CN106534610A - 一种基于fpga的改进彩色矢量误差扩散方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，所述基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法通过RGB三个通道实现误差扩散的并行处理，并采用矩阵增益模型使单通道的误差扩散值可以扩散到其他两个通道；通过硬件实现半色调过程及误差值生成，使用增益矩阵预存储器替代算法中的乘法运算；对每个通道，采用流水线的方式处理，使误差扩散的流程平均在一个时钟周期内可以计算出一个像素点的半色调结果。FPGA为运行平台，通过对半色调算法的彩色矢量误差扩散算法的改进，实现算法在嵌入式平台上的快速高效执行。实现了彩色矢量误差扩散不同通道之间的并行处理。将基色之间并行处理，提高处理效率。

Description

一种基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法

技术领域

本发明属于半色调图像处理技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法。

背景技术

一般印刷机、油墨打印机、激光打印机只有两种色彩或非常有限的几种色彩，还有一些老式的显示器不能显示真彩色图像，它们不能完全显示出一幅连续色调图像所包含的全部色彩信息。而在3D打印领域，有个很重要的问题，那就是颜色。3D打印几乎能做出任何形状的物体，但它们的颜色却仅仅是其原型的阴影。3D打印做出来的物件均通过融合粉末或铺设挤压塑料来一次性做成。这两种打印方法对颜色的控制非常原始。因此人们需要像2D打印图片那样，一个像素一个像素低进行打印。换句话说，这需要3D打印一个体素一个体素地进行打印。因此半色调处理在3D打印领域同样有相应的应用场景，通过半色调处理，将一些连续的阴影和颜色用一系列不同大小和间隔的小圆点代替。因此，必须对原始的灰度级图像进行变换，将灰度图像转化成二值图像。利用半色调技术可以将一幅高分辨率的灰度级图像转换为低分辨率的二值图像(0或1)，由于人类视觉的低通滤波特性，在一定的距离外观察转换后的二值图像，仍然觉得是一幅连续色调的图像。传统的半调方法按照改变半调图像中点的大小或点之间的距离分为幅度调制半调和频率调制半调。幅度调制(AM)是一种根据灰度级调整网点大小来得到视觉上的连续灰度变化的半调技术；频率调制(FM)半调技术保持网点面积固定不变，通过改变网点在二维空间中的分布密度来表现原始图像的灰度变化。现有的半色调算法有抖动法、误差分散法、点扩散法、模板法等，其中以阈值抖动法和误差扩散法比较常用，而误差扩散法的效果又明显优于阈值抖动法。然而，传统的误差扩散算法对彩色图像的处理是分别对图像的R、G、B空间进行误差扩散处理，然后对三个空间产生的误差扩散处理结果进行简单的叠加，形成相应的半色调图像。而彩色矢量误差扩散算法，通过选取恰当的矩阵增益模型，而实现三个通道间误差扩散的扩散，从而达到对彩色图像影响较小的效果。彩色矢量误差扩散方法其中，输入x(m)表示原始的连续色调的图像，输出b(m)表示半色调图像，u(m)为量化输入，H(m)为误差扩散系数矩阵，e(m)为误差矢量，t(m)是按照一定比例扩散到下一个像素点的误差和矢量，Q[·]为阈值量化函数，彩色矢量误差扩散的数学模型可用式(1)，式(2)，式(3)，式(4)，式(5)表示：

u(m)＝x(m)-[h*e](m) 式(1)

b(m)＝Q(u(m)) 式(2)

e(m)＝b(m)-u(m) 式(3)

t(m)＝∑H(k)e(m-k) 式(4)

其中，e(m-k)是k点的误差矢量，H(k)是k点的矢量误差扩散系数矩阵。该系数矩阵即是由矩阵增益模型生产的过滤矩阵。根据增益模型的不同，得到不同的系数矩阵，从而达到控制误差扩散的方向和权值的效果。

其中由于量化所造成的误差e(m)将按H(m)矩阵所规定的比例传递给后面的像素点，得到u(m)。彩色矢量误差扩散的基本原理是自上而下、从左到右的光栅扫描图像上的像素点，与固定阈值差分并量化，并把它们的差值作为误差按照一定的比例分散地传播给相邻的、未经半色调处理的像素点以及其他通道对应的像素点，从而达到对彩色图像影响较小的效果。采用彩色矢量误差扩散法对源彩色图像进行半色调处理能够产生较好的图像再现效果，满足系统半色调效果需求，但其有明显的不足：彩色矢量误差扩散法是一个典型的串行算法，即要计算下一个像素的值就必须知道前面元素的误差值，这也意味着程序在一个时刻只能处理一个像素，这种算法在普通处理器上需要串行处理、大量的计算以及存储空间，难以满足实时性的要求，大大限制了其适用范围。对彩色矢量误差算法的研究主要是集中于对其误差过滤器及其矩阵增益模型的研究。

