JP2016122430A - Image filter arithmetic device, gaussian kernel arithmetic device, and program - Google Patents

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JP2016122430A
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清一郎 鎌田
憲治郎 杉本
Kenjiro Sugimoto
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image filter arithmetic device in which calculation costs are smaller than conventional, and with which it is possible to control a calculation error as desired.SOLUTION: Provided is an image filter arithmetic device for performing image smoothing on an input image {x(p)} by the convolution arithmetic of a space kernel gand a range kernel g, the image filter arithmetic device comprising: approximation parameter optimization means for determining the set (T, K) of a truncation number K and a significant cycle T in an approximate range kernel g^in which the range kernel gis Fourier-series approximated for a scale parameter σ, a permissible error τ, and a dynamic range R, so that an approximation error becomes τ or less; expansion coefficient arithmetic means for calculating the expansion coefficient {a, and so on, a} of the approximate range kernel g^; and filter arithmetic means for executing the convolution arithmetic using the expansion coefficient {a, and so on, a}.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

本発明は、入力されるサンプル値x及び入力されるスケール・パラメータσに対し、ガウシアン・カーネルg(σ,x)の演算を実行するガウシアン・カーネル演算装置と、それを用いた画像フィルタ演算装置に関する。   The present invention relates to a Gaussian kernel arithmetic device that performs an operation of Gaussian kernel g (σ, x) on an input sample value x and an input scale parameter σ, and an image filter arithmetic device using the same. About.

画像処理技術の分野において、エッジを保存しつつノイズの低減を図るためのフィルタとして、バイラテラル・フィルタが知られている。一般に、BLFは次のように定義される。   In the field of image processing technology, a bilateral filter is known as a filter for reducing noise while preserving edges. In general, BLF is defined as:

(定義1)(バイラテラル・フィルタ)
D次元グレースケール画像の入力画像(target image)を考える。Zを整数全体の集合,Ω⊂Zを画像領域(image domain),p∈Ωを画素位置(pixel position)(ベクトル),N⊂Ωを画素位置pの近傍領域(フィルタ窓領域)とする。Rを実数全体の集合とし、x(p),z(p)∈Rを、それぞれ、入力画像,出力画像の位置pの画素(以下「画素p」)の画素値(pixel intensity)とする。このとき、次式により定義されるフィルタを「バイラテラル・フィルタ(bilateral filter:BLF)」という。
(Definition 1) (Bilateral filter)
Consider an input image (target image) of a D-dimensional grayscale image. Z is a set of whole integers, Ω⊂Z D is an image domain, p∈Ω is a pixel position (vector), and N p ⊂Ω is a neighboring region (filter window region) of the pixel position p. To do. Let R be a set of all real numbers, and let x (p) and z (p) εR be the pixel values of the pixel at the position p (hereinafter “pixel p”) of the input image and output image, respectively. At this time, a filter defined by the following equation is referred to as a “bilateral filter (BLF)”.

ここで、g(σ,x)はガウシアン・カーネル(Gaussian kernel)、σは空間領域の相関距離を決めるスケール・パラメータ(標準偏差)、σは画素値領域の相関距離を決めるスケール・パラメータ(標準偏差)、Dはベクトルqの次元数、‖q‖はベクトルqのノルム(l2-ノルム)である。また、gを「空間カーネル(spatial kernel)」、gを「レンジ・カーネル(range kernel)」という。
(定義終わり)
Here, g (σ, x) is a Gaussian kernel, σ s is a scale parameter (standard deviation) that determines the correlation distance in the spatial region, and σ r is a scale parameter that determines the correlation distance in the pixel value region. (Standard deviation), D is the number of dimensions of the vector q, and ‖q is the norm (l 2 -norm) of the vector q. In addition, g s a "space kernel (spatial kernel)", the g r referred to as "range-kernel (range kernel)".
(End of definition)

BLFは、画像処理,コンピュータ・ビジョン,コンピュータ・グラフィックスなどにおいて、エッジ保存スムージングにおける基礎的なツールである。BLFは、フィルタ係数を2つの側向(lateral)(即ち、画素位置(pixel position)及び画素値(pixcel intensity))から定義するという明確な概念に基づき設計されている。また、BLFは、代表的な他のエッジ保存スムージング手法である異方性拡散法(anisotropic diffusion)(非特許文献6)や重み付き最小二乗法(weighted least square)(非特許文献7)とは異なり、反復演算プロセスを用いることなく、高いスムージング効果を得ることができる。そのため、BLFは、ノイズ除去,ハイダイナミックレンジ合成(high dynamic range imaging:HDR),ステレオマッチングなどの様々な用途に於いて広く活用されている。   BLF is a basic tool for edge preserving smoothing in image processing, computer vision, computer graphics, and the like. BLF is designed based on the clear concept of defining filter coefficients from two laterals (ie, pixel position and pixcel intensity). BLF is a typical other edge-preserving smoothing technique such as anisotropic diffusion (non-patent document 6) or weighted least square (non-patent document 7). In contrast, a high smoothing effect can be obtained without using an iterative operation process. Therefore, BLF is widely used in various applications such as noise removal, high dynamic range imaging (HDR), and stereo matching.

従来、BLFにおいては、スムージング効果の向上や計算コストの減少を図るために、様々な拡張が行われている。   Conventionally, in the BLF, various extensions have been performed in order to improve the smoothing effect and reduce the calculation cost.

まず、BLFの自然な拡張として、クロス/ジョイント拡張(クロスBLF/ジョイントBLF)について考案されている(非特許文献8,9)。ノイズがある入力画像のフィルタリングにおいて、BLFではノイズがある入力画像からフィルタ係数を定義するために、スムージング効果が一定程度相殺される。それに対して、クロス/ジョイントBLFでは、入力画像とは異なる撮影条件で撮影されたガイダンス画像を用いてフィルタ係数を定義する。これにより、より高いスムージング効果が得られる。   First, as a natural extension of BLF, a cross / joint extension (cross BLF / joint BLF) has been devised (Non-Patent Documents 8 and 9). In filtering an input image with noise, the BLF cancels out the smoothing effect to some extent in order to define filter coefficients from the input image with noise. On the other hand, in the cross / joint BLF, a filter coefficient is defined using a guidance image shot under shooting conditions different from the input image. Thereby, a higher smoothing effect can be obtained.

式(1)のBLFにおいては、g(・)は、入力画像の画素値x(・)によって変化するため、フィルタ係数は、それぞれの対象画素において動的に変化する。本来のBLFは、フィルタ係数をx(・)から計算するが、それに対してクロス/ジョイントBLFでは、フィルタ係数をx(・)に対応するガイダンス画像の画素値y(・)から計算する。 In the BLF of Expression (1), g r (•) changes depending on the pixel value x (•) of the input image, and therefore the filter coefficient dynamically changes in each target pixel. The original BLF calculates the filter coefficient from x (•), whereas the cross / joint BLF calculates the filter coefficient from the pixel value y (•) of the guidance image corresponding to x (•).

(定義2)(クロス/ジョイント・バイラテラル・フィルタ)
y(p)∈Rをガイダンス画像の位置pにおける画素値とする。このとき、次式により定義されるフィルタを「クロス/ジョイント・バイラテラル・フィルタ(cross/joint extension of the BLF)」という。
(Definition 2) (Cross / Joint Bilateral Filter)
Let y (p) εR be the pixel value at position p of the guidance image. At this time, the filter defined by the following equation is called a “cross / joint extension of the BLF”.

(定義終わり) (End of definition)

一方、計算コストの減少を測るためのアルゴリズム的拡張として、定時間BLF(O(1)BLF)を含む高速化BLFがこれまでに幾つか考案されている(非特許文献10,11,13−16)。式(1a)に示したオリジナルのBLFにおいては、1画素当たりの計算コストがフィルタ窓領域Ω内の画素数M(=|Ω|)に依存する(即ち、計算量がO(M)となる)。そのため、大きな計算コストを要する。近年の高解像度化や高次元画像処理へ向かう傾向から考えて、BLFを低コスト化・高速化することは重要な技術課題である。高速化BLFは、この課題への対処から考案されたものであり、若干の精度的な犠牲の下で、O(log M)又はO(1)の計算量で実行できるように改良したものである。   On the other hand, as an algorithmic extension for measuring a decrease in calculation cost, several high-speed BLFs including fixed-time BLF (O (1) BLF) have been devised so far (Non-Patent Documents 10, 11, 13-). 16). In the original BLF shown in Expression (1a), the calculation cost per pixel depends on the number of pixels M (= | Ω |) in the filter window region Ω (that is, the calculation amount is O (M)). ). Therefore, a large calculation cost is required. Considering the trend toward higher resolution and higher-dimensional image processing in recent years, it is an important technical problem to reduce the cost and speed of BLF. The high-speed BLF was devised to deal with this problem, and has been improved so that it can be executed with a calculation amount of O (log M) or O (1) at the expense of some accuracy. is there.

従来の高速化BLFでは、BLFが空間軸とレンジ軸とにより測られる高次元空間(バイラテラル空間)におけるコンボリューション(convolution)として一般化できるという事実に基づいて、様々な改良を行っている。線型フィルタに関しては、過去に多くの高速化アルゴリズムが考案されているが、バイラテラル空間を直接取り扱うためには大きなメモリ・コストが必要となる。そこで、従来の高速化BLFアルゴリズムでは、この問題を様々な戦略により解決している。   In the conventional high-speed BLF, various improvements are made based on the fact that the BLF can be generalized as convolution in a high-dimensional space (bilateral space) measured by the space axis and the range axis. For linear filters, many high-speed algorithms have been devised in the past, but a large memory cost is required to directly handle bilateral space. Therefore, the conventional high-speed BLF algorithm solves this problem by various strategies.

非特許文献10には、ボックス空間フィルタ(box spatial filter)を制限しヒストグラム法(histgram technique)を使用することによって、バイラテラル空間を単純化した高速化BLFが開示されている。   Non-Patent Document 10 discloses a high-speed BLF that simplifies a bilateral space by limiting a box spatial filter and using a histogram method.

非特許文献11では、ヒストグラム法(非特許文献12)に類似のアプローチによる定時間O(1)BLFが開示されている。非特許文献11においては、任意空間フィルタ(arbitrary spatial filter)とテイラー級数を用いた多項式レンジ・カーネル(polynomial range kernel)について記載されている。   Non-Patent Document 11 discloses a fixed time O (1) BLF based on an approach similar to the histogram method (Non-Patent Document 12). Non-Patent Document 11 describes a polynomial range kernel using an arbitrary spatial filter and a Taylor series.

非特許文献13には、空間軸とレンジ軸との双方において、量子化と画素単位線型補間の近似を行い、高速フーリエ変換(FFT)により線型フィルタリングを実行する高速化BLFアルゴリズムが記載されている。   Non-Patent Document 13 describes a high-speed BLF algorithm that approximates quantization and pixel-unit linear interpolation on both the space axis and the range axis, and performs linear filtering by fast Fourier transform (FFT). .

非特許文献14には、レンジ軸のみにおける量子化及び補間により、O(1)線型フィルタリングを使用することにより高速化した、高速化BLFアルゴリズム(Yang近似アルゴリズム)が記載されている。   Non-Patent Document 14 describes a speed-up BLF algorithm (Yang approximation algorithm) that is speeded up by using O (1) linear filtering by quantization and interpolation only in the range axis.

非特許文献15には、三次元FFTを用いた、BLFのより一般的なダウンサイジング・アプローチが記載されている。   Non-Patent Document 15 describes a more general downsizing approach of BLF using a three-dimensional FFT.

非特許文献16では、BLFをバイラテラル空間におけるガウス変換として捉え、高速ガウス変換(FGT)により計算する手法が開示されている。   Non-Patent Document 16 discloses a method of calculating BLF as a Gaussian transformation in a bilateral space and performing a fast Gaussian transformation (FGT).

非特許文献1−3では、ガウシアン・レンジ・カーネルを三角函数と多項式函数で近似することにより高速化した、O(1)BLFが開示されている。この方法によれば、バイラテラル空間の量子化や補間などによって生じる並進変化問題(translation-variant problem)を解決することができる。このアイデアの基本は、函数の並進可能性(shiftability)(幾つかの基底函数の和で近似することにより、函数を任意量だけ平行移動しても函数形が不変であるという性質)にある(後述の式(6)参照)。   Non-Patent Documents 1-3 disclose O (1) BLF, which is speeded up by approximating a Gaussian range kernel with a triangular function and a polynomial function. According to this method, a translation-variant problem caused by bilateral space quantization or interpolation can be solved. The basis of this idea is the function's shiftability (the property that the function form is invariant even if the function is translated by an arbitrary amount by approximating it with the sum of several basis functions). (See formula (6) below).

非特許文献1−3においては、ガウシアン・レンジ・カーネルg(σ,x)を、次式(3a)又は(3b)を用いて、余弦函数の冪乗又は多項式函数の冪乗により近似する(以下「Chaudhury近似」という)。   In Non-Patent Document 1-3, the Gaussian range kernel g (σ, x) is approximated by a power of a cosine function or a power of a polynomial function using the following expression (3a) or (3b) ( (Hereinafter referred to as “Chaudhury approximation”).

式(3b)はネピア数の定義をそのまま適用すれば導かれる。式(3a)は、コサインをTaylor展開しN>>1の条件の下で式(3b)に帰着させることによって導かれる。式(3a)におけるN>Nの条件は、xの定義域[−T/2,T/2]内で近似式が正であり且つ単調であることを保証するための条件である。 Equation (3b) can be derived by applying the definition of Napier number as it is. Equation (3a) is derived by expanding the cosine into a Taylor expansion and reducing it to equation (3b) under the condition of N >> 1. The condition of N> N 0 in the expression (3a) is a condition for guaranteeing that the approximate expression is positive and monotonous in the domain [−T / 2, T / 2] of x.

また、非特許文献2では、式(3a)の収束をさらに速めた改良式として次の近似式(4)が記載されている。   Non-Patent Document 2 describes the following approximate expression (4) as an improved expression that further accelerates the convergence of expression (3a).

さらに、非特許文献4,5では、他のガウシアン・カーネル近似式としては、ガウシアン・カーネルg(σ,x)を、次式(5)により、余弦函数の多項式と指数函数との積和により近似する方法が記載されている(以下「Deriche近似」という)。   Further, in Non-Patent Documents 4 and 5, as another Gaussian kernel approximation formula, Gaussian kernel g (σ, x) is obtained by multiplying the cosine function polynomial and the exponential function by the following formula (5). An approximation method is described (hereinafter referred to as “Deriche approximation”).

式(5)は、定義域x∈[0,∞]におけるフィッティング式であり、a,a,b,b,c,c,w,wはフィッティング定数である。 Expression (5) is a fitting expression in the domain x∈ [0, ∞], and a 0 , a 1 , b 0 , b 1 , c 0 , c 1 , w 0 , and w 1 are fitting constants.

