CN104394411A - 中值滤波装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中值滤波装置及方法，在现有数据缓冲区电路、数据寄存器电路的基础上，增加了重新排序电路、比较电路和数据更新电路，通过重新排序电路对上一时钟周期信号数据按大小进行排序，通过比较电路将当前时钟周期新进入的信号数据与已有信号数据进行大小比较，生成中值，再通过数据更新电路将新的所有信号数据的编码更新至数据寄存器电路中，以便于下一时钟周期的中值计算。本发明可以将数据缓冲区电路和数据寄存器电路的深度从N个减少为N-1个，从而实现更少的存储设备、更小的电路面积、更简单的数据处理和更高的效率。

Description

中值滤波装置及方法
技术领域
本发明涉及中值滤波技术领域，尤其涉及一种中值滤波装置及方法。
背景技术
众所周知，在图像处理领域中，经常需要从复杂背景中分辨出微弱的目标。由于这类图像信号的信噪比较低，往往会采用各种滤波预处理来有效地降低图像信号中的背景噪声或突发性的随机噪声等，以达到增强目标图像质量的目的。例如，在超声成像系统中，采用频谱多普勒技术检测心脏或动静脉内的血流速度时，所获得的血流图像中往往存在随机噪声和极值噪声。为了改善血流图像质量，增强超声检测的准确性，必须通过对图像信号进行滤波来消除或至少减小这些噪声。视系统的复杂度和可用资源的数量而定来选择诸如像素点的纵向滤波或横向滤波、非线性中值滤波、空间平滑滤波之类的各种滤波方法，其中，中值滤波能够很好地消除突发的随机斑点噪声，因而得到很广泛的应用。
中值滤波是一种非线性数字滤波器技术，是图像处理中的一个常用步骤，常用于去除图像或者其它信号中的噪声。中值滤波方法的设计思想就是检查输入信号中的采样并判断它是否代表了信号，使用N个(N为奇数)采样组成的观察窗实现这项功能；观察窗口中的数值进行排序，位于观察窗中间的中值作为输出；然后，丢弃最早的值，取得新的采样，重复上面的计算过程。
现有的中值滤波装置主要有两种结构：
第一种中值滤波装置包括深度为N的数据缓冲区和深度为N的数据寄存器，信号数据按先进先出原则存储在深度为N的数据缓冲区中，另有深度为N的数据寄存器储存当前N个数据的大小，用0～N-1表示，0表示最小，N-1表示最大。当有新的信号数据进入时，对最新的N个数据进行排序，并更新数据寄存器中的值。中值就是数据寄存器内数据大小为N/2+1的数据。
第二种中值滤波装置包括深度为N的数据缓冲区和深度为N的数据寄存器，N个数据按大小排列，存储在深度为N的数据缓冲区中，另有N个寄存器存储N个数据进出的先后顺序。当有新的数据进入时，最新的N个数据按大小重新排序，更新当前N个数据的先后顺序。
然而，不论哪种结构，都必须采用2个深度为N的数据缓冲区和数据寄存器，数据存储量较大，数据处理较复杂，需要的中值滤波电路面积也较大，影响中值滤波装置的工作效率。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种中值滤波装置及方法，可将数据存储设备的深度从N个减少为N-1个，从而实现更小的电路面积、更简单的数据处理、更高的工作效率。
为实现上述目的，本发明提供一种中值滤波装置，用于在每个时钟周期的N个信号数据中获取中值，其包括：
数据缓冲区电路，其深度为N-1，用于存储上一时钟周期按照进入中值滤波装置的先后顺序进行排列的信号数据；
数据寄存器电路，其深度为N-1，用于按照进入所述中值滤波装置的排列顺序存储所述数据缓冲区电路中每个信号数据在所有信号数据中对应大小的编码；
重新排序电路，分别与所述数据缓冲区电路和数据寄存器电路相连，用于将所述数据缓冲区电路中的所有信号数据按照所述数据寄存器电路中每个信号数据的编码，进行从大到小或从小到大排序，得到重新排序后的信号数据序列；
比较电路，与所述重新排序电路相连，用于将当前时钟周期新进入到所述中值滤波装置的信号数据，与所述信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码，并生成中值；
数据更新电路，分别与所述比较电路和数据寄存器电路相连，用于将比较电路得到的新的所有信号数据的编码，去除当前时钟周期将要离开所述中值滤波装置的信号数据编码后，按照进入所述中值滤波装置的排列顺序更新至所述数据寄存器电路中。
其中，本发明所述“N”表示数据的个数，每个数据对应一个单位的存储单元，深度N-1的存储区，如数据缓冲区电路和数据寄存器电路，就对应一个具有N-1个存储单元的存储区，N一般为正整数。