综上所述，彩色矢量误差扩散法在一个时刻只能处理一个像素，需要串行处理、大量的计算以及存储空间，难以满足实时性的要求，大大限制了其适用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，旨在解决彩色矢量误差扩散法在一个时刻只能处理一个像素，需要串行处理、大量的计算以及存储空间，难以满足实时性的要求，大大限制了其适用范围的问题。

本发明是这样实现的，一种基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，所述基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法通过RGB三个通道实现误差扩散的并行处理，提升算法执行速度；并采用矩阵增益模型使单通道的误差扩散值可以扩散到其他两个通道；提高算法的精确度；通过硬件实现半色调过程及误差值生成，使用增益矩阵预存储器替代算法中的乘法运算；提升算法执行速度；对每个通道，采用流水线的方式处理，使误差扩散的流程平均在一个时钟周期内可以计算出一个像素点的半色调结果。

进一步，所述通过RGB三个通道实现误差扩散的并行处理包括：对于彩色图像，经过程序进行转换，获得R、G、B三个通道的像素值；然后将R、G、B三个通道像素值作为算法的输入，同时对R、G、B三个通道进行误差扩散处理，实现R、G、B三基色之间误差扩散的并行化。

进一步，所述半色调过程及误差值生成包括：

接收到通道的像素值后，根据上一个误差值符号的正负，将当前像素值与当前行的前一个像素点的误差扩散值、上一行邻域像素的误差扩散值以及其他两个通道的误差扩散值累加和做相应的加减运算，得出更新后的像素值；将更新像素值与半色调阈值相比较，得出像素点的半色调值；根据得到的半色调值和当前像素值相减，得出误差值，误差值分正负；将误差值的符号位提出来作为下一个像素误差扩散的输入，并将误差值取绝对值后输出。

进一步，所述通过不同的矩阵增益模型，实现使R、G、B不同通道之间的误差扩散值扩散的相互扩散，并通过控制各个通道之间扩散的权值。

进一步，对于每个通道的误差扩散，构建十二个相应的增益矩阵预存储器，分别存储三个通道四个方向上的误差扩散值；从而替代算法中求取误差值的乘法运算，简化FPGA实现过程。误差值的范围为-128～+128，对误差值取绝对值，误差值有128个，那不同通道和方向上的每个误差扩散系数就对应有128个误差扩散值。

进一步，将彩色矢量误差扩散算法过程划分为：各通道原始图像数据读取、半色调值计算及误差扩散值查找、误差扩散值累加以及误差扩散值存储进行流水线作业。首先各通道原始图像数据读取模块是读取原始图像的数据，包括R、G、B三个通道的像素数据；半色调值计算及误差扩散值查找模块接收到上个模块的像素数据后，进行半色调处理，得到半色调值，并根据半色调值查找增益矩阵预存储器，找到相应的误差扩散值；误差扩散值累加模块是对图像中多个像素点误差值的累加。因为一个像素点误差扩散值的确定需要上一行前面两个像素点的误差扩散值，因此这里要做一个误差值的累加设计；误差扩散值存储模块是通过双口RAM存放产生的误差扩散值，并作为下一行像素进行半色调处理是的误差扩散值。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法的FPGA模块。

本发明的另一目的在于提供一种由所述FPGA模块封装的IP核，所述IP核对外接口包括：reset_n和clk是Avalon复位和时钟接口；wr，address和writedata是Avalon内存映射接口，半色调结果输出接口为Avalon电路接口。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法的打印机。

本发明提供的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，以FPGA为运行平台，通过对半色调算法的彩色矢量误差扩散算法的改进，实现算法在嵌入式平台上的快速高效执行。实现了彩色矢量误差扩散不同通道之间的并行处理。将基色之间并行处理，提高处理效率。硬件优化实现了半色调及误差值生成。通过设计额外的寄存器空间作为符号位，对不同数值的符号位进行复制及扩展，将无符号数的运算转换为有符号数的运算；硬件实现了矩阵增益模型，通过增益矩阵，来实现R、G、B不同通道之间的误差扩散值的相互扩散和扩散权值；在误差扩散中，以增益矩阵预存储器代替算法中比较复杂的减法和乘法运算，从而减少运算的时间。FPGA流程的流水线设计应用，优化算法执行速度。符合Avalon总线标准的IP核封装设计，利于功能的快速复用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法流程图。