ところで、ガウシアン・カーネル近似演算手法をバイラテラル・フィルタに適用する場合、定時間フィルタ(計算量がフィルタ窓のサイズMに依存しないフィルタ)とするためには、ガウシアン・カーネルの近似式は並進可能(shiftable)でなければならない(非特許文献3)。ここで、函数φ(x)(x∈R)が並進可能であるとは、任意の並進移動τ(∈R)に対して函数φ(x−τ)が有限個のある定められた基底函数φ(z),…,φ(z)の線型和 By the way, when the Gaussian kernel approximation calculation method is applied to a bilateral filter, the approximation formula of the Gaussian kernel can be translated in order to use a constant time filter (a filter whose calculation amount does not depend on the size M of the filter window). Must be (shiftable) (Non-Patent Document 3). Here, the function φ (x) (x∈R d ) is translatable, so that there is a finite number of functions φ (x−τ) for an arbitrary translational movement τ (∈R d ). Linear sum of basis functions φ 1 (z), ..., φ N (z)

により表されることをいう。ガウシアン・カーネルの近似式が並進可能であれば、バイラテラル・フィルタ(1a)の分子・分母の和分は、移動和(規格化していない移動平均)の式に帰着させることができ、周知の通り再帰を用いた計算によって定時間又はO(1)アルゴリズムによって計算が可能となるからである(非特許文献3)。 It is expressed by. If the approximate expression of the Gaussian kernel can be translated, the sum of the numerator and denominator of the bilateral filter (1a) can be reduced to a moving sum (non-standardized moving average) expression. This is because the calculation using fixed time or the O (1) algorithm is possible by calculation using street recursion (Non-patent Document 3).

上記式(3a),(4),(5)の近似式は、いずれも並進可能であり、バイラテラル・フィルタに適用した場合には定時間フィルタとして構成することが可能である。   Any of the approximate expressions (3a), (4), and (5) can be translated, and can be configured as a constant-time filter when applied to a bilateral filter.

K. N. Chaudhury, D. Sage, and M. Unser, "Fast O(1) bilateral filtering using trigonometric range kernels", IEEE Transactions on Image Processing, vol.20(12), pp.3376-3382, 2011.K. N. Chaudhury, D. Sage, and M. Unser, "Fast O (1) bilateral filtering using trigonometric range kernels", IEEE Transactions on Image Processing, vol.20 (12), pp.3376-3382, 2011. K. N. Chaudhury, "Acceleration of the shiftable O(1) algorithm for bilateral filtering and non-local means", IEEE Transactions on Image Processing, vol. 22(4), pp. 1291- 1300, 2013.K. N. Chaudhury, "Acceleration of the shiftable O (1) algorithm for bilateral filtering and non-local means", IEEE Transactions on Image Processing, vol. 22 (4), pp. 1291-1300, 2013. K. N. Chaudhury, "Constant-time filtering using shiftable kernels", IEEE Signal Processing Letters, Vol.18, no.11, pp.651-654, 2011.K. N. Chaudhury, "Constant-time filtering using shiftable kernels", IEEE Signal Processing Letters, Vol.18, no.11, pp.651-654, 2011. 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非特許文献15,16に示されているように、D次元BLFは、新たな強度軸tを導入することによって、次のように(D+1)次元コンボリューションの比に展開することができる。   As shown in Non-Patent Documents 15 and 16, the D-dimensional BLF can be expanded to a ratio of (D + 1) -dimensional convolution as follows by introducing a new intensity axis t.

ここで、δ(x)はクロネッカ・デルタである。 Here, δ (x) is the Kronecker delta.

座標p∈Rと強度t∈Rとで張られた(D+1)次元空間を「バイラテラル空間(bilateral space)」という。最初にx(p)からξ(p,t),ξ(p,t)が生成され、これがバイラテラル空間内の点とみなされる。ξ(p,t),ξ(p,t)から、それらの模糊点群(blurred point clouds)β(p,t),β(p,t)(次式参照)が式(7a)の分子,分母として計算される。 It spanned by the coordinates P∈R D and strength t∈R (D + 1) a dimensional space called "bilateral space (bilateral space)". First, ξ (p, t), ξ 0 (p, t) is generated from x (p), and this is regarded as a point in the bilateral space. From ξ (p, t) and ξ 0 (p, t), their blended point clouds β (p, t), β 0 (p, t) (see the following equation) are expressed by equation (7a) Is calculated as the numerator and denominator.

これらの操作は、(D+1)次元のガウシアン・コンボリューションとみなすことができる。なぜなら、[p,t]∈RD+1は(D+1)次元空間における対象画素の位置、[p,x(q)]∈RD+1は(D+1)次元空間における対象画素の近傍位置の一つとみなすことができるからである。BLFの出力は、これらの比から次のように計算される。 These operations can be regarded as (D + 1) -dimensional Gaussian convolution. This is because [p, t] T ∈ R D + 1 is the position of the target pixel in the (D + 1) -dimensional space, and [p, x (q)] T ∈ R D + 1 is one of the neighboring positions of the target pixel in the (D + 1) -dimensional space. Because it can be regarded. The BLF output is calculated from these ratios as follows.

式(9a)のζ(p,t)はバイラテラル空間におけるBLF処理画像、式(9b)はバイラテラル空間からもとの座標空間への投射(縮退)である。図1に、D次元BLFを(D+1)次元のガウシアン・コンボリューションの比のD次元空間への投射として捉えた場合におけるBLF計算過程の概念図を示す。   In equation (9a), ζ (p, t) is a BLF processed image in the bilateral space, and equation (9b) is projection (degeneration) from the bilateral space to the original coordinate space. FIG. 1 shows a conceptual diagram of a BLF calculation process when the D-dimensional BLF is regarded as a projection of a (D + 1) -dimensional Gaussian convolution ratio onto the D-dimensional space.

以上のように、D次元BLFは、2つの(D+1)次元ガウシアン・コンボリューションの比として計算される。しかしながら、この次元上昇によって計算コストが大幅に増加することになる。上述した従来のBLFの高速化アルゴリズムにおいては、様々な手法によりβ(p,t),β(p,t),ζ(p,t)を簡単化し、この計算困難性を減少させたものと捉えることができる。 As described above, the D-dimensional BLF is calculated as a ratio of two (D + 1) -dimensional Gaussian convolutions. However, this increase in dimension greatly increases the calculation cost. In the conventional BLF acceleration algorithm described above, β (p, t), β 0 (p, t), and ζ (p, t) are simplified by various methods to reduce the calculation difficulty. Can be considered.

非特許文献13,14,15に記載の高速化BLFでは、バイラテラル空間における量子化と部分化線型補間(piece-wise linear interpolation)により、β(p,t),β(p,t),ζ(p,t)のサイズを積極的に減少させている。量子化によって計算コストは大幅に減少するが、その過度な単純化によって近似精度が減少する。さらに、その精度は、空間軸方向又は強度軸方向のシフトに対してロバストではない(並進変化問題(translation-variant problem))。なぜなら、その精度は量子化閾値に強く依存するからである。 In the high-speed BLF described in Non-Patent Documents 13, 14, and 15, β (p, t), β 0 (p, t) are obtained by quantization in a bilateral space and piece-wise linear interpolation. , Ζ (p, t) is actively reduced. Quantization significantly reduces the computational cost, but excessive simplification reduces approximation accuracy. Furthermore, its accuracy is not robust to shifts in the spatial or intensity axis direction (translation-variant problem). This is because the accuracy strongly depends on the quantization threshold.

一方、非特許文献1−3では、β(p,t),β(p,t)を並進可能カーネル(shiftable kernel)により近似した。即ち、ガウシアン・レンジ・カーネルを、三角函数カーネル(基底)や多項式カーネル(基底)のような並進可能カーネルにより置き換えた(式(3a),(4)参照)。この考え方により、並進変化問題が解決されるとともに、許容誤差のパラメータを用いて近似精度を制御するための合理的な方法が与えられる。しかしながら、実際の応用において許容できる程度の近似精度を得るためには、カーネルの演算に於いて、依然かなり大きな反復演算(iteration)回数が必要となる。 On the other hand, in Non-Patent Document 1-3, β (p, t) and β 0 (p, t) are approximated by a shiftable kernel. That is, the Gaussian range kernel was replaced with a translatable kernel such as a triangular function kernel (base) or a polynomial kernel (base) (see equations (3a) and (4)). This idea solves the translation change problem and provides a reasonable way to control the approximation accuracy using the tolerance parameter. However, in order to obtain an accuracy of approximation that is acceptable in actual applications, a considerably large number of iterations are still required in the calculation of the kernel.

実際、Chaudhury近似(式(3a),(4))によりガウシアン・カーネル演算を行う場合、σの大きさにより収束速度が変化する(例えば、非特許文献2,Table.I, Table.III参照)。特に、σが小さくなるほど収束速度は遅くなり、計算打ち切り数Nが大きくなる。例えば、式(3a)の場合、xのレンジを[−T/2,T/2]とすると、近似式がレンジ内で正であり且つ単調であることを保証するためには、原則としてNは少なくともN=4T/πσ=0.405(T/σ)よりも大きくなければならない(非特許文献2)(尚、非特許文献2,3では、ガウシアン・カーネルは|x|>3σで殆ど0になることを利用してNの条件をさらに緩和している)。一般にグレースケール画像ではT=255が使用され、このときσ=8ではN=413,σ=5ではN=1053,σ=3ではN=2929とされている。式(4)の近似では、式(3a)よりも収束は速いが、非特許文献2,Table.IIIによれば、σ=8ではN=88,σ=5ではN=92,σ=3ではN=96とされており、σが小さいと依然としてNが大きくなり、1画素のBLF演算において100オーダーの反復回数が必要となる。従って、依然として大きな計算コストが必要とされるという課題がある。エッジ保存性能を高めるには狭幅のレンジ・カーネルが必要とされるため、この問題の解決は、特にオンライン画像処理にBLFを適用する場合などにおいて重要である。 Actually, when Gaussian kernel calculation is performed by Chaudhury approximation (formulas (3a) and (4)), the convergence speed changes depending on the magnitude of σ (for example, see Non-Patent Document 2, Table I, Table III). . In particular, as σ becomes smaller, the convergence speed becomes slower and the number of calculation truncation N becomes larger. For example, in the case of the expression (3a), if the range of x is [−T / 2, T / 2], in order to ensure that the approximate expression is positive and monotonic in the range, in principle, N Must be at least greater than N 0 = 4T 2 / π 2 σ 2 = 0.405 (T / σ) 2 (Non-patent Document 2) (In Non-Patent Documents 2 and 3, the Gaussian kernel is | Using the fact that x |> 3σ is almost zero, the condition of N 0 is further relaxed). In general, T = 255 is used in a gray scale image, and at this time, N 0 = 413, σ = 5 when σ = 8, N 0 = 1053 when σ = 5, and N 0 = 2929 when σ = 3. In the approximation of Expression (4), convergence is faster than Expression (3a), but according to Non-Patent Document 2 and Table III, N 0 = 88 when σ = 8, N 0 = 92, σ when σ = 5. When N = 3, N 0 = 96. When σ is small, N is still large, and the BLF calculation for one pixel requires 100 order iterations. Therefore, there is still a problem that a large calculation cost is required. Since a narrow range kernel is required to enhance edge preservation performance, solving this problem is particularly important when applying BLF to online image processing.

また、Deriche近似(式(5))も並進可能であるため、式(3a),(4)の代わりに式(5)を使用しても並進変化問題を克服できる。しかしながら、Deriche近似は、ガウシアン・カーネルのフィッティング式であり、近似誤差が比較的大きく精度が悪い。また、σによって近似誤差が変化してしまうため、近似誤差の制御ができないという問題がある。   Since the Deriche approximation (Expression (5)) can also be translated, the translational change problem can be overcome even if Expression (5) is used instead of Expressions (3a) and (4). However, the Deriche approximation is a Gaussian kernel fitting equation, and has a relatively large approximation error and poor accuracy. Further, since the approximation error changes depending on σ, there is a problem that the approximation error cannot be controlled.

非特許文献16に記載の高速化BLFでは、ξ(p,t),ξ(p,t)を点群(point clouds)として取り扱い、D次元ガウシアン・コンボリューションの代わりに、点群に対して高速ガウス変換を行うことによりβ(p,t),β(p,t)を求めている。しかし、このアルゴリズムは、σが小さくなると演算時間が長くなる傾向がある。 In the high-speed BLF described in Non-Patent Document 16, ξ (p, t) and ξ 0 (p, t) are treated as point clouds, and instead of D-dimensional Gaussian convolution, Then, β (p, t) and β 0 (p, t) are obtained by performing high-speed Gaussian transformation. However, this algorithm tends to increase the computation time when σ s becomes small.

また、上記非特許文献10,11記載の高速化BLFは、ヒストグラムを使用するためにその管理コストが大きくなるという問題がある。   In addition, the high-speed BLF described in Non-Patent Documents 10 and 11 has a problem in that the management cost increases because the histogram is used.

以上のように、上述した従来の高速化BLFは、特にオンライン・ビデオ処理への応用やさらなる高次元/高解像度画像処理への応用において、計算コスト及び精度の両方に於いて十分ではない。従って、O(1)BLFにおいて、計算コストと近似精度の間の権衡をさらに最適なものとすることが強く求められている。また、BLFの用途によって、要求される近似精度は様々であることから、計算誤差の制御を自由に行うことができることも重要である。   As described above, the conventional high-speed BLF described above is not sufficient in both calculation cost and accuracy, particularly in application to online video processing and application to higher-dimensional / high-resolution image processing. Therefore, in O (1) BLF, there is a strong demand for further optimizing the right between calculation cost and approximation accuracy. In addition, since the required approximation accuracy varies depending on the use of BLF, it is also important that calculation errors can be controlled freely.

そこで、本発明の目的は、従来よりも計算コストが小さく、かつ計算誤差の制御を自在に行うことが可能なガウシアン・カーネル演算装置及びそれを用いた画像フィルタ演算装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a Gaussian kernel arithmetic device that is less computationally expensive than the prior art and that can freely control calculation errors, and an image filter arithmetic device using the same.

式(1a),(2)から明らかな通り、BLFとクロス/ジョイントBLFとは、定義式において些細な差違しかないので、以下、本明細書においては代表としてBLFについてのみ説明する。以下に述べる本発明における解析やアプローチは、クロス/ジョイントBLFに対しても全く同様に適用することが出来る。以下、〔1〕〜〔5〕で本発明における考え方と基本原理について説明し、〔6〕において本発明の構成及び作用について説明する。尚、以下の説明では、σは与えられているものとして、特に明示する必要のない限り、ガウシアン・カーネルg(σ,x)はg(x)と略記する。   As apparent from the equations (1a) and (2), the BLF and the cross / joint BLF have only a slight difference in the definition equations, so only the BLF will be described as a representative in this specification. The analysis and approach in the present invention described below can be applied to the cross / joint BLF in exactly the same manner. Hereinafter, [1] to [5] will explain the concept and basic principle of the present invention, and [6] will explain the configuration and operation of the present invention. In the following description, assuming that σ is given, Gaussian kernel g (σ, x) is abbreviated as g (x) unless otherwise specified.

