1, "й адрес верхнего левого элемента окна. Диагональная траектория формируется для определения элементов выходной матрицы, расположенных на пересечении нечетных строк (К 21+1) и нечетных столбцов (1=21+1). При этом необходимо задать (-1,"1)-й адрес положения окна.20 5 163684Таким образом, для последователь" ного определения значений выходной матрицы в соответствии с ходом телевизионной развертки необходимо сформировать соответствующий 16-разрядный адрес положения окна, сигнал выбора направления траектории в окне, четыре двухразрядных адресов элементов траектории и подать эти сигналы на вход блока памяти изображений, передать значения с выходов блока памяти на входы блока интерполяции, на выходе которого появится проинтерполироГванное значение, затем переместить окно в новое положение, считать данные с блока памяти, определить следующее проинтерполированное значение и т.д.Блок интерполяции осуществляет интерполяцию третьего порядка (кубическую интерполяцию) над данными, поступающими на его входы. При этом по значениям четырех равноотстоящих отсчетов определяется проинтерполи рованное значение, находящееся посредине между вторым и третьим отсчетом. Интерполяция осуществляется с помощью усеченных функций.Устройство работает следующим образом.Импульсом "Сброс", поступакицим на вход 6 и далее на вход блока 1, про.изводится обнуление триггеров 29 и 30 и счетчиков 32-35. Затем импульсом " 11Начальная установка (НУ) отрицатель 1135 ной полярности, поступающим на вход устройства и далее на вход блока производится вычитание единицы (по ходу обратного счета) из содержимого 40 восьмиразрядных счетчиков 35 и 33, т.е. устанавливается значение (0-1) мод 256=255, так как счет производится по модулю 2 =256. При этом еди 8ничное состояние на входе прямого 45 счета обеспечивается путем инверсии импульса НУ на элементе 31 и подачи его через элементы 36 и 38 на входы прямого счета соответственно счетчиков 35 и 33. Единичное состояние на этих входах во время окончания импульса (перехода из состояния логического нуля в единицу) обеспечивается за счет задержки в элементах 31, 36 и 38. Импульсы тактовой частоты, поступавлие с входа 5 устройства на вход блока 1, поступают на делитель на два, выполненный на первом триггере 29. Импульсы деленной на два тактовой час 8ототы затем поступают на вход прямого счета счетчика 34, а через элементИЛИ 36 - на вход прямого счета счетчика 35. Посла окончания предваритель"ных установок сигналами на входах 6и 7 счетчики 34 и 32 будут иметь нулевое содержимое, а в счетчиках 35и 33 будет хранится значение (0-1)вод 256 255, на выходе переполнениясчетчика 34 установится единичныйуровень, а на прямом выходе триггера 30 установится нулевой уровень, который запрещает прохождение импульсов деленной на два тактовой частотыс выхода триггера 29 на вход управления мультиплексора 42. Этот нулевойуровень будет установлен до моментапереполнения счетчика 35. Нулевымуровнем на входе управления мультиплексора 42 производится передачаданных с первого входа на его выход,Аналогично нулевым уровнем на входеуправления второго мультиплексора41 производится передача данных с первого входа (т,е. с выхода счетчика32) на его выход. Восьжразрядныеданные с выходов первого и второгомультиплексоров объединяются в общий16-разрядный выход 12 адреса, причемданные с выхода мультиплексора 42 являются младшими разрядами, а данныес выхода мультиплексора 41 - старшими разрядами выхода 12 адреса. Приэтом младшие разряды принимают значение 255 (содержимое счетчика 35), астаршие - нулевое значение (содержимое счетчика 32),Нулевой уровень сигнала с прямоговыхода триггера 30 поступает на выход 13 блока 1. Единичный уровень синверсного выхода триггера 30 поступает на вход элемента 37, на другойвход которого поступает нулевой уровень с элемента 40, и проходит ужеинвертированным (нулевым уровнем) вмладшие разряды выходов 15 и 17 и старшие разряды выходов 1 б и 17 .блока1. В старшие разряды выходов 14 и 15,а также в мпадшие разряды двухразрядных выходов 14 и 16 постоянно подается уровень логического нуля. На выходе 13 при этом формируется сигнал нулевого уровня, позволяющий выбратьнаправление траектории вдоль строк,а на выходах 14-17 блока 1 формируются двоичные двухразрядные коды 00,ОО, 00, 00, что позволяет получитьгоризонтальную траекторию. Единич ный уровень с инверсного выхода триггера 30 разрешает прохождение импульсов деленной на два тактовой частотына выход 18, причем на время первоготакта будет установлено значение ло 5.гической единицы, а на время второго -логического нуля.Таким образом, на время первого ивторого периодов тактовой частоты навыходе 12 адреса положения окна будетсформировано значение, при которомверхний левый элемент окна размещается на пересечении первой строки (1=О) и последнего (1=255) столбца матрицы исходного изображения, содержимое счетчиков 34 и 35 увеличиваетсяна единицу только по окончании второго периода тактовой частоты, По нулевому сигналу выбора траектории на вы"20ходе 13 и двухразрядным двоичным адресом 0000, 0000 на выходах 1417 соответственно будет Формироваться горизонтальная траектория. Приэтом на первый выход 8 блока 4 будет передаваться значение элемента,находящегося на пересечении первойстроки матрицы исходного изображения, .