图2是本发明实施例提供的彩色矢量半色调并行处理过程示意图。

图3是本发明实施例提供的半色调值及误差值生成模块框图。

图4是本发明实施例提供的误差扩散过程FPGA设计流水线处理示意图。

图5是本发明实施例提供的FPGA设计流水线处理时序示意图。

图6是本发明实施例提供的FPGA设计流水线详细框图。

图7是本发明实施例提供的彩色矢量误差扩散模块封装示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法包括以下步骤：

S101：通过RGB三个通道实现误差扩散的并行处理，并采用矩阵增益模型使单通道的误差扩散值可以扩散到其他两个通道；

S102：通过硬件实现半色调过程及误差值生成，使用增益矩阵预存储器替代算法中的乘法运算；

S103：对每个通道，采用流水线的方式处理，使误差扩散的流程平均在一个时钟周期内可以计算出一个像素点的半色调结果。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

1、彩色矢量半色调的并行处理。如图2所示，彩色图像经过转换以后可以由R、G、B表示作为打印设备的输入，本发明中，将基色之间并行处理。相对于一般处理器之间的串行处理而言可以极大的缩短处理时间，提高处理效率。首先对于彩色图像，经过程序进行转换，获得R、G、B三个通道的像素值，然后将R、G、B三个通道像素值作为算法的输入，同时对R、G、B三个通道进行误差扩散处理，实现R、G、B三基色之间误差扩散的并行化。

2、有符号数的硬件处理。通过增加额外的寄存器空间，以及符号位复制及扩展，变相将无符号数转换为有符号数进行运算，从而完成了对误差扩散法的符号处理过程，包括对负数的处理和溢出数据的处理。如图3所示，从存储器中读出的像素值R[7..0]进入该模块，接收到通道的像素值R后，根据上一个误差值符号的正负，将当前像素值与当前行的前一个像素点的误差扩散值LINE[7..0]、上一行邻域像素的误差扩散值以及其他两个通道的误差扩散值累加和ERR[7..0]做相应的运算，得出更新后的像素值accdata[8..0]；将更新像素值与半色调阈值(+128)相比较，得出该像素点的半色调值。然后根据得到的半色调值和当前像素值相减，得出误差值err_data，误差值分正负。将误差值的符号位err_data_sig提出来作为下一个像素误差扩散的输入，并将误差值取绝对值后输出到下一个模块。

3、矩阵增益模型。矩阵增益模型定义了一个通道像素在产生误差值后的扩散策略，根据增益矩阵的不同，误差值向不同方向扩散的不同。因此，通过优化增益矩阵可以使彩色图像半色调的结果不断的优化。常用的增益矩阵包括：Floyd-Steinberg矩阵、Linearized CIELab、Opponent Color Space、YUV等。通过设计不同的矩阵增益模型，来实现使R、G、B不同通道之间的误差扩散值可以扩散的相互扩散，并通过控制各个通道之间扩散的权值，从而可以优化增益矩阵的系数来保证半色调图像的效果。

4、增益矩阵预存储器。误差扩散算法主要包括减法和乘法两种运算，以OpponentColor Space增益矩阵为例，对每一个像素点的一种颜色要进行一次减法和四次乘法运算。经研究，图像的误差值只有0～127共128种可能，本发明将128种误差值对应各方向误差扩散值提前计算出来，保存在增益矩阵预存储器中，免除了复杂的乘法运算，在需要使用时，使用误差值作为索引，在相应的查找表中将各个方向上的误差扩散值查找出来使用即可，使误差扩散值的计算消耗的时间尽量小。一个增益矩阵预存储器其内部结构图如表1所示。

表1增益矩阵预存储器内容

误差值	对应误差扩散值
		0	右/左下/下/右下邻域象素对应误差扩散值e01/e02/e03/e04
...	...
		i	右/左下/下/右下邻域象素对应误差扩散值ei1/ei2/ei3/ei4

通过误差值即可查询得到各个误差扩散系数相对应的误差扩散值。误差值至多有128个，每个误差扩散系数对应128个误差扩散值，每个误差扩散值8位，因此每个增益矩阵预存储器内容接口共占用系统128*4个字节的存储器空间。通过此结构的存储器，可以将原始图像对应的RGB值对应的各个误差扩散值在较短的一个时钟周期内计算出来。相对于直接使用乘法器，在提升运算速度的同时，可以节省大量逻辑资源而只需使用少量的存储资源实现。

