CN108038548B - 一种图像二值化的量子实现线路方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像二值化的量子实现线路方法，属于摄像技术领域，本发明与现有的量子减法线路相比，本发明利用量子减法器的原理，简化了量子减法器的结构，既做到了量子比特的比较，又保证了量子比特不改变原有状态，方法上是对现有的量子比较的一种创新。通过根据辅助位来进行判定阀值的大小，从而根据辅助位设计全阀值线路设计和半阀值线路设计，图像的二值化操作可综合考虑辅助量子位的个数和算法复杂度，利用不同位数的全阈值或半阈值比较线路实现图像的阈值比较操作。本发明基于量子阈值比较线路，设计了实现图像二值化的完整量子线路，促进了量子计算在图像处理中的应用。

Description

一种图像二值化的量子实现线路方法
技术领域
本发明涉及量子信息处理领域，特别是涉及一种图像二值化的量子实现线路方法。
背景技术
量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，已成为解决摩尔律失效问题的一个可能的解决方法。量子计算理论在图像领域扩展，为图像处理技术的发展和应用提供了新的观念和思路。
图像二值化是图象处理操作的重要基础。图像二值化是指将图像上像素点的灰度值设置为0或255，使整个图像呈现出黑白效果的过程。这在图像处理领域有着广泛的应用，例如，目标识别，目标跟踪，边缘检测等领域中有着重要作用。
在量子计算中，信息单元用量子比特(Qubit)表示，它有两个基本量子态|0>和|1>，基本量子态简称为基态(Basis State)。一个量子比特可以是两个基态的线性组合，常被称为叠加态(Superposition)，可表示为|ψ>＝a|0>+b|1>。其中a和b是两个复数，满足|a|2+|b|2＝1，因此也被称为概率幅。基态|0>和|1>，可用向量表示为：
Figure GDA0003344598160000011
它们的对偶向量可表示为：<0|＝[1 0],<1|＝[0 1]。
跟经典计算机类型，量子算法的实现也是由通用量子逻辑门组合而成。常用的基本量子逻辑门有：受控非门，交换门，受控交换门，n量子比特受控非门(见图1)。
一幅2n*2n的图像I可用2*n+8*c个量子比特表示，其中c是图像的通道数，灰度为1，彩色为3。量子图像I的量子线路见图2(灰度图像为例)，具体表达式如下：
Figure GDA0003344598160000012
其中，f(Y,X)代表坐标|YX>上像素的灰度值。
发明内容
本发明的目的是利用基础量子门实现量子图像的二值化线路设计，充分利用量子并行性和量子叠加性等量子计算的独特性能，设计高效量子图像阈值比较线路，搭建量子图像二值化线路。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种图像二值化的量子实现线路方法，包括如下步骤：
步骤1：设置N位全阀值aiai+1ai+2...ai+N-1和N位全阀值bibi+1bi+2...bi+N-1相互比较，设计比较线路图，其中，ai,ai+1,ai+2,...ai+N-1和bi,bi+1,bi+2,...bi+N-1的取值为|0>或|1>，N为正整数；
步骤2：设置辅助位C(i)和C(i+1)进行判断aiai+1ai+2...ai+N-1和bibi+1bi+2...bi+N-1的大小，其中C(i)和C(i+1)的初始值为|0>；
步骤3：根据步骤2中的比较设计出全阀值比较线路和半阀值比较线路；
步骤4：根据全阀值比较线路和半阀值比较线路设计出量子图像的阈值比较线路；
所述步骤3中，根据C(i)和C(i+1)的状态设计出全阀值比较线路，如果C(i+1)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2...ai+N-1小于bibi+1bi+2...bi+N-1，反之aiai+1ai+2...ai+N-1大于等于bibi+1bi+2...bi+N-1；
所述步骤3中，根据C(i)的状态设计出半阀值比较线路，如果C(i)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2...ai+N-1小于bibi+1bi+2...bi+N，反之aiai+1ai+2...ai+N-1大于等于bibi+1bi+ 2...bi+N-1。
所述步骤4中图像像素值与阈值的大小判定，利用量子图像阈值比较线路中最高辅助位的状态来判定，如果最高辅助位的状态为|1>，则表示图像像素值小于阈值，反之图像像素值大于等于阈值；图像二值化操作就是将小于阈值的图像像素值置为0(二值表示：00000000)，将大于等于阈值的图像像素值置为255(二值表示：11111111)。