на второй выход 9 - значение элемента,находящегося на пересечениипервойстроки и первого столбца, на.третийвыход 10 " значение элемента, находящегося на пересечении первой строки и второго столбца, на четвертыйвыход 11 - значение элемента, находящегося на пересечении первой строкии третьего столбца,Значение второго элемента траектории (элемента, находящегося на пеРесечении первой строки и первогостолбца матрицы исходного изображения)во время первого периода тактовойчастоты через информационный входмультиплексора 3 поступает на выходустройства. Зто значение является значением первого элемента первой строки45выходной матрицы. Одновременно по че-,тырем значениям, поступающим с выходов 8-11 блока 4 на соответствующиевходъ блока 2 интерполяции, на выходепоследнего через некоторое время (вре мя Формирования результата) появляется значение проинтерполированного отсчета. Зто значение во втором периодетактовой частоты через информационныйвход мультиплексора 3 поступает иавыход устройства и является вторым.элементом матрицы выходного изображения. С приходом третьего импульса тактовой частоты на выходе триггера 29 происходит переход из состояния логического нуля в единицу. Вследствие этого содержимое счетчиков 34 и 35 увеличивается на единицу, т.е. в первом счетчике 34 устанавливается значение "1", а во втором "О". Содержимое счетчиков 32 и 33 не изменяется и на выходе 12 блока 1 формируется адрес (О; 0), который позволяет разместить верхний левый элемент окна 44 на пересечении первой строки и первого столбца исходной матрицы. Значения. сигналов на выходах 13-7 не изменяются, поэтому на первом 8, втором 9, третьем 10 и четвертом 11 выходах блока 4 появляется значение соответственно первого, второго, третьего и четвертого элементов первой строки исходной матрицы. Значение второго элемента траектории (элемента, находящегося на пересечении первой строки и второ го стол бца матрицы исходно го изображения) во время третьего периода тактовой частоты через вход мультиплексора 3 поступает на выход устройства. Зто значение является значением третьего элемента первой строки выходной матрицы. Одновременно на выходе блока интерполяции формируется значение нового проинтерполированйого отсчета, которое в четвертом периоде тактовой частоты через мультиплексор 3 передается на выход устройства и является значением четвертого элемента первой строки выходной матрицы.Формирование последующих элементов первой строки выходной матрицы производится подобным образом. С приходом 551-го импульса тактовой частоты на выходе триггера 29 происходит переход из состояния логического нуля в единицу и содержимое счетчиков 34 и 35 увеличивается на единицу, т.е. в первом счетчике 34 устанавливается значение 255, а во втором - 254. На выходе 12 блока 1 формируется адрес (О; 254), который позволяет разместить верхний левый элемент окна 4 к 4 на пересечении первой строки и 254 столбца исходной матрицы. Значения сигналов на выходах 13-17 не изменяются, поэтому на выходах 8-11 блока 4 появятся значения соответственно 254-го, 255-го, нулевого и первого элементов исходной матрицы. Значение второго элемента траектории (элемента, находящего16368 ся на пересечении первой строки и 255-го столбца матрицы исходного изображения) во время 511-го периода тактовой частоты через вход мультиплексора 3 поступает на выход устройства,5 Это значение является значением 511-го элемента первой строки выходной матрицы, Одновременно на выходе блока интерполяции формируется значе ние проинтерполированного отсчета, которое в 512-м периоде тактовой частоты через вход мультиплексора 3 передается на выход устройства и является значением последнего 512-го эле 15 мента первой строки выходной матрицы.С приходом 512-га импульса тактовой частоты на выходе переполнения первого счетчика 34 установится нулевой уровень, а с приходом следующего 513-го импульса тактовой частоты (для простоты, изложения удобно счет импульсов тактовой частоты производить по модулю 512, поэтому 513-й импульс будет соответствовать первому импульсу 25 тактовой частоты второй серии импульсов) на выходе переполнения счетчика 34 установится единичный уровень, па которому на прямом выходе триггера 30 устанавливается единич 5 ый уровень. Содержимое первого счетчика 34 при этом будет равно нулю, а второго счетчика 35 - раьна 255, Переход из состояния логической единицы в нуль на инверсном выходе триггера 30 не изменяет содержимого счетчиков 32 и 33, Единичным уровнем, поступающим с прямого выхода триггера 30, разрешается прохождение на вход управления мультиплексора 42 импульсов деленной на два тактовой частоты с выхода триггера 29, Этим же,единичным уровнем, поступающим на вход управления мультиплексора 21, производится подключение второго входа мультиплексора к его выходу, т.