〔1〕圧縮アプローチ
本発明においては、画像圧縮の観点から、上述のβ(p,t),β(p,t),ζ(p,t)を効率的に圧縮することにより、計算コストの低減化を図ることを考える(以下これを「圧縮アプローチ」と呼ぶ)。図2は、バイラテラル空間へ展開した標準画像(“lenna”)に於いて、t軸に沿って一定の間隔でスライスしたβ(p,t),β(p,t),ζ(p,t)のレイヤ画像である。図2において、グレースケールの原画像のダイナミックレンジはx(p)∈[0,1]に規格化している。各系列のレイヤ画像は、tに対して非常に滑らかに変化し、隣接するレイヤ画像間では高い相関を示していることがわかる。非可逆圧縮などでは、かかる冗長なデータは、僅かな精度犠牲のもとで、線型変換近似によって圧縮することができることが知られている。
[1] Compression Approach In the present invention, from the viewpoint of image compression, the above-described β (p, t), β 0 (p, t), and ζ (p, t) are efficiently compressed, thereby calculating cost. (Hereinafter referred to as “compression approach”). FIG. 2 shows β (p, t), β 0 (p, t), ζ (p) sliced at regular intervals along the t-axis in a standard image (“lenna”) developed into a bilateral space. , T). In FIG. 2, the dynamic range of the grayscale original image is normalized to x (p) ε [0, 1]. It can be seen that the layer images of each series change very smoothly with respect to t, and show high correlation between adjacent layer images. In lossy compression and the like, it is known that such redundant data can be compressed by linear transformation approximation at a slight sacrifice in accuracy.

そこで、図3に示すように、β(p,t)を非可逆圧縮することを考える。まず、β(p,t)をt軸に沿った線型変換Fにより変換し、次いで、変換領域に於いて幾つかの有意でないスペクトル成分を除去し、最後に、逆変換F −1により圧縮したβ(p,t)であるβ^(p,t)を再構成する。β(p,t),ζ(p,t)も同様にして圧縮できる。このようにして圧縮されたBLFを、以下「圧縮バイラテラル・フィルタ(compressive bilateral filtering : CBLF)」と呼ぶ。今、この圧縮過程をCと記す。Cはtのみを変数として使用するので、圧縮過程Cは、次のようなガウシアン・カーネルの圧縮過程に帰着する。 Therefore, consider irreversible compression of β (p, t) as shown in FIG. First, β (p, t) is transformed by a linear transformation F t along the t-axis, then some insignificant spectral components are removed in the transformation domain, and finally by an inverse transformation F t −1. Reconstruct β ^ (p, t), which is the compressed β (p, t). β 0 (p, t) and ζ (p, t) can be compressed in the same manner. The BLF compressed in this manner is hereinafter referred to as “compressive bilateral filtering (CBLF)”. Now referred to as the compression process and C t. Since C t uses only t as a variable, the compression process C t results in the following Gaussian kernel compression process.

により圧縮されたガウシアン・カーネルは、次のような線型変換Fの基底函数の和として与えられる。 The Gaussian kernel compressed by C t is given as the sum of the basis functions of the linear transformation F t as follows.

ここで、Nは有意なスペクトル成分の数、w(・),φ(・)は、それぞれ、n番目の変換係数,Fの基底函数である。式(11)を式(10)に代入すれば次のようになる。 Here, N is the number of significant spectral components, and w n (•) and φ n (•) are the n-th transform coefficient and the basis function of F t , respectively. Substituting equation (11) into equation (10) yields:

ここで、Ω(p)はn番目の構成画像である。 Here, Ω n (p) is the nth component image.

Ω(p)は、積画像φ(x(q))x(q)のガウシアン・コンボリューションと解される。従って、この圧縮アプローチは、BLFをN個のガウシアン・コンボリューションに分解する。Nはコンボリューション演算の反復回数に対応する。Nを小さくすれば、計算コストは減少するが、近似精度は劣化する。 Ω n (p) is interpreted as a Gaussian convolution of the product image φ n (x (q)) x (q). Thus, this compression approach decomposes the BLF into N Gaussian convolutions. N corresponds to the number of iterations of the convolution operation. If N is decreased, the calculation cost is reduced, but the approximation accuracy is degraded.

〔2〕フーリエ基底によるガウシアン・カーネルの圧縮
画像圧縮において、l誤差を最小にするには、線型変換FとしてKarhunen-Loeve変換(KLT)を用いればよいことが知られている。KLTでは、様々なtに対してシフトされたg(x(q)−t)の組から最適な基底函数φ(x(q))を求める。しかし、KLTでは、一般に導出される基底函数φ(x(q))及び変換係数w(t)が数学的に複雑な形となり、また、固有値問題を数値的に解くため計算コストが過剰に必要になるという問題がある。
[2] Compression of Gaussian kernel by Fourier basis It is known that Karhunen-Loeve transform (KLT) may be used as linear transform F t in order to minimize the l 2 error in image compression. In KLT, an optimum basis function φ n (x (q)) is obtained from a set of g r (x (q) −t) shifted with respect to various t. However, in KLT, generally derived basis functions φ n (x (q)) and transformation coefficients w n (t) are mathematically complicated, and the eigenvalue problem is solved numerically, resulting in excessive calculation costs. There is a problem that is necessary.

KLTの適切な代替手段としては、フーリエ変換の族が考えられる。画像圧縮の分野においては、ターゲットが高い相関性を持つ定常1階マルコフ信号の場合、KLTは離散コサイン変換により近似できることが広く知られている(非特許文献17)。そこで、本発明に於いては、tに対してシフトされたガウシアン・カーネルの組{g(x(q)−t)}が、高い相関性を持つ定常1階マルコフ信号であると仮定して(図2参照)、ガウシアン・レンジ・カーネルを、フーリエ級数(FS)を用いて圧縮する。 A suitable alternative to KLT is the family of Fourier transforms. In the field of image compression, it is widely known that KLT can be approximated by discrete cosine transform when the target is a stationary first-order Markov signal with high correlation (Non-patent Document 17). Therefore, in the present invention, it is assumed that the Gaussian kernel set {g r (x (q) −t)} shifted with respect to t is a stationary first-order Markov signal having high correlation. (See FIG. 2), the Gaussian range kernel is compressed using a Fourier series (FS).

以下では、FSにより圧縮されたガウシアン・レンジ・カーネルを考える。尚、ガウシアン・レンジ・カーネルであることが明らかである場合にはg(・)の添字rを省略し単にg(・)と記す。 In the following, consider a Gaussian range kernel compressed by FS. When it is clear that the kernel is a Gaussian range kernel, the subscript r of g r (•) is omitted and simply denoted as g (•).

定義域x∈[−R,R]におけるガウシアン・カーネルg(x)は、フーリエ基底を用いて、次のように圧縮することができる。   The Gaussian kernel g (x) in the domain x∈ [−R, R] can be compressed as follows using a Fourier basis.

ここで、K∈N(Nは自然数全体の集合)は、近似に使用する低周波成分の数(以下「打切項数(truncation term number)」という。)である。aはフーリエ係数である。T/2はg(x)が有意な値を採る範囲を表し、以下Tを「有意周期」と呼ぶ。離散ガウシアン・カーネルg(x)が偶函数なので、cos項のみを考えればよい。従って、式(11)は次のようになる。 Here, K∈N (N is a set of all natural numbers) is the number of low-frequency components used for approximation (hereinafter referred to as “truncation term number”). a k is a Fourier coefficient. T / 2 represents a range where g (x) takes a significant value, and T is hereinafter referred to as a “significant period”. Since the discrete Gaussian kernel g (x) is an even function, only the cos term needs to be considered. Therefore, Formula (11) becomes as follows.

上式から、この圧縮アプローチでは、ガウシアン・コンボリューションにN=2K+2回の反復演算と1回の和演算が必要である。従って、BLF演算を高速化するためには、Kをできる限り小さくすればよいことが分かる。   From the above equation, this compression approach requires N = 2K + 2 iterations and one sum operation for Gaussian convolution. Therefore, it can be seen that K can be made as small as possible in order to speed up the BLF calculation.

〔3〕周期的ガウシアン・カーネルの最適化
式(13a)の近似により、定義域x∈[−T/2,T/2]におけるガウシアン・カーネルg(x)は、定義域x∈(−∞,∞)の周期函数g^(x;K,T)により近似される。以下、g^(x;K,T)を「周期的ガウシアン・カーネル(periodic Gaussian kernel)」と呼ぶ。フーリエ変換による圧縮アプローチの圧縮レートを明らかにするため、まずaを次のような閉形式で近似する。
[3] Optimization of Periodic Gaussian Kernel By approximation of equation (13a), Gaussian kernel g (x) in domain x∈ [−T / 2, T / 2] becomes domain x∈ (−∞ , ∞) is approximated by a periodic function g ^ (x; K, T). Hereinafter, g ^ (x; K, T) is referred to as a “periodic Gaussian kernel”. In order to clarify the compression rate of the compression approach by Fourier transform, first, ak is approximated in the following closed form.

ここで、|x|>T/2においてg(x)≒0とした。 Here, g (x) ≈0 when | x |> T / 2.

は指数函数的に減少することから、式(13a)から、Kをある程度小さくしても十分な精度で近似することができ、σが与えられれば、kに対するaの減衰速度を決める制御因子はTのみであることが分かる。Tが小さいほどaの減衰は速くなる。 Since a k decreases exponentially, it can be approximated with sufficient accuracy from equation (13a) even if K is reduced to some extent. If σ is given, the attenuation rate of a k with respect to k is determined. It can be seen that T is the only control factor. The smaller the T, the faster the attenuation of ak .

図4に、3つの異なる周期条件における周期的ガウシアン・カーネルを示す。図4において、入力画像のダイナミックレンジを[0,R]としている。一般に、グレースケール画像ではR=255,二値画像ではR=1が広く用いられている。式(11)に対してレンジ・カーネルがサポートしなければならない定義域は[−R,R]である。図4の各図の中央の両矢印は、各周期的ガウシアン・カーネルの中央の周期を表す。周期的ガウシアン・カーネルの有意周期TがT/2=Rのとき、定義域全体に於いて周期的ガウシアン・カーネルは正確なガウシアン形状となる。ガウシアンは値がほぼ0の長いテールを持つため、有意周期TがT/2=0.7Rのときも、周期的ガウシアン・カーネルはまだ定義域全域に於いてガウシアン形状を維持している。しかし、T/2=0.5Rまで有意周期Tを縮めると、定義域[−R,R]の左右に隣接する周期のガウシアン・プロファイルが定義域[−R,R]内に侵入してくるため、周期的ガウシアン・カーネルはガウシアン形状から大きく崩れる。これは、式(13a)において打切項数Kが与えられると、近似誤差の観点から最適な有意周期Tが存在することを示唆している。   FIG. 4 shows a periodic Gaussian kernel in three different periodic conditions. In FIG. 4, the dynamic range of the input image is [0, R]. In general, R = 255 is widely used in grayscale images, and R = 1 is widely used in binary images. The domain that the range kernel must support for equation (11) is [−R, R]. The double arrows in the center of each figure in FIG. 4 represent the center period of each periodic Gaussian kernel. When the significant period T of the periodic Gaussian kernel is T / 2 = R, the periodic Gaussian kernel has an accurate Gaussian shape throughout the domain. Since Gaussian has a long tail with a value of almost zero, even when the significant period T is T / 2 = 0.7R, the periodic Gaussian kernel still maintains a Gaussian shape throughout the domain. However, when the significant period T is shortened to T / 2 = 0.5R, a Gaussian profile having a period adjacent to the right and left of the domain [−R, R] enters the domain [−R, R]. Therefore, the periodic Gaussian kernel is greatly collapsed from the Gaussian shape. This suggests that the optimum significant period T exists from the viewpoint of approximation error when the number of truncation terms K is given in the equation (13a).

打切項数Kと有意周期Tの最適な組合せ(K,T)を求めるため、まず、評価函数である近似誤差E(K,T)を次式の「カーネル誤差(kernel error)」により定義する。   In order to obtain the optimal combination (K, T) of the number of truncation terms K and the significant period T, first, an approximation error E (K, T), which is an evaluation function, is defined by a “kernel error” of the following equation: .

許容誤差τ(0<τ<<1)が与えられると、組(K,T)は拘束条件E(K,T)≦τにより拘束される。E(K,T)は、K軸に対して単調な函数であることから、拘束条件E(K,T)≦τを満たす最小のKはTの函数K(T)となる。すなわち、周期的ガウシアン・カーネルの最適化問題は、次のように定式化することができる。 Given an allowable error τ (0 <τ << 1), the set (K, T) is constrained by the constraint condition E (K, T) ≦ τ 2 . Since E (K, T) is a monotonic function with respect to the K axis, the minimum K that satisfies the constraint condition E (K, T) ≦ τ 2 is the T function K (T). That is, the periodic Gaussian kernel optimization problem can be formulated as follows.

ここで、Nは自然数の集合、(Kτ,Tτ)は(K,T)の最適値を表す。 Here, N represents a set of natural numbers, and (K τ , T τ ) represents the optimum value of (K, T).

以下、式(17a),(17b)を「周期的ガウシアン・カーネルの最適化」と呼ぶ。式(17a),(17b)により、近似誤差を自在に制御しつつ(K,T)を合理的に決定する方法が与えられる。   Hereinafter, the equations (17a) and (17b) are referred to as “periodic Gaussian kernel optimization”. Equations (17a) and (17b) provide a method for rationally determining (K, T) while freely controlling the approximation error.

またその一方、周期的ガウシアン・カーネルの最適化は、O(1)BLFの新たな手法でもある。従来の並進可能カーネルによるアプローチ(非特許文献1−3)ではT=Rとした場合についてのみ注目しているのに対して、本発明の周期的ガウシアン・カーネルの最適化によるアプローチでは、図4のようにT≦Rの場合にまで一般化しているからである。これは、本発明における新しい着眼点である。従来の並進可能カーネルによるアプローチでは、実際にMAXFILTERと呼ばれる事前走査によってターゲット画像の有効なダイナミックレンジを事前に測定し、ダイナミックレンジR自体を減少しようとしている。しかしながら、この方法は、低コントラスト画像においてのみ有効であり、ターゲット画像のコンテンツに依存する。このコンテンツ依存性があるため、最悪ケース性能を改善することができないという問題がある。それに対して、本発明における周期的ガウシアン・カーネルの最適化によるアプローチでは、ガウシアン・カーネルの形状的特徴を十分に活用することにより、最悪ケース性能を確実に向上させることができる。   On the other hand, the optimization of the periodic Gaussian kernel is also a new method for O (1) BLF. In the conventional approach using a translatable kernel (Non-Patent Documents 1-3), attention is paid only to the case where T = R, whereas in the approach using the periodic Gaussian kernel of the present invention, FIG. This is because it is generalized even when T ≦ R. This is a new focus in the present invention. In the conventional translatable kernel approach, the effective dynamic range of the target image is actually measured in advance by pre-scanning called MAXFILTER to reduce the dynamic range R itself. However, this method is only effective for low-contrast images and depends on the content of the target image. Due to this content dependency, there is a problem that the worst case performance cannot be improved. On the other hand, in the approach based on the optimization of the periodic Gaussian kernel in the present invention, the worst case performance can be surely improved by fully utilizing the geometric characteristics of the Gaussian kernel.

〔4〕近似誤差の評価
次に、式(17a),(17b)の周期的ガウシアン・カーネルの最適化問題の具体的な解法について説明する。T=Rの場合には、式(13a)の直交性を利用して式(17a)を解析的に解くことができるが、T<Rの場合にはそれができない。また、式(17a)を反復法により解くとすると、式(16)の評価に大きな計算コストが必要とされるため、高速化の観点から問題がある。そこで、本発明においては、幾つかの適切な仮定のもとで、式(16)の値を次の閉形式の近似式により推定する。
[4] Evaluation of Approximation Error Next, a specific method for solving the periodic Gaussian kernel optimization problem of equations (17a) and (17b) will be described. When T = R, equation (17a) can be solved analytically using the orthogonality of equation (13a), but not when T <R. Further, if the equation (17a) is solved by an iterative method, there is a problem from the viewpoint of speeding up because a large calculation cost is required for the evaluation of the equation (16). Therefore, in the present invention, the value of Expression (16) is estimated by the following closed form approximate expression under some appropriate assumptions.