本发明实现的有益效果是：
1、本发明与现有的量子减法线路相比，本发明利用量子减法器的原理，简化了量子减法器的结构，既做到了量子比特的比较，又保证了量子比特不改变原有状态，方法上是对现有的量子比较的一种创新。
2、本发明与现有的量子比较线路相比，设计了多种位数阈值比较线路，满足了对量子辅助位数量和线路复杂度不同条件下的需求。
3、本发明基于量子阈值比较线路，设计了实现图像二值化的完整量子线路，促进了量子计算在图像处理中的应用。
附图说明
图1是基本量子门图；
图2是量子图像的线路表示图；
图3是1位全阈值比较线路图；
图4是1位半阈值比较线路图；
图5是1位阈值比较线路下图像阈值比较的实现图；
图6是2位全阈值比较线路图；
图7是2位半阈值比较线路图；
图8是2位阈值比较线路下图像阈值比较的实现图；
图9是4位全阈值比较线路图；
图10是4位半阈值比较线路图；
图11是4位阈值比较线路下图像阈值比较的实现图；
图12是8位全阈值比较线路图；
图13是8位半阈值比较线路图；
图14是8位阈值比较线路下图像阈值比较的实现图；
图15图像二值化量子实现线路图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明是一种图像二值化的量子实现线路方法，量子图像的阈值比较借鉴了量子减法器的设计思想。与量子减法器不同，量子图像阈值比较操作，只需判断最后辅助位中是否存在借位，不需要保存减法操作的结果。
具体实施例一
以任意一位数ai和bi全阈值比较为例，其中ai,bi取值为|0>或|1>，量子实现线路见图3。图3中的C(i)和C(i+1)为辅助位，初始状态为|0>。判断ai和bi间的大小，只需要判断C(i+1)的状态即可。如果C(i+1)为|1>，表示存在借位，ai小于bi，反之ai大于等于bi。图4给出了任意一位数ai和bi半阈值比较线路图，其中C(i)为辅助位，初始状态为|0>。判断ai和bi间的大小，只需要判断C(i)的状态即可。如果C(i)为|1>，表示存在借位，ai小于bi，反之ai大于等于bi。根据图3和图4中的一位阈值比较线路，量子图像的阈值比较线路见图5，阈值为固定阈值，例如阈值为100，则b7b6b5b4b3b2b1b0为|01100100>。
具体实施例二
以任意两位数aiai+1和bibi+1全阈值比较为例，其中ai，ai+2，bi，bi+1取值为|0>或|1>，量子实现线路见图6。图6中的C(i)和C(i+1)为辅助位，初始状态为|0>。判断aiai+1和bibi+1间的大小，只需要判断C(i+1)的状态即可。如果C(i+1)为|1>，表示存在借位，aiai+1小于bibi+1，反之aiai+1大于等于bibi+1。图7给出了任意两位数aiai+1和bibi+1半阈值比较线路图，其中C(i)为辅助位，初始状态为|0>。判断aiai+1和bibi+1间的大小，只需要判断C(i)的状态即可。如果C(i)为|1>，表示存在借位，aiai+1小于bibi+1，反之aiai+1大于等于bibi+1。根据图6和图7中设计的两位阈值比较线路，量子图像的阈值比较线路图见图8。
具体实施例三
以任意四位数aiai+1ai+2ai+3和bibi+1bi+2bi+3全阈值比较为例，其中ai，ai+1，ai+2，ai+3,bi，bi+1，bi+2，bi+3取值为|0>或|1>，量子实现线路见图9。图9中的C(i)和C(i+1)为辅助位，初始状态为|0>。判断aiai+1ai+2ai+3和bibi+1bi+2bi+3间的大小，只需要判断C(i+1)的状态即可。如果C(i+1)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2ai+3小于bibi+1bi+2bi+3，反之aiai+1ai+2ai+3大于等于bibi+1bi+2bi+3。图10给出了任意四位数aiai+1ai+2ai+3和bibi+1bi+2bi+3半阈值比较线路，其中C(i)为辅助位，初始状态为|0>。判断aiai+1ai+2ai+3和bibi+1bi+2bi+3间的大小，只需要判断C(i)的状态即可。如果C(i)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2ai+3小于bibi+1bi+2bi+3，反之aiai+1ai+ 2ai+3大于等于bibi+1bi+2bi+3。根据图9和图10中设计的四位阈值比较线路，量子图像的阈值比较线路图见图11。
具体实施例四