3、流水线设计应用，优化算法执行速度。本发明将误差扩散过程划分为四个部分：各个通道原始数据读取、半色调值计算及误差扩散值查找、误差扩散值累加以及误差扩散值存储，如图4所示。以Opponent Color Space增益矩阵为例，设计其流水线处理时序图如图5所示，其中横轴代表时间，纵轴代表各个功能模块：各个通道原始数据读取模块，误差扩散值查找模块、误差扩散值累加模块以及误差扩散值存储模块。为了进一步提高流水线效率，在误差扩散值累加部分采用寄存器结构同时缓存多个误差扩散值，当某个误差扩散值累加完成后，再写入误差扩散值存储模块。只要各个模块可以满足图中所示的各时序关系，系统就能实现高速流水线处理。按照以上设计分析，本文设计的流水线详细框图如图6所示。其中FIFO对应源图像读取模块，增益矩阵预存储器对应误差扩散值查找模块，累加/误差扩散值寄存器堆对应误差扩散值累加模块，而双口RAM对应误差扩散值存储模块。将彩色矢量误差扩散算法过程划分为四个部分：各通道原始图像数据读取、半色调值计算及误差扩散值查找、误差扩散值累加以及误差扩散值存储，四个部分进行流水线作业。而在在误差扩散值累加部分，误差扩散值的累加需要前面三个像素点的误差扩散值，因此采用寄存器来缓存来前面像素点的误差扩散值，从而提高流水线效率。

4、IP核封装设计。本发明通过对Avalon主从端信号的分析，对已经编写好的彩色矢量半色调误差扩散算法模块进行封装。其对外接口如图7所示。其中reset_n和clk是Avalon复位和时钟接口；wr、address和writedata是Avalon内存映射接口，而半色调结果输出接口为Avalon电路接口。完成IP核封装之后，用户通过SOPC Builder工具将此功能IP快速集成进系统中，进一步加快系统开发速度。AM(Amplitude Modulated Screen)幅度调制；FM(Frequency Modulated Screen)频率调制；E-D(Error—Diffusion)算法误差扩散算法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，其特征在于，所述基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法通过RGB三个通道实现误差扩散的并行处理，并采用矩阵增益模型使单通道的误差扩散值扩散到其他两个通道；通过硬件实现半色调过程及误差值生成，使用增益矩阵预存储器替代算法中的乘法运算；对每个通道，采用流水线的方式处理，使误差扩散的流程平均在一个时钟周期内计算出一个像素点的半色调结果。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，其特征在于，所述通过RGB三个通道实现误差扩散的并行处理包括：对于彩色图像，经过程序进行转换，获得R、G、B三个通道的像素值；然后将R、G、B三个通道像素值作为算法的输入，同时对R、G、B三个通道进行误差扩散处理，实现R、G、B三基色之间误差扩散的并行化。

3.如权利要求1所述的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，其特征在于，所述半色调过程及误差值生成包括：

接收到通道的像素值后，根据上一个误差值符号的正负，将当前像素值与当前行的前一个像素点的误差扩散值、上一行邻域像素的误差扩散值以及其他两个通道的误差扩散值累加和做相应的运算，得出更新后的像素值；将更新像素值与半色调阈值相比较，得出像素点的半色调值；根据得到的半色调值和当前像素值相减，得出误差值，误差值分正负；将误差值的符号位提出来作为下一个像素误差扩散的输入，并将误差值取绝对值后输出。

4.如权利要求1所述的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，其特征在于，所述通过不同的矩阵增益模型，实现使R、G、B不同通道之间的误差扩散值扩散的相互扩散，并通过控制各个通道之间扩散的权值。

5.如权利要求4所述的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，其特征在于，对于每个通道的误差扩散，构建十二个相应的增益矩阵预存储器，分别存储三个通道四个方向上的误差扩散值；误差值的范围为-128～+128，对误差值取绝对值，误差值有128个，那不同通道和方向上的每个误差扩散系数就对应有128个误差扩散值。

6.如权利要求1所述的基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法，其特征在于，将彩色矢量误差扩散算法过程划分为：各通道原始图像数据读取、半色调值计算及误差扩散值查找、误差扩散值累加以及误差扩散值存储进行流水线作业；首先各通道原始图像数据读取模块是读取原始图像的数据，包括R、G、B三个通道的像素数据；半色调值计算及误差扩散值查找模块接收到上个模块的像素数据后，进行半色调处理，得到半色调值，并根据半色调值查找增益矩阵预存储器，找到相应的误差扩散值；误差扩散值累加模块是对图像中多个像素点误差值的累加。

7.一种利用权利要求1～6任意一项所述基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法的FPGA模块。

8.一种由权利要求7所述FPGA模块封装的IP核，其特征在于，所述IP核对外接口包括：reset_n和clk是Avalon复位和时钟接口；wr，address和writedata是Avalon内存映射接口，半色调结果输出接口为Avalon电路接口。

9.一种利用权利要求1～6任意一项所述基于FPGA的改进彩色矢量误差扩散方法的打印机。