ここで、erfc(・)は相補誤差函数である。 Here, erfc (·) is a complementary error function.

式(18)のE^(K,T)を「概算カーネル誤差(estimated kernel error)」と呼ぶ。式(18)は式(16)の右辺を区間[−T/2,T/2]の部分(式(18)の右辺第1項)とそれ以外の部分(式(18)の右辺第2項)とに分解して、上記仮定の下で近似したものである。尚、式(18)の詳しい証明については、本発明の実施とは直接関係ないため省略する。   E ^ (K, T) in equation (18) is called "estimated kernel error". In the expression (18), the right side of the expression (16) is divided into the section [−T / 2, T / 2] (the first term on the right side of the expression (18)) and the other part (the second right side of the expression (18)). And approximated under the above assumptions. The detailed proof of the equation (18) is omitted because it is not directly related to the implementation of the present invention.

本発明に於いては、式(16)の代わりに式(18)を用いて近似誤差量の評価を行う(即ち、E(K,T)≒E^(K,T)とする)。   In the present invention, the approximate error amount is evaluated using the equation (18) instead of the equation (16) (that is, E (K, T) ≈E ^ (K, T)).

式(18)において、右辺の各項は非負である。従って、拘束条件E(K,T)≦τを満たすための必要条件は、erfc(πσ(2K+1)/T)∈(0, τ2],erfc((T-R)/σ)∈[0,τ2]である。従って、Tの上限と下限が次のように定められる。 In Expression (18), each term on the right side is non-negative. Accordingly, the necessary conditions for satisfying the constraint condition E (K, T) ≦ τ 2 are erfc (πσ (2K + 1) / T) ∈ (0, τ 2 ], erfc ((TR) / σ) ∈ [ 0, τ 2 ] Therefore, the upper and lower limits of T are determined as follows.

式(19a)より、σζτ+R≦(πσ(2K+1))/ζτであり、Kが整数であることを考慮すると、拘束条件E(K,T)≦τを満たす最小のKは次のように決定される。 From equation (19a), σζ τ + R ≦ (πσ (2K + 1)) / ζ τ , and considering that K is an integer, the minimum satisfying the constraint condition E 2 (K, T) ≦ τ 2 K is determined as follows.

有意周期Tは式(19a)の範囲内であることから、この範囲内に於いてエネルギー誤差E^(K,T)を最小化するTがTτである。即ち、 Since the significant period T is within the range of the equation (19a), T τ that minimizes the energy error E ^ (K, T) within this range is Tτ. That is,

式(18)より、式(21)の目的関数E^(K,T)の最適化問題は、次の方程式を解く問題に帰着する。   From the equation (18), the optimization problem of the objective function E ^ (K, T) of the equation (21) results in the problem of solving the following equation.

上記式(22)の解Tτは、二分法によって数値的に解くことができる。 The solution of the above equation (22) can be numerically solved by the bisection method.

図5に、R=1,σ=0.1の場合における幾つかのKに対するカーネル誤差E(K,T)と概算カーネル誤差E^(K,T)との計算値の比較を示す。図5において、横軸は周期T、縦軸はカーネル誤差E(K,T)又は概算カーネル誤差E^(K,T)を示す。図5より、Kが十分に大きいとき、E(K,T)≒E^(K,T)が充足されることが分かる。R=1,σ=0.1の条件では、許容誤差がτ=0.005のときは、最小のKは一定値K=4となる。 FIG. 5 shows a comparison of the calculated values of the kernel error E (K, T) and the approximate kernel error E ^ (K, T) for several K when R = 1 and σ = 0.1. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the period T, and the vertical axis indicates the kernel error E (K, T) or the approximate kernel error E ^ (K, T). FIG. 5 shows that when K is sufficiently large, E (K, T) ≈E ^ (K, T) is satisfied. Under the condition of R = 1 and σ = 0.1, when the allowable error is τ 2 = 0.005, the minimum K is a constant value K = 4.

〔5〕簡略化した周期的ガウシアン・カーネルの準最適化
最適な(K,T)の決定は、〔4〕において説明した手法を用いることによって実施することができるが、BLFの演算における多少の計算コストを犠牲にして準最適な(K,T)を求めるのであれば、以下に説明する、より簡略化した手法を採ることもできる。
[5] Simplified periodic Gaussian kernel sub-optimization The optimal (K, T) can be determined by using the technique described in [4], If sub-optimal (K, T) is obtained at the expense of calculation cost, a more simplified method described below can be adopted.

図4より、周期的ガウシアン・カーネルg^(x;K,T)は、Kが十分に大きい場合には、閉区間[−T/2,T/2]のガウシアン・カーネルg(x)をx軸方向に2nT(nは整数)だけ平行移動したピーク函数g(x)の和で表されることが分かる。従って、g^(x;K,T)はHeavisideの階段函数H(x)を用いて次のように表すことができる。 From FIG. 4, the periodic Gaussian kernel g ^ (x; K, T) is the Gaussian kernel g (x) in the closed interval [−T / 2, T / 2] when K is sufficiently large. It can be seen that this is expressed as the sum of peak functions g n (x) translated by 2 nT (n is an integer) in the x-axis direction. Therefore, g ^ (x; K, T) can be expressed as follows using the Heaviside step function H 0 (x).

ここで、δ(ξ)はDiracのデルタ函数である。 Where δ (ξ) is the Dirac delta function.

Kが十分に大きい場合、T=Rのときは、定義域[−R,R]においてg^(x;K,T)はg(x)に一致する。T<Rのときは、定義域[−R,R]の両端(x=±R)の近傍に於いて、g(x)の隣接周期のピーク函数g±1(x)の影響を受けて誤差が生じる。従って、次のように、x=±Rにおいてg±1(±R)≒0を補償するようにTを決定すればよい。 When K is sufficiently large, when T = R, g ^ (x; K, T) matches g (x) in the domain [−R, R]. When T <R, it is affected by the peak function g ± 1 (x) of the adjacent period of g 0 (x) in the vicinity of both ends (x = ± R) of the domain [−R, R]. Error. Therefore, T may be determined so as to compensate for g ± 1 (± R) ≈0 at x = ± R as follows.

x≧ασにおいてg(x)≒0が補償されるとすると、隣接周期のピーク函数g±1(x)の影響を受けないように補償するには、T−R=ασであればよい。従って、有意周期Tの最適値Tτは、簡易的に次のように決定することができる。 If g (x) ≈0 is compensated for x ≧ ασ, in order to compensate so as not to be affected by the peak function g ± 1 (x) of the adjacent period, TR = ασ may be used. Therefore, the optimum value of the significant period T can be easily determined as follows.

ここで、αは有意水準(関数値を有意とみなす割合)を表すパラメータである。例えば、有意水準を99.73%とすればα=3となる。 Here, α is a parameter representing a significance level (a ratio at which a function value is considered significant). For example, if the significance level is 99.73%, α = 3.

式(25)により有意周期Tの最適値Tτが決定されれば、上述の式(17b),(19a)より打切項数Kの最適値Kτを決定することができる。例えば、最適値Kτを次式により計算できる。 If it is determined the optimum value T tau significant period T by the equation (25), the above equation (17b), it is possible to determine the optimum value K tau of truncation section number K from (19a). For example, the optimum value can be calculated by the following equation.

この方法は、TとKとを同時に最適化しないため、一般に、〔4〕で説明した方法に比べて算出されるKτが大きくなる傾向があり、算出される(Kτ,Tτ)は準最適値である。しかし、〔4〕に比べTτを簡易に決定できるので、一つの有効な手法である。 Since this method does not optimize T and K at the same time, generally, the calculated K τ tends to be larger than the method described in [4], and the calculated (K τ , T τ ) is Suboptimal value. However, it is possible to determine the T tau easily compared to [4], which is one of effective methods.

〔6〕本発明の構成
本発明に係る画像フィルタ演算装置の第1の構成は、入力画像{x(p)}(pは画素の位置,x(p)は位置pの画素値)に対して、標準偏差(以下「スケール・パラメータ」という。)σのガウス関数で定義される空間カーネルgs(q-p)(p,qは画素の位置)、及びスケール・パラメータσのガウス関数で定義されるレンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))とのコンボリューション演算により画像の平滑化を行う画像フィルタ演算装置であって、
前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記レンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))を、有限項数のフーリエ級数により近似した近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における級数の打切項数K、及び前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における各項の展開係数a(k=0,…,K)を演算する際のフーリエ積分の積分領域[-T/2,T/2]を定める有意周期Tの組である近似パラメータ(T,K)を、前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))の近似誤差が前記許容誤差τ以下となるように決定し出力する近似パラメータ最適化手段と、
前記近似パラメータ最適化手段が算出する前記近似パラメータ(T,K)に従い、前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))の第0項から第K項までの展開係数{a0,…,a}を算出する展開係数演算手段と、
前記展開係数演算手段が算出する展開係数{a0,…,a}を用いて、前記入力画像{x(p)}に対し、前記空間カーネルgs(q-p)及び前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))とのコンボリューション演算を実行するフィルタ演算手段と、を備えたことを特徴とする。
[6] Configuration of the Present Invention The first configuration of the image filter arithmetic device according to the present invention is based on the input image {x (p)} (p is the pixel position and x (p) is the pixel value at position p). The spatial deviation g s (qp) defined by the Gaussian function of standard deviation (hereinafter referred to as “scale parameter”) σ s (p and q are pixel positions), and the Gaussian function of scale parameter σ r An image filter arithmetic device for smoothing an image by a convolution operation with a defined range kernel g r (x (q) -x (p)),
For the scale parameter σ r , the predetermined tolerance τ and the dynamic range R of the input image {x (p)}, the range kernel g r (x (q) −x (p)) is a finite term. The series truncation term K in the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) approximated by the Fourier series of the number and the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x ( p)) an approximation that is a set of significant periods T that define an integration region [-T / 2, T / 2] of Fourier integration when calculating the expansion coefficient a k (k = 0,..., K) of each term in p)) Approximate parameter optimizing means for determining and outputting parameters (T, K) such that the approximate error of the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) is equal to or less than the allowable error τ; ,
Expansion coefficients from the 0th term to the Kth term of the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) according to the approximate parameter (T, K) calculated by the approximate parameter optimization means expansion coefficient calculating means for calculating {a 0 ,..., a K };
Using the expansion coefficients {a 0 ,..., A K } calculated by the expansion coefficient calculating means, the spatial kernel g s (qp) and the approximate range kernel g are applied to the input image {x (p)}. ^ r (x (q) -x (p)) and a filter operation means for executing a convolution operation.

この構成によれば、近似パラメータ最適化手段により、許容誤差τに応じて、打切項数Kのみならず、有意周期Tをも変更して最適化することで、従来よりも計算コストが小さく、かつ計算誤差の制御を自在に行うことが可能となる。   According to this configuration, the approximation parameter optimization means optimizes by changing not only the number of truncation terms K but also the significant period T in accordance with the allowable error τ, so that the calculation cost is lower than conventional, In addition, calculation error can be freely controlled.

本発明に係る画像フィルタ演算装置の第2の構成は、前記第1の構成に於いて、前記近似パラメータ最適化手段は、前記打切項数Kを算出する打切項数演算手段を備え、
前記打切項数演算手段は、前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記打切項数Kを
According to a second configuration of the image filter arithmetic apparatus according to the present invention, in the first configuration, the approximate parameter optimization means includes a truncation term number calculating means for calculating the truncation term number K,
The truncation term number calculating means calculates the truncation term number K with respect to the scale parameter σ r , a predetermined allowable error τ, and the dynamic range R of the input image {x (p)}.

により算出することを特徴とする。 It is characterized by calculating by.

本発明に係る画像フィルタ演算装置の第3の構成は、前記第1又は2の構成に於いて、前記近似パラメータ最適化手段は、前記有意周期Tを算出する有意周期最適化手段を備え、
前記展開係数演算手段は、前記レンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))を積分領域[-T/2,T/2]でフーリエ積分した近似展開係数を、前記各展開係数{a0,…,a}として算出するものであり、
前記有意周期最適化手段は、前記スケール・パラメータσ、前記打切項数K及び前記ダイナミックレンジRに対する、変数Tの方程式
According to a third configuration of the image filter arithmetic apparatus according to the present invention, in the first or second configuration, the approximate parameter optimization unit includes a significant cycle optimization unit that calculates the significant cycle T,
The expansion coefficient calculating means is configured to calculate an approximate expansion coefficient obtained by performing Fourier integration of the range kernel g r (x (q) −x (p)) in an integration region [−T / 2, T / 2], and each expansion coefficient. {a 0 , ..., a K }
The significant period optimization means includes an equation of a variable T with respect to the scale parameter σ r , the truncation term number K, and the dynamic range R.

を満たすTを前記有意周期Tとして算出するものであることを特徴とする。 T is calculated as the significant period T.

本発明に係る画像フィルタ演算装置の第4の構成は、前記第1の構成に於いて、前記近似パラメータ最適化手段は、
前記スケール・パラメータσ及び前記レンジ上限値R、並びに予め設定された有効幅パラメータα(ασ<R)に基づき、前記有意周期Tを、
According to a fourth configuration of the image filter arithmetic apparatus according to the present invention, in the first configuration, the approximate parameter optimization unit includes:
Based on the scale parameter σ r, the range upper limit value R, and a preset effective width parameter α (ασ r <R), the significant period T is

により算出する演算周期設定手段と、
前記許容誤差τ,前記有意周期T及び前記スケール・パラメータσに基づいて、前記打切項数Kを
A calculation cycle setting means calculated by:
Based on the allowable error τ, the significant period T, and the scale parameter σ r , the truncation number K is

により算出する打切項数決定手段と、を備えたことを特徴とする。 And a truncation term number determining means for calculating by the following.

本発明に係る画像フィルタ演算装置の第5の構成は、前記第1乃至4の何れか一の構成に於いて、前記展開係数演算手段は、前記各展開係数{a1,…,a}を、 In a fifth configuration of the image filter arithmetic device according to the present invention, in any one of the first to fourth configurations, the expansion coefficient calculation means includes the expansion coefficients {a 1 ,..., A K }. The

により算出するものであることを特徴とする。 It is a thing calculated by these.

本発明に係る画像フィルタ演算プログラムは、コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを前記第1乃至5の何れか一の構成の画像フィルタ演算装置として機能させることを特徴とする。   An image filter calculation program according to the present invention is read and executed by a computer, thereby causing the computer to function as the image filter calculation device having any one of the first to fifth configurations.