进一步地，所述编码采用二进制、十进制或十六进制。
进一步地，所述N为奇数。
本发明还提供一种中值滤波方法，用于在每个时钟周期的N个信号数据中获取中值，其包括以下步骤：
步骤S01，上一时钟周期下，数据缓冲区电路存储按照进入中值滤波装置的先后顺序进行排列的N-1个信号数据；数据寄存器电路按照进入所述中值滤波装置的排列顺序存储每个信号数据在所有信号数据中对应大小的编码，具有N-1个；重新排序电路将所有信号数据按照每个信号数据的编码，进行从大到小或从小到大排序，得到重新排序后的信号数据序列；
步骤S02，当前时钟周期下，新的信号数据进入所述中值滤波装置；
步骤S03，比较电路将新进入的信号数据与所述信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码，具有N个，并生成中值；
步骤S04，数据更新电路将所述比较电路得到的新的所有信号数据的编码，按照进入所述中值滤波装置的排列顺序更新至所述数据寄存器电路中，同时去除当前时钟周期将要离开所述中值滤波装置的信号数据的编码；
步骤S05，最早进入的信号数据离开所述中值滤波装置。
进一步地，步骤S03包括比较电路将所述信号数据序列中当前时钟周期将要离开的信号数据的前后取相同的对应大小的编码，得到N个新进入信号数据可能的编码，并将新进入的信号数据与信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码。
进一步地，所述编码采用二进制、十进制或十六进制。
进一步地，步骤S03中生成中值包括在得到N个信号数据的编码后，按照大小排列，取第(N-1)/2+1个信号数据的值作为中值。
进一步地，步骤S05还包括所述数据缓冲区电路去除最早进入中值滤波装置的信号数据，添加新进入的信号数据。
进一步地，所述N为奇数。
本发明提供的中值滤波装置及方法，在现有数据缓冲区电路、数据寄存器电路的基础上，增加了重新排序电路、比较电路和数据更新电路，通过重新排序电路对上一时钟周期信号数据按大小进行排序，通过比较电路将当前时钟周期新进入的信号数据与已有信号数据进行大小比较，生成中值，再通过数据更新电路将新的所有信号数据的对应大小的编码更新至数据寄存器电路中，以便于下一时钟周期的中值计算。通过上述装置的设置和生成中值的方法，可以将数据缓冲区电路和数据寄存器电路的深度从N个减少为N-1个，从而实现更少的存储设备、更小的电路面积、更简单的数据处理和更高的工作效率。此外，对于N＝2^M+1的中值滤波器，由于只需要对N-1个信号数据进行编码，且优选对将要离开的信号数据前后取相同的编码，编码位宽可以由M+1位减少为M位。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1为本发明中值滤波装置的电路结构示意图；
图2为本发明中值滤波方法的流程示意图；
图3为本发明中值滤波方法中比较电路处理新进入信号数据的示意图；
图4为本发明第一实施例中某一时钟周期下信号数据处理示意图；
图5为本发明第一实施例中下一时钟周期下信号数据处理示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的中值滤波装置，用于在每个时钟周期的N个信号数据中获取中值，其包括：
数据缓冲区电路1，其深度为N-1，即存储容量为N-1个数据，用于存储上一时钟周期按照进入中值滤波装置的先后顺序进行排列的信号数据，其编号为DN-2,DN-3,…,D2,D1,D0，其中，D0为最先进入中值滤波装置中数据缓冲区电路1的数据，DN-2为最后进入中值滤波装置中数据缓冲区电路1的数据。
数据寄存器电路2，其深度为N-1，即存储容量为N-1个数据，用于按照进入中值滤波装置的排列顺序，存储数据缓冲区电路中每个信号数据在所有信号数据中对应大小的编码，其编号为CN-2,CN-3,…,C2,C1,C0，其中，CN-2,CN-3,…,C2,C1,C0分别对应数据缓冲区电路中信号数据DN-2,DN-3,…,D2,D1,D0的对应大小的编码。
本发明所述的“对应大小的编码”是表示每个信号数据在所有信号数据中的对应数值大小关系的编码，比如以0、1、2…N-1的十进制编码表示数值从小到大。实际应用中，编码也可以采用二进制编码、十六进制编码等。