е. на выход будет поступать значение 255 с выхода счетчика 33, Нулевым уровнем, поступающим с инверсного выхода триггера 30, устанавливается нулевой уровень на выходе 18, который, поступая на управляющий вход мультиплексора 3, подключает выход блока интерполяции к выходу устройства. Состояние триггера 30 сохраняется на протяжении последующих 551 импульсов тактовой частоты. Бо время первого 55 импульса тактовой частоты второй серииимпульсов на выходе триггера 29 устанавливается уровень логической едши 48 10цы, который поступает на управляющий вход мультиплексора 42 и подключает его второй вход к выходу. При этом на выходе адреса 12 блока 1 формиру, ется значение (255; О). На выходе 13 блока 1 устанавливается единичный уровень, постугающий с выхода триггера 30. Этот уровень позволяет формировать траекторию в окне вдоль столбцов. На выходах 14-17 формируются двоичные двухразр. - .:дные адреса 00, 00, 00 и 00 соответственно, Таким образом получают вертикальную траекторию в окне 4 х 4 с адресом верхнего левого элемента (255; 0). Пс этим сигналам на выходе 8 блока 4 появится значение первого элемента последнейстроки исходной матрицы, на выходе 9первого элемента первой страхи, навыходе 10 - первого элемента ьтаройстроки, на выходе 11 - первого элемента третьей страни матрицы исходного изображения. По этим данным, поступающим на входы блока интерполяции,формируется праинтерпалираваннае значение на выходе блока 2 интерполяции,которое через мультиглексар по" тупает на выход устройстьа и являетсязначением первого элемента второйстроки выходной матрицы,Формирование последующих элементоввторой строки выходной матрицы прсизводится подобным образам, При этом поочередно фор:5 ируется то вертикальная,то диагональная траектория и саа тветствующие адреса верхних левых элементов окна 4 х 4.Формирование значений элементов последующих нечетных строк производится таким же образом, как и для пер.вой строки выходной матрицыа дляэлементов четных строк - как д; - ,я второй строки выходной матрицы,Блок 2 интерпсляцин работает следующим образом. На ега входы паступа -ют значения четырех отсчетов исход-.ной матрицы Х(0), Х(1), Х(2), Х(3) .Босьмиразрядные значения отсчетов,поступающие на первый и второй входыблока интерполяции, суммируются напервом сумматоре 9, с выхода которо-.го девятиразрядная сумма (восемь разрядов результата плюс разряд переноса)поступает на вход первого арифметикологического узла (АПУ) 22. Босьмиразрядные значения отсчетов, поступающиена третий и четвертый входы блока 2,суммируются на втором сумматоре 191111636848 12с выхода которого девятиразрядная сум- Если переполнения нет, то на вхома поступает на вход первого АЛУ 22. де управления полярностью ИО региетНа входы управления 5 , 5, 5, 5 э . ра установится единичный уровень, напостоянно поступает двоичный код 0110, входе сброса Й " единичнйй уровень,.позволяющийпроизводить операцию вы что позволяет передать данные с вхочитания значения, поступающего на вто- да регистра на его выход, т.е, на вырой вход, из значения, поступающегоход блока 2.на первый вход, Если разница положи- Если есть переполнение, то на вхотельная, то ее значение представляет де управления полярностью ИО регистся в прямом коде. ЗнаЧение разницы ра установится нулевой уровень, наумножается далее на 53/256 умножите: входе сброса Й - нулевой уровень илем 28 и с его выхода поступает на нулевое содержимое регистра инвертивход второго АЛУ 22. На его входах руется и поступает на его выход.управления при этом формируется код 15 Это означает, что все значения, выхо 1001, позволякиций производить опера-,дящие за верхний предел динамическоцию суммирования значений, поступаю- го диапазона, будут заменены максимапь-(щих на его входы данных. ным значением, которое равно 255 (вЕсли разница на выходе первого АЛУ двоичном коде восемь единичных раз 22 отрицательная, то ее значение пред рядов) .ставляется в обратном коде, а на вы- Если на втором АЛУ 22 производитходе переноса появляется единичный ся операция вычитания: единичный уроуровень, который позволяет передать вень на выходе переполнения первогоинвертированное значение разницы АЛУ и отрицательное значение разницы(т.е. представленное уже впрямом ко Х(1)+Х(2)1 "Х(0)+Х(3 на выходе перде) с второго входа мультиплексора вого АЛУ, то единичный уровень на вы 26 на его выход. Значение разницы ум- ходе переполнения второго АЛУ свиденожается далее на 53/256 и поступает тельствует об от)ицательном значениина второй вход второго АЛУ 22, на на выходе " второго АЛУ, а нулевой - овходах управления которого при этом 30 положительном значении результата.