本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置の第1の構成は、標準偏差(以下「スケール・パラメータ」という。)σのガウス関数で定義されるガウシアン・カーネルgr(x)の近似値を算出するガウシアン・カーネル演算装置であって、
前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記レンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))を、有限項数のフーリエ級数により近似した近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における級数の打切項数K、及び前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における各項の展開係数a(k=0,…,K)を演算する際のフーリエ積分の積分領域[-T/2,T/2]を定める有意周期Tの組である近似パラメータ(T,K)を、前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))の近似誤差が前記許容誤差τ以下となるように決定し出力する近似パラメータ最適化手段と、
前記近似パラメータ最適化手段が算出する前記近似パラメータ(T,K)に従い、前記近似ガウシアン・カーネルgr(x)の第0項から第K項までの展開係数{a0,…,a}を算出する展開係数演算手段と、
前記展開係数演算手段が算出する展開係数{a0,…,a}を用いて、前記近似ガウシアン・カーネルgr(x)を算出する近似関数演算手段と、を備えたことを特徴とする。
The first configuration of the Gaussian kernel arithmetic device according to the present invention calculates an approximate value of a Gaussian kernel g r (x) defined by a Gaussian function of standard deviation (hereinafter referred to as “scale parameter”) σ r . A Gaussian kernel computing device that
For the scale parameter σ r , the predetermined tolerance τ and the dynamic range R of the input image {x (p)}, the range kernel g r (x (q) −x (p)) is a finite term. The series truncation term K in the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) approximated by the Fourier series of the number and the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x ( p)) an approximation that is a set of significant periods T that define an integration region [-T / 2, T / 2] of Fourier integration when calculating the expansion coefficient a k (k = 0,..., K) of each term in p)) Approximate parameter optimizing means for determining and outputting parameters (T, K) such that the approximate error of the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) is equal to or less than the allowable error τ; ,
The expansion coefficients {a 0 ,..., A K } from the 0th term to the Kth term of the approximate Gaussian kernel g r (x) according to the approximate parameters (T, K) calculated by the approximate parameter optimization means. Expansion coefficient calculating means for calculating
Approximate function calculation means for calculating the approximate Gaussian kernel g r (x) using the expansion coefficients {a 0 ,..., A K } calculated by the expansion coefficient calculation means. .

本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置の第2の構成は、前記第1の構成に於いて、前記近似パラメータ最適化手段は、
前記打切項数Kを算出する打切項数演算手段を備え、
前記打切項数演算手段は、前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記打切項数Kを
According to a second configuration of the Gaussian kernel arithmetic device according to the present invention, in the first configuration, the approximate parameter optimization unit includes:
A truncation term number calculating means for calculating the truncation term number K;
The truncation term number calculating means calculates the truncation term number K with respect to the scale parameter σ r , a predetermined allowable error τ, and the dynamic range R of the input image {x (p)}.

により算出することを特徴とする。 It is characterized by calculating by.

本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置の第3の構成は、前記第1又は2の構成に於いて、前記近似パラメータ最適化手段は、前記有意周期Tを算出する有意周期最適化手段を備え、
前記展開係数演算手段は、前記近似ガウシアン・カーネルgr(x)を積分領域[-T/2,T/2]でフーリエ積分した近似展開係数を、前記各展開係数{a0,…,a}として算出するものであり、
前記有意周期最適化手段は、前記スケール・パラメータσ、前記打切項数K及び前記ダイナミックレンジRに対する、変数Tの方程式
According to a third configuration of the Gaussian kernel arithmetic device according to the present invention, in the first or second configuration, the approximate parameter optimization unit includes a significant cycle optimization unit that calculates the significant cycle T,
The expansion coefficient computing means calculates an approximate expansion coefficient obtained by performing Fourier integration of the approximate Gaussian kernel g r (x) in the integration region [−T / 2, T / 2], and the expansion coefficients {a 0 ,. K }, and
The significant period optimization means includes an equation of a variable T with respect to the scale parameter σ r , the truncation term number K, and the dynamic range R.

を満たすTを前記有意周期Tとして算出するものであることを特徴とする。 T is calculated as the significant period T.

本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置の第4の構成は、前記第1の構成に於いて、前記近似パラメータ最適化手段は、
前記スケール・パラメータσ及び前記レンジ上限値R、並びに予め設定された有効幅パラメータα(ασ<R)に基づき、前記有意周期Tを、
According to a fourth configuration of the Gaussian kernel arithmetic apparatus according to the present invention, in the first configuration, the approximate parameter optimizing means includes:
Based on the scale parameter σ r, the range upper limit value R, and a preset effective width parameter α (ασ r <R), the significant period T is

により算出する演算周期設定手段と、
前記許容誤差τ,前記有意周期T及び前記スケール・パラメータσに基づいて、前記打切項数Kを
A calculation cycle setting means calculated by:
Based on the allowable error τ, the significant period T, and the scale parameter σ r , the truncation number K is

により算出する打切項数決定手段と、を備えたことを特徴とする。 And a truncation term number determining means for calculating by the following.

本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置の第5の構成は、前記第1乃至4の何れか一の構成に於いて、前記展開係数演算手段は、前記各展開係数{a1,…,a}を、 In a fifth configuration of the Gaussian kernel calculation device according to the present invention, in any one of the first to fourth configurations, the expansion coefficient calculation means includes the expansion coefficients {a 1 ,..., A K }

により算出するものであることを特徴とする。 It is a thing calculated by these.

本発明に係るガウシアン・カーネル演算プログラムは、コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを第1乃至5の何れか一の構成のガウシアン・カーネル演算装置として機能させることを特徴とする。   A Gaussian kernel arithmetic program according to the present invention is read and executed by a computer, thereby causing the computer to function as a Gaussian kernel arithmetic device having any one of the first to fifth configurations.

以上のように、本発明に係る画像フィルタ演算装置及びガウシアン・カーネル演算装置によれば、従来よりも計算コストが小さく、かつ計算誤差の制御を自在に行うことが可能となる。   As described above, according to the image filter arithmetic device and the Gaussian kernel arithmetic device according to the present invention, the calculation cost is lower than the conventional one, and the calculation error can be freely controlled.

尚、本発明の画像フィルタ演算装置及びガウシアン・カーネル演算装置は、主としてBLFへの適用を前提としているが、応用範囲はBLFに限られず、上述したクロス/ジョイントBLFなどにも適用可能である。   Although the image filter arithmetic device and Gaussian kernel arithmetic device of the present invention are mainly premised on application to BLF, the application range is not limited to BLF, and is applicable to the above-described cross / joint BLF and the like.

D次元BLFを(D+1)次元のガウシアン・コンボリューションの比のD次元空間への投射として捉えた場合におけるBLF計算過程の概念図である。It is a conceptual diagram of a BLF calculation process in the case where the D-dimensional BLF is regarded as a projection of a (D + 1) -dimensional Gaussian convolution ratio to the D-dimensional space. バイラテラル空間に於いて、t軸に沿って一定の間隔でスライスしたβ(p,t),β(p,t),ζ(p,t)のレイヤ画像である。In the bilateral space, layer images of β (p, t), β 0 (p, t), and ζ (p, t) sliced at regular intervals along the t-axis. t軸に沿った線型変換アプローチによる圧縮バイラテラル・フィルタの構成手順を示す図である。It is a figure which shows the structure procedure of the compression bilateral filter by the linear transformation approach along t-axis. 3つの異なる周期条件における周期的ガウシアン・カーネルを示す図である。FIG. 4 shows a periodic Gaussian kernel in three different periodic conditions. R=1,σ=0.1の場合における幾つかのKに対するカーネル誤差E(K,T)と概算カーネル誤差E^(K,T)との計算値の比較図である。It is a comparison figure of the calculated value of kernel error E (K, T) and rough kernel error E ^ (K, T) for some K in the case of R = 1 and σ = 0.1. 実施例1に係るガウシアン・カーネル演算装置のハードウェア構成を表す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a hardware configuration of a Gaussian kernel arithmetic device according to the first embodiment. 実施例1に係るガウシアン・カーネル演算装置の機能構成を表すブロック図である。3 is a block diagram illustrating a functional configuration of a Gaussian kernel arithmetic device according to Embodiment 1. FIG. 実施例1のガウシアン・カーネル演算装置10における、最適な近似パラメータ(Kτ,Tτ)及びに有意係数aの演算処理の全体の流れを表すPADである。5 is a PAD representing the overall flow of the calculation processing of the optimum approximate parameters (K τ , T τ ) and the significant coefficient a k in the Gaussian kernel arithmetic device 10 of the first embodiment. 実施例1のガウシアン・カーネル演算装置10における、有意周期Tτの最適値演算処理を表すPADである。In the Gaussian kernel arithmetic unit 10 of the first embodiment, a PAD indicating the optimum value calculation processing significant period T tau. 級数展開近似したガウシアン・カーネルの打切項数Kと近似誤差Eとの関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a Gaussian kernel truncation term K approximated by series expansion and an approximation error E; σとτとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between (sigma) r and (tau). 実施例2に係るフィルタ演算装置の機能構成を表すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram illustrating a functional configuration of a filter arithmetic device according to a second embodiment. 実施例2のフィルタ演算装置20における、バイラテラル演算処理の流れを表すPADである。10 is a PAD showing a flow of bilateral calculation processing in the filter calculation device 20 of the second embodiment. GF演算器29による2次元離散ガウシアン・フィルタ演算処理を表すPADである。5 is a PAD representing a two-dimensional discrete Gaussian filter calculation process by the GF calculator 29. 非特許文献2のChaudhury近似アルゴリズム(ε=0.8)及びCBLF(τ=0.1)における近似精度[dB]と計算時間を比較した図である。It is the figure which compared the approximation accuracy [dB] and calculation time in the Chaudhury approximation algorithm ((epsilon) = 0.8) and CBLF ((tau) = 0.1) of a nonpatent literature 2. FIG. 非特許文献14のYang近似アルゴリズム(B=8)及びCBLFにおける近似精度[dB]と計算時間を比較した図である。It is the figure which compared the calculation accuracy with the approximation accuracy [dB] in Yang approximation algorithm (B = 8) of nonpatent literature 14, and CBLF. 原画像と、オリジナルのBLF、Chaudhury近似アルゴリズム、Yang近似アルゴリズム、及びCBLFの各アルゴリズムによって生成した平滑化画像と、10倍に増幅した誤差画像である。An original image, a smoothed image generated by the original BLF, Chaudhury approximation algorithm, Yang approximation algorithm, and CBLF algorithm, and an error image amplified by 10 times. 実施例3に係るフィルタ演算装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the filter calculating apparatus which concerns on Example 3. FIG. 図18の演算パラメータメモリ51及び近似パラメータ最適化部52の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the calculation parameter memory 51 and the approximate parameter optimization part 52 of FIG. 図18のフィルタ演算回路54の構成を表すブロック図である。FIG. 19 is a block diagram illustrating a configuration of a filter operation circuit 54 in FIG. 18. 図20のB回路78(B回路78−1〜78−K)の構成を表すブロック図である。FIG. 21 is a block diagram illustrating a configuration of a B circuit 78 (B circuits 78-1 to 78-K) in FIG. 20.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図6は、本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置のハードウェア構成を表す図である。   FIG. 6 is a diagram showing a hardware configuration of the Gaussian kernel arithmetic device according to the present invention.

図6において、本発明のガウシアン・カーネル演算装置は、コンピュータ1、入力装置2、出力装置3及び外部記憶装置4を備えている。入力装置2は、キーボードやマウス、CD−ROM等の一般のコンピュータの入力装置である。出力装置3は、プリンタ、ディスプレイ等の一般のコンピュータの出力装置である。外部記憶装置4は、磁気ディスク等の一般の外部記憶装置である。本実施例に係るガウシアン・カーネル演算装置は、提供されるガウシアン・カーネル演算プログラムを、入力装置2からコンピュータ1に読み込ませて実行することにより実現される。   In FIG. 6, the Gaussian kernel arithmetic device of the present invention includes a computer 1, an input device 2, an output device 3, and an external storage device 4. The input device 2 is a general computer input device such as a keyboard, a mouse, or a CD-ROM. The output device 3 is a general computer output device such as a printer or a display. The external storage device 4 is a general external storage device such as a magnetic disk. The Gaussian kernel arithmetic device according to the present embodiment is realized by reading the provided Gaussian kernel arithmetic program from the input device 2 into the computer 1 and executing it.

図7は、本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置10の機能構成を表すブロック図である。図7の機能構成は、コンピュータ1において前記ガウシアン・カーネル演算プログラムを実行させることによって実現される。 FIG. 7 is a block diagram showing a functional configuration of the Gaussian kernel arithmetic device 10 according to the present invention. The functional configuration of FIG. 7 is realized by causing the computer 1 to execute the Gaussian kernel arithmetic program.

演算パラメータメモリ11は、入力装置2から予め入力されるガウシアン・カーネルの演算パラメータσ,τ,Rなどを記憶する。ここで、σはガウシアン・カーネルのスケール・パラメータ、τは許容近似誤差、Rはサンプル値の採り得る最大値(レンジ上限値)である。   The operation parameter memory 11 stores operation parameters σ, τ, R, etc. of Gaussian kernels input in advance from the input device 2. Here, σ is a Gaussian kernel scale parameter, τ is an allowable approximation error, and R is a maximum value (range upper limit value) that can be taken by the sample value.

近似パラメータ最適化手段12は、上述した周期的ガウシアン・カーネルg^(x;K,T)の打切項数K及び有意周期Tを決定する。近似パラメータ最適化手段12は、打切項数演算器13,有意周期最適化器14,及びKTレジスタ14aを備えている。打切項数演算器13は、式(20)により、許容誤差τに対して最小となる打切項数Kτを算出する。有意周期最適化器14は、打切項数Kτに対して式(18)の近似誤差を最小とする有意周期Tτの値を算出する。KTレジスタ14aは、打切項数演算器13及び有意周期最適化器14が算出する最適化された近似パラメータ(Kτ,Tτ)を保持する。 The approximate parameter optimization means 12 determines the number K of truncation terms and the significant period T of the periodic Gaussian kernel シ ア ン (x; K, T) described above. The approximate parameter optimization means 12 includes a truncation number calculator 13, a significant period optimizer 14, and a KT register 14a. The truncation term number calculator 13 calculates the truncation term number K τ that is the minimum with respect to the allowable error τ, using Equation (20). The significant period optimizer 14 calculates the value of the significant period T τ that minimizes the approximation error of Expression (18) with respect to the number of truncation terms K τ . The KT register 14 a holds the optimized approximate parameters (K τ , T τ ) calculated by the truncation term number calculator 13 and the significant period optimizer 14.

有意係数演算器15は、近似パラメータ最適化手段12により算出されKTレジスタ14aに保持された打切項数K及び有意周期Tの最適値(Kτ,Tτ)を用いて、式(13b)により周期的ガウシアン・カーネルg^(x;Kτ,Tτ)のフーリエ係数(以下「有意係数」という。)a(k=0,1,…,K)を算出する。有意係数メモリ16は、有意係数演算器15により算出された有意係数a(k=0,1,…,Kτ)を記憶する。 The significant coefficient calculator 15 uses the truncation term number K and the optimum value (K τ , T τ ) of the significant period T calculated by the approximate parameter optimization unit 12 and held in the KT register 14a according to the equation (13b). A Fourier coefficient (hereinafter referred to as “significant coefficient”) a k (k = 0, 1,..., K) of the periodic Gaussian kernel g ^ (x; K τ , T τ ) is calculated. The significant coefficient memory 16 stores the significant coefficient a k (k = 0, 1,..., K τ ) calculated by the significant coefficient calculator 15.