重新排序电路3，分别与数据缓冲区电路1和数据寄存器电路2相连，用于将数据缓冲区电路1中的所有信号数据按照数据寄存器电路2中每个信号数据的编码，进行从大到小或从小到大排序，得到重新排序后的信号数据序列，其编号为DSN-2,DSN-3,…,DS2,DS1,DS0，其关系为；DSN-2≥DSN-3≥…≥DS2≥DS1≥DS0。
比较电路4，与重新排序电路3相连，用于将当前时钟周期新进入到中值滤波装置的信号数据DIN，与信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码，并生成中值。
数据更新电路5，分别与比较电路4和数据寄存器电路2相连，用于将比较电路4得到的新的所有信号数据的编码，去除当前时钟周期将要离开所述中值滤波装置的信号数据编码后，按照进入中值滤波装置的排列顺序更新至所述数据寄存器电路2中，得到的新的所有信号数据的编码C’N-2,C’N-3,…,C’2,C’1,C’0对应信号数据DIN,DN-2,DN-3,…,D2,D1,D0的大小。
其中，N为奇数。
请继续参阅图2，本发明的中值滤波方法，用于在每个时钟周期的N个信号数据中获取中值，其包括以下步骤：
步骤S01，上一时钟周期下，数据缓冲区电路存储按照进入中值滤波装置的先后顺序进行排列的N-1个信号数据；数据寄存器电路按照进入中值滤波装置的排列顺序存储每个信号数据在所有信号数据中对应大小的编码，具有N-1个；重新排序电路将所有信号数据按照每个信号数据的编码，进行从大到小或从小到大排序，得到重新排序后的信号数据序列；
步骤S02，当前时钟周期下，新的信号数据进入中值滤波装置；
步骤S03，比较电路，将新进入的信号数据，与信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码，具有N个，并生成中值；
步骤S04，数据更新电路将所述比较电路得到的新的所有信号数据的编码，按照进入所述中值滤波装置的排列顺序更新至所述数据寄存器电路中，同时去除当前时钟周期将要离开所述中值滤波装置的信号数据的编码(即最早进入的信号数据)；
步骤S05，最早进入的信号数据离开中值滤波装置。
其中，步骤S03较佳地可通过以下方法实现：比较电路将所述信号数据序列中当前时钟周期将要离开的信号数据的前后取相同的对应大小的编码，得到N个新进入信号数据可能的编码，并将新进入的信号数据与信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码，其具有N个，并生成中值。具体地，如图3所示，对重新排序电路得到的信号数据序列DSN-2,DSN-3,…,DS2,DS1,DS0每两个相邻数据以及整个序列两端分别定义位置编码，即表示新进入信号数据可能的位置，假设当前时钟周期将要离开的信号数据为DS2，则对DS2的前后两边取相同的编码，形成的编码编号为SN-1,SN-2,..,S2,S1,S0，其中SN-1的位置表示DIN≥DSN-2，S4的位置表示DS4>DIN≥DS3，S3的位置表示DS3>DIN≥DS2，S2的位置表示DS2>DIN≥DS1，S1的位置表示DS1>DIN≥DS0,S0的位置表示DS0>DIN，编码从大到小为N-2…3,2,2,1,0，因此，N个新进入信号数据可能的位置只需要N-1种编码。随后比较电路将新进入的信号数据与信号数据序列中的所有信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的编码，包括将要离开的信号数据，其具有N个。较佳地，生成中值包括在得到N个信号数据的编码后，按照大小排列，取第(N-1)/2+1个信号数据的值作为中值。
其中，步骤S05还包括所述数据缓冲区电路去除最早进入中值滤波装置的信号数据，添加新进入的信号数据。
其中，N为奇数。
以下以N＝5的中值滤波装置为例，具体说明某一时钟周期以及下一时钟周期下信号数据的处理方法，请同时参阅图4与图5。
图4中，当前时钟周期下，数据缓冲区电路已有按照进入中值滤波装置先后顺序排列的4个信号数据FFH、B0H、80H、40H，其中虚线框内的00H已在上一时钟周期至当前时钟周期过程中被去除。数据寄存器电路按照这4个信号数据的顺序存储其对应大小的编码3、2、1、0。重新排序电路将这4个信号数据从大到小排序，得到信号数据序列FFH、B0H、80H、40H。
当前时钟周期下，有一个新的信号数据A0H进入到中值滤波装置，比较电路对将要离开的信号数据40H的前后取相同编码00，其余位置从小到大依次取二进制编码01、10、11。比较电路将A0H与这4个信号数据进行大小比较，得到A0H的编码为01，新的序列为FFH、B0H、A0H、80H、40H，并生成中值A0H。