以任意八位数aiai+1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7和bibi+1bi+2bi+3bi+4bi+5bi+6bi+7全阈值比较为例，量子实现线路见图12。图12中的C(i)和C(i+1)为辅助位，初始状态为|0>。判断aiai+ 1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7和bibi+1bi+2bi+3bi+4bi+5bi+6bi+7间的大小，只需要判断C(i+1)的状态即可。如果C(i+1)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7小于bibi+1bi+2bi+3bi+4bi+ 5bi+6bi+7，反之aiai+1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7大于等于aiai+1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7。图12给出了任意八位数aiai+1ai+2ai+3和bibi+1bi+2bi+3半阈值比较线路，其中C(i)为辅助位，初始状态为|0>。判断aiai+1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7和bibi+1bi+2bi+3bi+4bi+5bi+6bi+7间的大小，只需要判断C(i)的状态即可。如果C(i)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7小于bibi+1bi+2bi+ 3bi+4bi+5bi+6bi+7，反之aiai+1ai+2ai+3ai+4ai+5ai+6ai+7大于等于bibi+1bi+2bi+3bi+4bi+5bi+6bi+7。根据图12和图13中设计的八位阈值比较线路，量子图像的阈值比较线路图见图14。
按照同样的设计方法，我们可以设计出任意三位，五位，六位，七位全阈值和半阈值比较线路。假如设计1个i位的全阈值比较线路，则需要1个辅助量子位，2个(i+2)位受控非门，1个(i+1)位受控非门，1个(i)位受控非门，…，1个3位受控非门，2*i个2位受控非门。因此，图像的二值化操作可综合考虑辅助量子位的个数和算法复杂度，利用不同位数的全阈值或半阈值比较线路实现图像的阈值比较操作。
从前面的描述可知，图像像素值与阈值的大小判定，可利用上述量子图像阈值比较线路中最高辅助位的状态来判定，如果最高辅助位的状态为|1>，则表示图像像素值小于阈值，反之图像像素值大于等于阈值。图像二值化操作就是将小于阈值的图像像素值置为0(二值表示：00000000)，将大于等于阈值的图像像素值置为255(二值表示：11111111)，具体的量子实现线路见图15。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种图像二值化的量子实现线路方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设置N位全阀值aiai+1ai+2...ai+N-1和N位全阀值bibi+1bi+2...bi+N-1相互比较，设计比较线路图，其中，ai,ai+1,ai+2,...ai+N-1和bi,bi+1,bi+2,...bi+N-1的取值为|0>或|1>，N为正整数；
步骤2：设置辅助位C(i)和C(i+1)进行判断aiai+1ai+2...ai+N-1和bibi+1bi+2...bi+N-1的大小，其中C(i)和C(i+1)的初始值为|0>；
步骤3：根据步骤2中的比较设计出全阀值比较线路和半阀值比较线路；
步骤4：根据全阀值比较线路和半阀值比较线路设计出量子图像的阈值比较线路；
所述步骤3中，根据C(i)和C(i+1)的状态设计出全阀值比较线路，如果C(i+1)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2...ai+N-1小于bibi+1bi+2...bi+N-1，反之aiai+1ai+2...ai+N-1大于等于bibi+1bi+2...bi+N-1；
所述步骤3中，根据C(i)的状态设计出半阀值比较线路，如果C(i)为|1>，表示存在借位，aiai+1ai+2...ai+N-1小于bibi+1bi+2...bi+N-1，反之aiai+1ai+2...ai+N-1大于等于bibi+1bi+ 2...bi+N-1。
2.根据权利要求1所述的一种图像二值化的量子实现线路方法，其特征在于：所述步骤4中图像像素值与阈值的大小判定，利用量子图像阈值比较线路中最高辅助位的状态来判定，如果最高辅助位的状态为|1>，则表示图像像素值小于阈值，反之图像像素值大于等于阈值；图像二值化操作就是将小于阈值的图像像素值置为0(二值表示：00000000)，将大于等于阈值的图像像素值置为255(二值表示：11111111)。
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