近似関数演算器17は、入力装置2から入力されるサンプル値x及び有意係数メモリ16に記憶された有意係数a(k=0,1,…,K)を用いて、式(13a)により周期的ガウシアン・カーネルg^(x;K,T)の値を算出し、出力装置3へ出力する。 The approximate function calculator 17 uses the sample value x input from the input device 2 and the significant coefficient a k (k = 0, 1,..., K) stored in the significant coefficient memory 16 according to Expression (13a). The value of the periodic Gaussian kernel g ^ (x; K, T) is calculated and output to the output device 3.

以上のように構成された本実施例に係るガウシアン・カーネル演算装置10について、以下その動作を説明する。本実施例に係るガウシアン・カーネル演算装置10は、最初に入力装置2から演算パラメータ(R,σ,τ)が入力され、これらが演算パラメータメモリ11に設定されると、まず、近似パラメータ最適化手段12により打切項数K及び有意周期Tの最適値(Kτ,Tτ)が決定され、次に有意係数演算器15により有意係数a(k=0,1,…,K)が算出され、これら有意係数aが有意係数メモリ16に保存される。その後、入力装置2からサンプル値xが入力される度に、近似関数演算器17が、予め算出された打切項数K及び有意係数aを用いて、周期的ガウシアン・カーネルg^(x;Kτ,Tτ)の値を式(13a)により計算し、これを出力装置3へ出力する。 The operation of the Gaussian kernel arithmetic apparatus 10 according to this embodiment configured as described above will be described below. In the Gaussian kernel arithmetic device 10 according to the present embodiment, when arithmetic parameters (R, σ, τ) are first input from the input device 2 and these are set in the arithmetic parameter memory 11, first, approximate parameter optimization is performed. The means 12 determines the number K of truncation terms and the optimum value (K τ , T τ ) of the significant period T, and then calculates the significant coefficient a k (k = 0, 1,..., K) by the significant coefficient calculator 15. These significant coefficients ak are stored in the significant coefficient memory 16. Thereafter, each time the sample value x is input from the input device 2, the approximate function calculator 17 uses the censored term number K and the significant coefficient ak calculated in advance, and the periodic Gaussian kernel g ^ (x; The value of K τ , T τ ) is calculated by equation (13a), and this is output to the output device 3.

〔1〕打切項数K及び有意係数aの演算
図8,図9は、実施例1のガウシアン・カーネル演算装置10における打切項数K及び有意周期T並びに有意係数aの演算処理を表すフローチャートである。ここでは、予め入力装置2から演算パラメータ(R,σ,τ)が入力され、これらが演算パラメータメモリ11に設定されているものとする。
[1] Calculation of the number of truncation terms K and the significant coefficient a k FIGS. 8 and 9 show the calculation processing of the number K of truncation terms, the significant period T, and the significant coefficient a k in the Gaussian kernel computation device 10 of the first embodiment. It is a flowchart. Here, it is assumed that calculation parameters (R, σ, τ) are input from the input device 2 in advance and are set in the calculation parameter memory 11.

〔1.1〕全体の流れ
図8は、最適な近似パラメータ(Kτ,Tτ)及びに有意係数aの演算処理の全体の流れを表すPAD(Problem Analysis Diagram)(JIS X 0128:1988/ISO 8631)である。ここでは、最初に式(18)の近似誤差E^が許容誤差τとなり且つKが最小となるように(Kτ,Tτ)を設定し、その後、有意係数(フーリエ係数)aの演算を行う。
[1.1] Overall Flow FIG. 8 is a PAD (Problem Analysis Diagram) (JIS X 0128: 1988) showing the overall flow of the calculation processing of the optimum approximate parameters (K τ , T τ ) and the significant coefficient a k. / ISO 8631). Here, first, (K τ , T τ ) is set so that the approximation error E ^ in the equation (18) becomes the allowable error τ and K is minimized, and then the significant coefficient (Fourier coefficient) a k is calculated. I do.

(ステップS101)
まず、打切項数演算器13は、演算パラメータメモリ11に設定された各パラメータ(R,σ,τ)を読み出し、式(20)により、許容誤差τに対する最適な打切項数Kτを算出し、KTレジスタ14aへ保存する。
(Step S101)
First, the truncation term number calculator 13 reads each parameter (R, σ, τ) set in the computation parameter memory 11, and calculates the optimum number of truncation terms K τ for the allowable error τ by Expression (20). To the KT register 14a.

(ステップS102)
次に、有意周期最適化器14は、演算パラメータメモリ11に設定された各パラメータ(R,σ,τ)を読み出し、式(19a)の閉区間において、Tの方程式(22)を解くことにより、許容誤差τに対する最適な有意周期Tτを算出し、KTレジスタ14aへ保存する。尚、方程式(22)は解析的に解くことはできないため、反復法によって数値的に解く必要がある。しかし、Tの採り得る範囲は式(19a)によって狭い範囲に制約されているため、二分法を用いて算出するのが好適である。この有意周期Tτの演算処理の具体例については後述する。
(Step S102)
Next, the significant cycle optimizer 14 reads each parameter (R, σ, τ) set in the calculation parameter memory 11 and solves the equation (22) of T in the closed interval of the equation (19a). calculates the optimal significant period T tau for tolerance tau, saving to KT register 14a. Since equation (22) cannot be solved analytically, it must be solved numerically by an iterative method. However, since the range that T can take is restricted to a narrow range by the equation (19a), it is preferable to calculate by using the bisection method. A specific example of the calculation process of the significant period will be described later.

(ステップS103)
次に、有意係数演算器15は、0番目のフーリエ係数a(=1/Tτ)を算出し、有意係数メモリ16へ保存する。
(Step S103)
Next, the significant coefficient calculator 15 calculates the zeroth Fourier coefficient a 0 (= 1 / T τ ) and stores it in the significant coefficient memory 16.

(ステップS103−S104)
次に、有意係数演算器15は、先にKTレジスタ14aに保持されている最適値(Kτ,Tτ)より、1番目〜Kτ番目のフーリエ係数a(k=1,…,Kτ)の近似値を式(15)により算出し、有意係数メモリ16へ保存する。
(Steps S103-S104)
Next, the significant coefficient calculator 15 calculates the first to K τ- th Fourier coefficients a k (k = 1,..., K) from the optimum values (K τ , T τ ) previously held in the KT register 14a. The approximate value of τ 2 ) is calculated by equation (15) and stored in the significant coefficient memory 16.

以上のステップS101〜S104により、有意係数メモリ16には、ガウシアン・カーネルの演算に必要なフーリエ係数a及び打切項数Kτが保存された状態となる。 Through the above steps S101 to S104, the significant coefficient memory 16 is in a state where the Fourier coefficient a k and the number of truncation terms K τ necessary for the calculation of the Gaussian kernel are stored.

〔1.2〕有意周期Tτの演算処理
次に、図8のステップS102における有意周期Tτの演算処理の例について説明する。ここでは、Tの探索範囲が式(19a)により狭い範囲に制約されていることから、二分法アルゴリズムを用いて最適値Tτの探索を行う例を示す。図9は、ステップS102における有意周期Tτの演算処理を表すPADである。
[1.2] calculation of significant period T tau Next, an example of calculation of significant period T tau in step S102 in FIG. 8. Here, since the search range of T is restricted to a narrow range by the equation (19a), an example of searching for the optimum value using a dichotomy algorithm is shown. Figure 9 is a PAD indicating the calculation of significant period T tau in step S102.

(ステップS201)
まず、有意周期最適化器14は、Tの探索範囲の初期値[T,T],最大反復回数imax,方程式(22)の根の精度εの設定を行う。探索範囲の初期値[T,T]は、式(19a)により算出される。また、最大反復回数imaxは収束を考慮して適宜設定すればよいが、iter=12程度に設定しておけば十分である。
(Step S201)
First, the significant period optimizer 14 sets the initial value [T 1 , T 2 ] of the search range of T, the maximum number of iterations i max , and the accuracy ε x of the root of equation (22). The initial value [T 1 , T 2 ] of the search range is calculated by the equation (19a). The maximum number of iterations i max may be set as appropriate in consideration of convergence, but it is sufficient to set iter = 12.

(ステップS202)
次に、有意周期最適化器14は、T=T及びT=Tにおいて、目的関数f(T;Kτ,R,σ)の最初の評価を行い、z=f(T;Kτ,R,σ),zmid=f(T;Kτ,R,σ)に設定する。ここで、目的関数f(T)は、方程式(22)の左辺である。
(Step S202)
Next, the significant period optimizer 14 performs an initial evaluation of the objective function f (T; K τ , R, σ) at T = T 1 and T = T 2 , and z 1 = f (T 1 ; K τ , R, σ), z mid = f (T 2 ; K τ , R, σ). Here, the objective function f (T) is the left side of the equation (22).

(ステップS203〜S205)
次に、有意周期最適化器14は、探索方向の設定を行う。即ち、z<0の場合には(S203)、探索方向dTを正方向(T−T)とし、探索基準点TrtbをTに設定する(S204)。z≧0の場合には(S203)、探索方向dTを負方向(T−T)とし、探索基準点TrtbをTに設定する(S205)。
(Steps S203 to S205)
Next, the significant cycle optimizer 14 sets a search direction. That is, when z 1 <0 (S203), the search direction dT is set to the positive direction (T 2 −T 1 ), and the search reference point T rtb is set to T 1 (S204). When z 1 ≧ 0 (S203), the search direction dT is set to the negative direction (T 1 −T 2 ), and the search reference point T rtb is set to T 2 (S205).

(ステップS206〜S211)
次に、有意周期最適化器14は、二分探索によって方程式(22)の解を算出する。即ち、以下S207〜S211の処理を反復実行する。
(Steps S206 to S211)
Next, the significant period optimizer 14 calculates a solution of the equation (22) by binary search. That is, the processes of S207 to S211 are repeatedly executed.

まず、dTを1/2倍し、現在の探索範囲の中間点TmidをTrtb+dTにより算出し、中間点Tmidにおける目的関数値f(Tmid;Kτ,R,σ)を算出しこれをzmidとする(S207)。次いで、zmidが0以下の場合には探索基準点Trtbを中間点Tmidにシフトさせる(S208,S209)。そして、|dT|が精度ε以下に達したか又は中間点Tmidの目的関数値zmidが0となった場合には、探索基準点Trtbを解(最適値Tτ)として出力し(S210,S211)、そうでなければステップS207へ戻る。 First, dT is halved, an intermediate point T mid of the current search range is calculated by T rtb + dT, and an objective function value f (T mid ; K τ , R, σ) at the intermediate point T mid is calculated. This is set as zmid (S207). Next, when z mid is 0 or less, the search reference point T rtb is shifted to the intermediate point T mid (S208, S209). Then, | dT | is when it becomes an objective function value z mid are 0 or intermediate point T mid reached following accuracy epsilon x outputs the search reference point T rtb as the solution (the optimum value T tau) (S210, S211), otherwise return to step S207.

以上の処理を行うことによって、方程式(22)の根である最適な有意周期Tτを容易に算出することができる。 By performing the above processing, the optimum significant period that is the root of the equation (22) can be easily calculated.

なお、本実施例に於いては、近似パラメータ最適化手段12が式(18),(19a)に準じて(Kτ,Tτ)を決定する例について説明したが、より簡略化した方法として、近似パラメータ最適化手段12が式(22)によりTτを算出し、このTτを用いて、打切項数演算器13が式(19a)(具体的には図8のK(T)演算処理)により最適な打切項数Kτを算出するように構成することもできる。 In the present embodiment, the example in which the approximate parameter optimization unit 12 determines (K τ , T τ ) according to the equations (18) and (19a) has been described. However, as a more simplified method, Then, the approximate parameter optimization means 12 calculates T τ according to the equation (22), and using this T τ , the truncation term number calculator 13 calculates the equation (19a) (specifically, the K (T) calculation in FIG. 8). It may be configured to calculate the optimal truncation claim number K tau by treatment).

最後に、本実施例に係るガウシアン・カーネル演算装置10の計算コストについて、従来のガウシアン・カーネル演算装置等と比較して説明する。図10は、級数展開近似したガウシアン・カーネルの打切項数Kと近似誤差Eとの関係を示す図である。図10において、(a),(b),(c)は、それぞれ、スケール・パラメータσが0.05,0.1,0.2の場合を示している。尚、ダイナミックレンジRは1に規格化している。横軸はスペクトル成分の打切項数(有意とみなすスペクトル成分の数)N、縦軸は近似誤差の平方根√E(式(16))である。(a)〜(c)において、「Chaudhury'13」は、背景技術で挙げたChaudhury近似の式(4)により計算した近似ガウシアン・カーネルの近似誤差を表す(尚、この場合、横軸の打切項数Kは式(4)の右辺の和の項数Nである)。「KLT」は、ガウシアン・カーネルをカルーネン・レーベ変換(KLT)により近似した場合を表し、理論上最も最適とされる近似である。「Ours (T=2R)」は、実施例1のガウシアン・カーネル演算装置において有意周期TをダイナミックレンジRに固定した場合(即ち、通常のFourier級数近似)の近似誤差を表す。「Ours (T≦2R)」は、実施例1のガウシアン・カーネル演算装置において打切項数K及び有意周期Tの最適値(Kτ,Tτ)を図9のフローチャートに従った処理によって決定した場合の近似誤差を表す。また、(a)〜(c)の各図においてE=0.05(5%)のラインが、この計算例における許容誤差τである。 Finally, the calculation cost of the Gaussian kernel arithmetic device 10 according to the present embodiment will be described in comparison with a conventional Gaussian kernel arithmetic device and the like. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the Gaussian kernel truncation number K approximated by series expansion and the approximation error E. In FIG. 10, (a), (b), and (c) show cases where the scale parameter σ is 0.05, 0.1, and 0.2, respectively. The dynamic range R is normalized to 1. The horizontal axis represents the number of truncation terms of spectral components (the number of spectral components considered significant) N, and the vertical axis represents the square root √E of approximation error (Expression (16)). In (a) to (c), “Chaudhury'13” represents the approximation error of the approximate Gaussian kernel calculated by the Chaudhury approximation formula (4) mentioned in the background art (in this case, the horizontal axis is truncated). The number of terms K is the number of terms N of the sum of the right side of the equation (4)). “KLT” represents a case where the Gaussian kernel is approximated by the Karoonen-Leve transform (KLT), and is the approximation that is theoretically most optimal. “Ours (T = 2R)” represents an approximation error in the case where the significant period T is fixed to the dynamic range R in the Gaussian kernel arithmetic device of the first embodiment (that is, normal Fourier series approximation). “Ours (T ≦ 2R)” is determined by the processing according to the flowchart of FIG. 9 in the Gaussian kernel arithmetic unit of the first embodiment, and the optimal value (K τ , T τ ) of the truncation term K and the significant period T is determined. Represents the approximation error in the case. In each of the drawings (a) to (c), the line E = 0.05 (5%) is the allowable error τ in this calculation example.