数据更新电路将比较电路得到的新的信号数据的编码，去除将要离开的信号数据40H之后，将新的编码1、3、2、0更新至数据寄存器电路中。
最后，进入最早的信号数据40H离开中值滤波装置，并离开数据缓冲区电路。
如图5，下一时钟周期下，80H为将要离开的信号数据，75H为新进入的信号数据，按照同样的方法，数据缓冲区电路按顺序存储信号数据A0H、FFH、B0H、80H，数据寄存器电路按顺序存储编码1、3、2、0。
75H进入到中值滤波装置，比较电路经过比较其与其余信号数据的大小，得到75H的编码为00，新的序列为FFH、B0H、A0H、80H、75H，并生成中值A0H。
数据更新电路去除80H之后，将新的编码0、1、3、2更新至数据寄存器电路中。
最后，80H离开数据缓冲区电路。

Claims (9)

1.一种中值滤波装置，用于在每个时钟周期的N个信号数据中获取中值，其特征在于，其包括：
数据缓冲区电路，其深度为N-1，用于存储上一时钟周期按照进入中值滤波装置的先后顺序进行排列的信号数据；
数据寄存器电路，其深度为N-1，用于按照进入所述中值滤波装置的排列顺序存储所述数据缓冲区电路中每个信号数据在所有信号数据中对应大小的编码；
重新排序电路，分别与所述数据缓冲区电路和数据寄存器电路相连，用于将所述数据缓冲区电路中的所有信号数据按照所述数据寄存器电路中每个信号数据的编码，进行从大到小或从小到大排序，得到重新排序后的信号数据序列；
比较电路，与所述重新排序电路相连，用于将当前时钟周期新进入到所述中值滤波装置的信号数据，与所述信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码，并生成中值；
数据更新电路，分别与所述比较电路和数据寄存器电路相连，用于将比较电路得到的新的所有信号数据的编码，去除当前时钟周期将要离开所述中值滤波装置的信号数据编码后，按照进入所述中值滤波装置的排列顺序更新至所述数据寄存器电路中。
2.根据权利要求1所述的中值滤波装置，其特征在于：所述编码采用二进制、十进制或十六进制。
3.根据权利要求1所述的中值滤波装置，其特征在于：所述N为奇数。
4.一种中值滤波方法，用于在每个时钟周期的N个信号数据中获取中值，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S01，上一时钟周期下，数据缓冲区电路存储按照进入中值滤波装置的先后顺序进行排列的N-1个信号数据；数据寄存器电路按照进入所述中值滤波装置的排列顺序存储每个信号数据在所有信号数据中对应大小的编码，具有N-1个；重新排序电路将所有信号数据按照每个信号数据的编码，进行从大到小或从小到大排序，得到重新排序后的信号数据序列；
步骤S02，当前时钟周期下，新的信号数据进入所述中值滤波装置；
步骤S03，比较电路将新进入的信号数据与所述信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码，具有N个，并生成中值；
步骤S04，数据更新电路将所述比较电路得到的新的所有信号数据的编码，按照进入所述中值滤波装置的排列顺序更新至所述数据寄存器电路中，同时去除当前时钟周期将要离开所述中值滤波装置的信号数据的编码；
步骤S05，最早进入的信号数据离开所述中值滤波装置。
5.根据权利要求4所述的中值滤波方法，其特征在于：步骤S03包括比较电路将所述信号数据序列中当前时钟周期将要离开的信号数据的前后取相同的对应大小的编码，得到N个新进入信号数据可能的编码，并将新进入的信号数据与信号数据序列中的信号数据进行大小比较，得到新的所有信号数据的对应大小的编码。
6.根据权利要求5所述的中值滤波方法，其特征在于：步骤S03中生成中值包括在得到N个信号数据的编码后，按照大小排列，取第(N-1)/2+1个信号数据的值作为中值。
7.根据权利要求4所述的中值滤波方法，其特征在于：步骤S05还包括所述数据缓冲区电路去除最早进入中值滤波装置的信号数据，添加新进入的信号数据。
8.根据权利要求4至7任一项所述的中值滤波方法，其特征在于：所述编码采用二进制、十进制或十六进制。
9.根据权利要求4至7任一项所述的中值滤波方法，其特征在于：所述N为奇数。
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