формируется код 0110, позволяющий вы-Если результат положительный, то начесть значение В из значения А. входе управления полярностью ИО реТак как на вход А второго АЛУ 22 гистра 27 установится единичный уропоступает значение суммы Х(1) +Х(2)11вень, на вход сброса Й - единичный. то на его выходе будет формироваться уровень, что позволяет передать данэначение в соответствии с выоажением ные с входа регистра на выход блока 2.: (Х(1) тХ(2+Х(1) тХ(2 - . Если результат отрицательньн 2, тона входе управления полярностью ИО-ХО+Хрегистра установится единичный уро 5 25640вень, на.входе сброса Й - нулевой уроПри этом если на втором АЛУ 22 вень, и нулевое содержимое регистрапроизводится операция суммирования; поступает на выход. Это означает, чтонизкий уровень на выходе переноса АЛУ все значения, выходящие за нижний22 и положительное значение разницы предел динамического диапазона, бу Х(1)+Х(2) -Х(0)+Х(3)1, на выходе пер дут заменены минимальным (нулевым)вого.АЛУ 22, то единичный уровень на значением,выходе переноса второго АЛУ 22 свиде- Операции, замены значений на минительствует о том, что переполнения мальное и максимальное (при отринет а нулевой - о наличии переполне- цательном результате и переполненииЭния. Данные с выхода делителя 20 пос соответственно) позволяет сохранитьтупают на вход регистра 27, в качест- диапазон выходных данных таким же,ве которого используется многофункци- как и входных. При обработке изобраонапьный буферный регистр, позволя- жевий отрицательное значение яркостикщий производить инверсию данных на лишено смысла, а максимальное значеего выходе при нулевом уровне сигна". 5 ние яркости ограничено техническимила управления полярностью данных ИО, характеристиками дисплея,а также обнуление содержимого регист- ф о р м у л а и э о б р е т е н и я,ра при нулевом уровне сигнала сброса Устройство для обработки цифровыхЙ. иэображений, содержащие блок управле1 З 163 ния и формирования адреса, мультиплексор, блок памяти изображений, группа адресных входов которого соединена соответствЕнно с группой адресных выходов блока управления и формирования ад реса, первый управляющий выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора, выход которого является выходом устрайства, первый информационный вход мультиплексора соединен с соответствущциИ выходом блока памяти изображений, вмод задания режима которого соединен е диной логического нуля, первый вход блока управления соединен с входом тактовых импульсов устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет изменения формата иэображения, оно дополнительно содержит блок интерполяции, выход которого соединен с вторым информационным входом мультиплексора, а первый, второй, третий и четвертый входы = соответственно с выходами блока памяти изображений, управляющий вход которого соединен с вторым управляющим выходом блока управления и формирования адреса, второй и третий входы которого соединены соответственно с входами сброса и начальной установки устройства, причем блок интерполяции содержит первый и второй сумматоры, первый и второй арифметико-логические узлы элемент НЕ группу элементов НЕ, мультиплексор, элемент ИЛИ, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, умножитель на коэффициент, делитель, .регистр, пер- вый и второй информационные входы первого сумматора соединены соответственно с первым и вторым входами блока интерполяции, первый и второй информационные входы второго сумматора соединены соответственно с третьим 6848 14 и четвертым входами блока интерполяции, выход первого сумматора и его выход переноса соединены с первыми информационными входами первого и второго арифметико-логического узла, выход второго сумматора и его выход переноса соединены с вторым информационным входом первого арифметикологического узла, вход управления которого соединен с входом константы устройства, а информационный выход соединен с первым информационным входом мультиплексора блока и входами элементов НЕ группы, выходы которых соединены с вторым информационным входом мультиплексора блока, выход которого соединен с входом умножителя на коэффициент, выход которого соединен с вторым информационным входом второго арифметико-логического узла, информационный выход которого соединен с входом делителя, выход которого соединен с информаци онвым входом регистра, выход которо,го является выходом блока интерполяции, выход переноса первого арифметико-логического узла соединен сего входом переноса входом управления мультиплексора, входом элемента НЕ, вторым и третьим входами управления второго арифметика-логическогоузла, первым входом элемента ИЛИ и первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с входом З 5 сброса регистра, выход элемента НЕсоединен с первым и вторым управляющими входами второго арифметико-логического узла, выход переноса которого соединен с его входом переноса, вторыми входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом управления , полярностью регистра.1636848 Составитель Л.Логаче тор С. Пекарь Техред Л,Сердюкова, орректор Т. Иапец За роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 816НИИПИ Госуда Тираж 42 Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5