E=0.5におけるKの値を比較すると、明らかに、本実施例に係るガウシアン・カーネル演算装置は、従来のChaudhury近似に比べて少ない打切項数Kで所望の近似精度が得られることが分かる。スケール・パラメータσが小さくなるほどその傾向は顕著となる。また、Chaudhury近似や本実施例のガウシアン・カーネル演算装置の近似では、Kが大きくなると近似誤差Eが一定の値に漸近し、ある一定値(以下「漸近近似誤差値E」という。)よりも小さくならない。σが大きいほど漸近近似誤差値Eは大きくなる傾向がある。しかし、図10(c)から明らかなように、本実施例のガウシアン・カーネル演算装置の近似では、Chaudhury近似よりも漸近近似誤差値Eを小さくすることができ、大きなσにおいても精度のよい近似値を得ることができる。 Comparing the value of K at E = 0.5, it is clear that the Gaussian kernel arithmetic unit according to the present embodiment can obtain a desired approximation accuracy with a smaller number of truncation terms K than the conventional Chaudhury approximation. I understand. The tendency becomes more prominent as the scale parameter σ becomes smaller. In addition, in the Chaudhury approximation and the approximation of the Gaussian kernel arithmetic unit of this embodiment, the approximation error E asymptotically approaches a certain value when K increases, and from a certain constant value (hereinafter referred to as “asymptotic approximation error value E ”). Does not get smaller. asymptotic approximation error value E as σ is large tends to increase. However, as is clear from FIG. 10 (c), the in approximation of Gaussian kernel computation device of this embodiment, it is possible to reduce the asymptotic approximation error value E than Chaudhury approximation, good accuracy over a large σ An approximate value can be obtained.

また、「Ours (T=2R)」と「Ours (T≦2R)」を比較すると、本実施例のガウシアン・カーネル演算装置において、有意周期TをダイナミックレンジRよりも小さい値に最適化することで、小さい打切項数Kで所望の近似精度を得ることができることが分かる。これは、スケール・パラメータσで規定されるガウシアン・カーネルの広がりに対して、有意周期TをRから適度に縮小することにより、周期的ガウシアン・カーネルの形状がコサイン函数の形状に近づき、これにより高周波成分が減少することによる。すなわち、ダイナミックレンジRがスケール・パラメータσに対して非常に大きい場合、周期的ガウシアン・カーネルの形状は、一定の周期で鋭いピークが並んだものとなり、これを近似するには多くの高周波成分を必要とするが、有意周期TをダイナミックレンジRより小さくし各ピークの間隔を狭くして周期的ガウシアン・カーネルの形状を一定周期の滑らかな波の形状に近づけることで、近似に必要な高周波成分を減少させることができる。従って、本実施例のガウシアン・カーネル演算装置では、打切項数Kが小さいため、近似関数演算器17において式(13a)の演算を行う際に計算量(反復演算回数)を従来よりも減少させることができる。   In addition, comparing “Ours (T = 2R)” and “Ours (T ≦ 2R)”, the significant period T is optimized to a value smaller than the dynamic range R in the Gaussian kernel arithmetic unit of this embodiment. Thus, it can be seen that the desired approximate accuracy can be obtained with a small number of truncation terms K. This is because the shape of the periodic Gaussian kernel approaches the shape of the cosine function by appropriately reducing the significant period T from R with respect to the spread of the Gaussian kernel defined by the scale parameter σ. This is because the high frequency component is reduced. That is, when the dynamic range R is very large with respect to the scale parameter σ, the shape of the periodic Gaussian kernel is a series of sharp peaks with a constant period. Although necessary, the significant period T is made smaller than the dynamic range R, the interval between the peaks is narrowed, and the shape of the periodic Gaussian kernel is brought close to the shape of a smooth wave with a constant period, so that high frequency components necessary for approximation are required. Can be reduced. Therefore, in the Gaussian kernel arithmetic device of the present embodiment, since the truncation term number K is small, the calculation amount (the number of iterations) is reduced as compared with the conventional case when the approximation function calculator 17 performs the calculation of Expression (13a). be able to.

さらに、図10は、レンジ・スケール・パラメータσが小さくなるほど、より大きなスペクトル成分の数N(すなわちK)が必要とされることが分かる。これは、σが小さくなるほど、圧縮性の側面からみて、冗長性の小さい模糊点群β(p,t),β(p,t)が生成されることによる。さらに詳しくこの振る舞いを観察するため、図11にσとτとの関係を示す。ガウシアン・レンジ・カーネルの近似効果はσ/Rとτのみに依存するため、図11の等高線マップから空間フィルタの数M=4K+1が分かる。 Furthermore, FIG. 10 shows that the smaller the range scale parameter σ r , the greater the number N (ie, K) of spectral components required. This is because, as σ r becomes smaller, the glue point groups β (p, t) and β 0 (p, t) with smaller redundancy are generated from the viewpoint of compressibility. In order to observe this behavior in more detail, FIG. 11 shows the relationship between σr and τ. Since the approximation effect of the Gaussian range kernel depends only on σ r / R and τ, the number of spatial filters M = 4K + 1 is known from the contour map of FIG.

〔1〕演算アルゴリズム
本実施例では、本発明に係るガウシアン・カーネル演算装置をバイラテラル・フィルタへ応用したフィルタ演算装置について説明する。式(1a)より、バイラテラル・フィルタは次のように表される。
[1] Arithmetic Algorithm In this embodiment, a filter arithmetic device in which the Gaussian kernel arithmetic device according to the present invention is applied to a bilateral filter will be described. From equation (1a), the bilateral filter is expressed as follows.

ここで、x(p)は入力画像,z(p)は出力画像、β(p),β(p)はそれぞれ分子画像,分母画像である。 Here, x (p) is an input image, z (p) is an output image, and β (p) and β 0 (p) are a numerator image and a denominator image, respectively.

式(33b),(33c)に、本発明に係る周期的ガウシアン・カーネル(式(13a))を代入して整理すると、分子画像β(p),分母画像β(p)は、それぞれ次のように近似される。 By substituting the periodic Gaussian kernel (formula (13a)) according to the present invention into the formulas (33b) and (33c), the numerator image β (p) and the denominator image β 0 (p) are respectively It is approximated as follows.

z^(p)を「圧縮バイラテラル・フィルタ(compressive bilateral filter:CBLF)」、β^(p)を「近似分子画像」、β^(p)を「近似分母画像」と呼ぶ。 z ^ (p) is referred to as a “compressive bilateral filter (CBLF)”, β ^ (p) is referred to as an “approximate numerator image”, and β ^ 0 (p) is referred to as an “approximate denominator image”.

近似分子画像β^(p),近似分母画像β^(p)において、qについての和({・}で括られた部分)は、それぞれ、関数cos(πkx(p)/L)x(p),sin(πkx(p)/L)x(p),cos(πkx(p)/L),sin(πkx(p)/L)をガウシアン・フィルタ処理した値となっている。そこで、ガウシアン・フィルタ関数GF(σ,p,{f})(σはスケール・ファクタ,pは画素位置ベクトル、{f}はスカラー関数fの関数値の集合)とおくと、近似分子画像β^(p),近似分母画像β^(p)は次のように表すことができる。 In the approximate numerator image β ^ (p) and the approximate denominator image β ^ 0 (p), the sum of q (portion enclosed by {•}) is the function cos (πkx (p) / L) x ( p), sin (πkx (p) / L) x (p), cos (πkx (p) / L), and sin (πkx (p) / L) are Gaussian filter processed values. Therefore, when the Gaussian filter function GF (σ, p, {f}) (σ is a scale factor, p is a pixel position vector, and {f} is a set of function values of the scalar function f), an approximate molecular image β ^ (P), the approximate denominator image β ^ 0 (p) can be expressed as follows.

ガウシアン・フィルタ関数GF(σ,p,{f})の計算については、既に多くのO(1)ガウシアン・フィルタ・アルゴリズムが知られているので(例えば、非特許文献18−23参照)、それを使用すればよい。以上の結果、本発明に係るガウシアン・カーネル演算手法を使用したバイラテラル・フィルタ演算アルゴリズムは次のようになる。   Regarding the calculation of the Gaussian filter function GF (σ, p, {f}), since many O (1) Gaussian filter algorithms are already known (see, for example, Non-Patent Documents 18-23), Can be used. As a result, the bilateral filter operation algorithm using the Gaussian kernel operation method according to the present invention is as follows.

ここで、cos(・),sin(・)は要素単位のベクトル演算として定義している。また、   Here, cos (•) and sin (•) are defined as vector operations in element units. Also,

は要素単位の和算,積算,除算を表す。函数 Calc_Significant_Period(・)は、適切な解法により式(22)を解くことを表す。具体的には、実施例1の図9の処理を使用することができる。函数GF(・)は、空間ガウシアン・フィルタのO(1)アルゴリズムを表す。ここでは、非特許文献18,19に記載の効率的O(1)アルゴリズムを用いる。このアルゴリズムは、従来のO(1)ガウシアン・フィルタとして広く知られている再帰的ガウシアン・フィルタ(非特許文献20−23)に比べておよそ2倍程度速く動作し、広レンジのσにわたり安定して動作する。本実施例のCBLFの計算コストは、主に、これら(4K+1)個の空間ガウシアン・フィルタの数((2K+1)個のβ(p,t)と2K個のβ(p,t))に依存する。 Represents elemental summation, integration, and division. The function Calc_Significant_Period (·) represents solving Equation (22) by an appropriate solution. Specifically, the process of FIG. 9 of the first embodiment can be used. The function GF (•) represents the O (1) algorithm of the spatial Gaussian filter. Here, the efficient O (1) algorithm described in Non-Patent Documents 18 and 19 is used. This algorithm operates approximately twice as fast as a recursive Gaussian filter (Non-Patent Documents 20-23) widely known as a conventional O (1) Gaussian filter, and is stable over a wide range of σ s. Works. The calculation cost of the CBLF in this embodiment is mainly the number of (4K + 1) spatial Gaussian filters ((2K + 1) β (p, t) and 2K β 0 (p, t)). Dependent.

〔2〕装置構成と動作
本実施例に於いて、フィルタ演算装置のハードウェアの全体構成は図6と同様であるものとし、本実施例に係るフィルタ演算装置は、提供されるフィルタ演算プログラムを、入力装置2からコンピュータ1に読み込ませて実行することにより実現されるものとする。
[2] Device Configuration and Operation In this embodiment, the overall hardware configuration of the filter operation device is the same as that shown in FIG. 6, and the filter operation device according to this embodiment uses a provided filter operation program. It is assumed that it is realized by being read from the input device 2 to the computer 1 and executed.

尚、以下の説明では、簡単のため、特に断らない限り、上述の近似分子画像β^(p),近似分母画像β^(p)を、省略して、それぞれ単に分子画像β(p),分母画像β(p)と呼ぶ。 In the following description, for the sake of simplicity, unless otherwise specified, the approximate molecular image β ^ (p) and the approximate denominator image β ^ 0 (p) are omitted, and the molecular image β (p) is simply omitted. , Denominator image β 0 (p).

図12は、実施例2に係るフィルタ演算装置の機能構成を表すブロック図である。図12において、実施例1の図7と同様の部分については、同符号を付している。尚、本実施例に係るフィルタ演算装置は、マイコンなどを用いて組み込みボードとしてハードウェア的に構成してもよいが、提供されるフィルタ演算プログラムを、入力装置2からコンピュータ1に読み込ませて実行することにより実現するように構成してもよい。 FIG. 12 is a block diagram illustrating a functional configuration of the filter arithmetic apparatus according to the second embodiment. In FIG. 12, the same parts as those in FIG. 7 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The filter operation device according to the present embodiment may be configured as a hardware as an embedded board using a microcomputer or the like, but the provided filter operation program is read from the input device 2 to the computer 1 and executed. This may be realized by doing so.

本実施例2のフィルタ演算装置20は、実施例1で説明した、演算パラメータメモリ11、近似パラメータ最適化手段12、有意係数演算器15、有意係数メモリ16、近似函数演算器17に加えて、入力画像メモリ21、出力画像メモリ22、項数カウンタ23を備えている。近似パラメータ最適化手段12、有意係数演算器15、有意係数メモリ16については、実施例1と同様なので説明は省略する。   In addition to the calculation parameter memory 11, the approximate parameter optimization unit 12, the significant coefficient calculator 15, the significant coefficient memory 16, and the approximate function calculator 17 described in the first embodiment, the filter calculation device 20 according to the second embodiment includes: An input image memory 21, an output image memory 22, and a term counter 23 are provided. The approximate parameter optimizing means 12, the significant coefficient calculator 15, and the significant coefficient memory 16 are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

演算パラメータメモリ11は、入力装置2から予め入力されるガウシアン・カーネルの演算パラメータσ,σ,τ,Rを記憶する。ここで、σ,σは空間次元及びレンジ次元のスケール・パラメータ(標準偏差)、τは許容近似誤差、Rは画素値の採り得る最大値(レンジ上限値)である。 The operation parameter memory 11 stores operation parameters σ r , σ s , τ, R of Gaussian kernels input in advance from the input device 2. Here, σ r and σ s are spatial and range dimension scale parameters (standard deviation), τ is an allowable approximation error, and R is a maximum value (range upper limit value) that a pixel value can take.

入力画像メモリ21は、入力装置2から入力される入力画像x=(xij)を記憶する。尚、入力画像xはサイズN×M画素の画像データであり、xijは位置(i,j)の画素の画素値を表す。各画素の画素値は0〜Rまでの値を採る。 The input image memory 21 stores an input image x = (x ij ) input from the input device 2. The input image x is image data having a size of N × M pixels, and x ij represents the pixel value of the pixel at the position (i, j). The pixel value of each pixel takes a value from 0 to R.

出力画像メモリ22は、入力画像xに対してバイラテラル演算処理を行って得られる出力画像z=(zij)を記憶する。 The output image memory 22 stores an output image z = (z ij ) obtained by performing bilateral arithmetic processing on the input image x.

項数カウンタ23は、近似演算を行うフーリエ級数の項番号kをカウントする。実施例1と同様、近似パラメータ最適化手段12により、最適な打切項数Kτが演算され出力されるので、項数カウンタ23は、項番号kを0からKτまでカウントする。 The term number counter 23 counts the Fourier series term number k for which approximate calculation is performed. As in the first embodiment, the approximate parameter optimization unit 12 calculates and outputs the optimum number of truncation terms K τ, so the term number counter 23 counts the term number k from 0 to K τ .

近似函数演算器17は、近似パラメータ最適化手段12により算出される(Kτ,Tτ)、及び有意係数演算器15により算出される有意係数a(k=0,1,…,Kτ)を用いて、バイラテラル・フィルタ函数の演算を実行する。ここでは、前述したように、式(31a),(31b)の分子画像β(x),分母画像β(x)を個別に計算して、最後に式(30c)により出力画像zを算出する。 The approximate function calculator 17 is calculated by the approximate parameter optimization means 12 (K τ , T τ ), and the significant coefficient a k (k = 0, 1,..., K τ ) calculated by the significant coefficient calculator 15. ) To perform bilateral filter function operations. Here, as described above, the numerator image β (x) and the denominator image β 0 (x) of equations (31a) and (31b) are calculated separately, and finally the output image z is calculated by equation (30c). To do.

近似函数演算器17は、基底函数演算器25、基底函数テーブル26、分母画像演算器27、分子画像演算器28、GF演算器29、分母画像メモリ30、加算器30a、分子画像メモリ31、加算器31a、画像除算器32を備えている。   The approximate function calculator 17 includes a basis function calculator 25, a basis function table 26, a denominator image calculator 27, a numerator image calculator 28, a GF calculator 29, a denominator image memory 30, an adder 30a, a numerator image memory 31, and an addition. A device 31a and an image divider 32 are provided.

基底函数演算器25は、項数カウンタ23が出力する項番号kにおいて入力画像xの各画素p(i,j)について、式(34a),(34b)に示したフーリエ展開式の基底函数   The basis function calculator 25 calculates the basis function of the Fourier expansion equation shown in equations (34a) and (34b) for each pixel p (i, j) of the input image x at the term number k output from the term counter 23.

の演算を行う。 Perform the operation.

基底函数テーブル26は、基底函数演算器25が算出する各基底函数の値を、ルックアップ・テーブル(LUT)として記憶する。   The basis function table 26 stores the value of each basis function calculated by the basis function calculator 25 as a lookup table (LUT).

分母画像演算器27は、式(35b)により、各画素pに対して分母画像βの第k項の画素値β(k) (p)=β(k) 0ijの演算を行う。分子画像演算器28は、式(35a)により、各画素pに対して分子画像βの第k項の画素値β(k)(p)=β(k) ijの演算を行う。GF演算器29は、式(34a)(34b)に示したガウシアン・コンボリューション演算GF(・)を行う。 The denominator image calculator 27 calculates the pixel value β (k) 0 (p) = β (k) 0ij of the k-th term of the denominator image β 0 with respect to each pixel p by Expression (35b). The molecular image calculator 28 calculates the pixel value β (k) (p) = β (k) ij of the k-th term of the molecular image β for each pixel p according to the equation (35a). The GF calculator 29 performs the Gaussian convolution calculation GF (•) shown in the equations (34a) and (34b).

分母画像メモリ30は、分母画像演算器27が出力する分母画像βを記憶する。分子画像メモリ31は、分子画像演算器28が出力する分子画像βを記憶する。加算器30a,31aは、それぞれ、分母画像β,分子画像βの各画素の画素値β0ij,βijを分母画像メモリ30,画像メモリ31から読み出し、分母画像演算器27,分子画像演算器28が出力する第k項の値β(k) 0ij,β(k) ijを加えて分母画像メモリ30,画像メモリ31の画素値β0ij,βijを更新する。 The denominator image memory 30 stores the denominator image β 0 output from the denominator image calculator 27. The molecular image memory 31 stores the molecular image β output from the molecular image calculator 28. The adders 30a and 31a read the pixel values β 0ij and β ij of the respective pixels of the denominator image β 0 and the numerator image β from the denominator image memory 30 and the image memory 31, respectively, and the denominator image calculator 27 and the numerator image calculator. The pixel values β 0ij and β ij of the denominator image memory 30 and the image memory 31 are updated by adding the values β (k) 0ij and β (k) ij of the k-th term output by the No. 28.

画像除算器32は、分母画像演算器27,分子画像演算器28による式(34b)(34c)の演算が完了した後、式(33a)により出力画像zを算出し、出力画像メモリ22へ保存する。出力画像メモリ22へ保存された出力画像zは、出力装置3へ出力される。   The image divider 32 calculates the output image z by the equation (33a) after the calculations of the equations (34b) and (34c) by the denominator image calculator 27 and the numerator image calculator 28 are completed, and saves them in the output image memory 22. To do. The output image z stored in the output image memory 22 is output to the output device 3.

以上のように構成された本実施例に係るフィルタ演算装置20について、以下その動作を説明する。図13は、実施例2のフィルタ演算装置20における、バイラテラル演算処理の流れを表すPADである。実施例1と同様、最初に式(18)の近似誤差E^が許容誤差τとなり且つKが最小となるように(Kτ,Tτ)を設定し、その後、有意係数(フーリエ係数)aの演算及びフィルタ函数の演算を行う。 The operation of the filter arithmetic device 20 according to the present embodiment configured as described above will be described below. FIG. 13 is a PAD showing the flow of bilateral calculation processing in the filter calculation device 20 of the second embodiment. As in the first embodiment, first, (K τ , T τ ) is set so that the approximate error E ^ in the equation (18) becomes the allowable error τ and K is minimized, and then the significant coefficient (Fourier coefficient) a Calculate k and filter function.

(ステップS401)
まず、打切項数演算器13は、演算パラメータメモリ11に設定された各パラメータ(R,σ,τ)を読み出し、式(20)により、許容誤差τに対する最適な打切項数Kτを算出し、KTレジスタ14aへ保存する。
(Step S401)
First, the truncation term number calculator 13 reads each parameter (R, σ, τ) set in the computation parameter memory 11, and calculates the optimum number of truncation terms K τ for the allowable error τ by Expression (20). To the KT register 14a.

(ステップS402)
次に、有意周期最適化器14は、演算パラメータメモリ11に設定された各パラメータ(R,σ,τ)を読み出し、式(19a)の閉区間において、Tの方程式(22)を解くことにより、許容誤差τに対する最適な有意周期Tτを算出し、KTレジスタ14aへ保存する。この(K,T)最適値探索処理の詳細については、実施例1で説明した通りである。
(Step S402)
Next, the significant cycle optimizer 14 reads each parameter (R, σ, τ) set in the calculation parameter memory 11 and solves the equation (22) of T in the closed interval of the equation (19a). calculates the optimal significant period T tau for tolerance tau, saving to KT register 14a. The details of the (K, T) optimum value search process are as described in the first embodiment.

(ステップS403)
次に、項数カウンタ23は現在の項番号kを0に設定し、有意係数演算器15は、0番目のフーリエ係数a(=1/2Tτ)を算出し、有意係数メモリ16へ保存する。
(Step S403)
Next, the term counter 23 sets the current term number k to 0, and the significant coefficient calculator 15 calculates the zeroth Fourier coefficient a 0 (= 1 / 2T τ ) and stores it in the significant coefficient memory 16. To do.

(ステップS404)
次に、分母画像β,分子画像βのk=0番目の項(DC項)の演算を行う。分母画像演算器27は、分母画像βのすべての画素値β0ijをaに設定し、分母画像メモリ30へ保存する。また、分子画像演算器28は、分子画像βの各画素(i,j)に対する画素値βijを、a0GF(σs, (i,j), {xkl})により算出し、分子画像メモリ31へ保存する。ここで、ガウシアン・コンボリューション演算
(Step S404)
Next, the k = 0th term (DC term) of the denominator image β 0 and the numerator image β is calculated. The denominator image calculator 27 sets all pixel values β 0ij of the denominator image β 0 to a 0 and stores them in the denominator image memory 30. The molecular image calculator 28 calculates a pixel value β ij for each pixel (i, j) of the molecular image β by a 0 GF (σ s , (i, j), {x kl }) Save to the image memory 31. Where Gaussian convolution operation

は、GF演算器29により実行される。 Is executed by the GF calculator 29.

(ステップS405)
次に、項数カウンタ23が項番号kを1ずつインクリメントしながら、分母画像β,分子画像βのk(>0)番目の項(AC項)の演算を、以下のステップS406〜S411を順次繰り返すことにより実行する。
(Step S405)
Next, while the term number counter 23 increments the term number k by 1, the calculation of the k (> 0) -th term (AC term) of the denominator image β 0 and the numerator image β is performed by the following steps S406 to S411. Execute by repeating sequentially.

(ステップS406)
まず、有意係数演算器15が、KTレジスタ14aのTτ及び演算パラメータメモリ11のスケール・パラメータσを用いて、k番目のフーリエ係数aを式(15)により算出し、有意係数メモリ16へ保存する。
(Step S406)
First, the significant coefficient calculator 15 calculates the k-th Fourier coefficient a k by the equation (15) using T τ of the KT register 14a and the scale parameter σ r of the calculation parameter memory 11, and the significant coefficient memory 16 Save to

(ステップS407)
次に、基底函数演算器25は、KTレジスタ14aのTτ及び入力画像メモリ21の画素値(xij)を用いて、各画素(i,j)に対する項番号kの基底函数cos(kπxij/Tτ),sin(kπxij/Tτ)の値を算出し、基底函数テーブル26へ保存する。
(Step S407)
Next, the base function calculator 25 uses the pixel values of T tau and the input image memory 21 of the KT register 14a the (x ij), each pixel (i, j) base function cos term number k for (kπx ij The value of / T τ ), sin (kπx ij / T τ ) is calculated and stored in the basis function table 26.

(ステップS408−S409)
次に、分母画像の第k項の演算を行う。まず、分母画像演算器27は、各画素(i,j)について、演算パラメータメモリ11のスケール・パラメータσと基底函数テーブル26のコサイン基底cij及びサイン基底sijを用いて、コンボリューションΩcij=GF(σ, (i,j), {ckl}),Ωsij=GF(σ, (i,j), {skl})の演算を行う(S408)。ここで、ガウシアン・コンボリューション演算
(Steps S408-S409)
Next, the k-th term of the denominator image is calculated. First, for each pixel (i, j), the denominator image calculator 27 uses the scale parameter σ s of the calculation parameter memory 11 and the cosine basis c ij and sine basis s ij of the basis function table 26 to convolution Ω. Cij = GF (σ s , (i, j), {c kl }) and Ω sij = GF (σ s , (i, j), {s kl }) are calculated (S408). Where Gaussian convolution operation

は、GF演算器29により実行される。次いで、分母画像演算器27は、有意係数メモリ16のフーリエ係数aを用いて、分母画像の第k項の値a(cijΩcij+sijΩsij)を算出し、加算器30aはこれを分母画像メモリ30の画素値β0ijに加算し、分母画像メモリ30の画素値β0ijを更新する。これを、全画素について実行する。 Is executed by the GF calculator 29. Next, the denominator image calculator 27 calculates the value a k (c ij Ω cij + s ij Ω sij ) of the denominator image using the Fourier coefficient a k of the significant coefficient memory 16, and the adder 30a This is added to the pixel value β 0ij in the denominator image memory 30 to update the pixel value β 0ij in the denominator image memory 30. This is executed for all pixels.

(ステップS410−S411)
次に、分子画像の第k項の演算を行う。まず、分子画像演算器28は、各画素(i,j)について、演算パラメータメモリ11のスケール・パラメータσと基底函数テーブル26のコサイン基底cij及びサイン基底sijを用いて、コンボリューションΩcij=GF(σ, (i,j), {cklxkl}),Ωsij=GF(σ, (i,j), {sklxkl})の演算を行う(S410)。ここで、ガウシアン・コンボリューション演算
(Steps S410-S411)
Next, the k-th term of the molecular image is calculated. First, for each pixel (i, j), the molecular image calculator 28 uses the scale parameter σ s of the calculation parameter memory 11 and the cosine basis c ij and sine basis s ij of the basis function table 26 to convolution Ω. cij = GF performed (σ s, (i, j ), {c kl x kl}), Ω sij = GF calculation of (σ s, (i, j ), {s kl x kl}) (S410). Where Gaussian convolution operation

は、GF演算器29により実行される。次いで、分子画像演算器28は、有意係数メモリ16のフーリエ係数aを用いて、分子画像の第k項の値a(cijΩcij+sijΩsij)を算出し、加算器31aはこれを分子画像メモリ31の画素値βijに加算し、分子画像メモリ31の画素値βijを更新する。これを、全画素について実行する。 Is executed by the GF calculator 29. Next, the molecular image calculator 28 uses the Fourier coefficient a k of the significant coefficient memory 16 to calculate the value a k (c ij Ω cij + s ij Ω sij ) of the molecular image, and the adder 31a This is added to the pixel value β ij of the molecular image memory 31 to update the pixel value β ij of the molecular image memory 31. This is executed for all pixels.

(ステップS407)
以上のステップS405〜S411の処理が終了した後、画像除算器32は、各画素(i,j)について、分子画像メモリ31の画素値βijを分母画像メモリ30の画素値β0ijで除算して出力画像zの画素値zijを算出し、出力画像メモリ22へ保存する。全画素について出力画像zの画素値が算出されると、出力画像zは出力装置3へ出力され、バイラテラル演算処理を終了する。
(Step S407)
After the processing of steps S405~S411 is completed, the image divider 32, for each pixel (i, j), the pixel value beta ij molecules image memory 31 by dividing the pixel value beta 0Ij denominator image memory 30 The pixel value z ij of the output image z is calculated and stored in the output image memory 22. When the pixel values of the output image z are calculated for all the pixels, the output image z is output to the output device 3, and the bilateral calculation process is terminated.

以上の動作により、入力画像xに対するバイラテラル演算処理がされた出力画像zを得ることができる。次に、GF演算器29によるガウシアン・コンボリューション演算GF(σ,p,{f})について補足説明する。ガウシアン・コンボリューション演算については、ここではすでに公知のアルゴリズムを使用して行うが、本実施例では、一例として非特許文献18,19に記載のものを参考にして構成した例を示す。   With the above operation, an output image z obtained by performing bilateral arithmetic processing on the input image x can be obtained. Next, the Gaussian convolution calculation GF (σ, p, {f}) by the GF calculator 29 will be supplementarily described. The Gaussian convolution calculation is performed using a known algorithm here, but in this embodiment, an example configured with reference to those described in Non-Patent Documents 18 and 19 is shown as an example.

〔2.1〕GF演算器
GF演算器29は、画素当たり定数時間アルゴリズムを用いてガウシアン・コンボリューション演算(ガウシアン・フィルタ演算)を行う。実際のガウシアン・コンボリューション演算では、離散値によって行われるため、以下ではpの連続関数f(p)の離散値をfpのように表記し、式(1b)のガウシアン・カーネルg(σ,p)の離散値をgpと表記する(特に必要のない限りσは省略,pはスカラーx又はベクトル(x,y))。また、位置pにおけるガウシアン・コンボリューション演算GF(σ, p, {f(q)})はGF[fp]のように略記する。GF演算器29は2次元のガウシアン・フィルタ演算を行うが、ガウシアン・カーネルg(σ,q)は2次元座標(x,y)に対して変数分離できるので、ガウシアン・フィルタ演算はx方向とy方向に独立して実行することができる。すなわち、
[2.1] GF Operation Unit The GF operation unit 29 performs Gaussian convolution calculation (Gaussian filter calculation) using a constant time algorithm per pixel. Since the actual Gaussian convolution operation is performed using discrete values, the discrete value of the continuous function f (p) of p is expressed as f p below, and the Gaussian kernel g (σ, The discrete value of p) is expressed as g p (σ is omitted unless otherwise required, and p is a scalar x or a vector (x, y)). Also, the Gaussian convolution operation GF (σ, p, {f (q)}) at the position p is abbreviated as GF [f p ]. The GF calculator 29 performs a two-dimensional Gaussian filter operation. Since the Gaussian kernel g (σ, q) can be separated into variables with respect to the two-dimensional coordinates (x, y), the Gaussian filter operation is performed in the x direction. It can be performed independently in the y direction. That is,

ここで、GFx[・],GFy[・]は、それぞれx座標,y座標に対するガウシアン・フィルタ演算を表し、Wはガウシアン・フィルタ演算を行う窓領域のサイズを表す。通常、窓サイズWはgが有意な範囲(例えば、有意水準を99.73%とすればW=3σ)に設定される。 Here, GF x [•] and GF y [•] represent Gaussian filter operations for the x-coordinate and y-coordinate, respectively, and W represents the size of the window region where the Gaussian filter operation is performed. Usually, the window size W is set in a range where g x is significant (for example, W = 3σ when the significance level is 99.73%).

そこで、1次元のガウシアン・フィルタ演算について、1画素当たりの定数時間化を考えれば十分である。まず、ガウシアン・カーネルgをDCT-5により展開すると次のようになる。 Therefore, it is sufficient to consider constant time per pixel for one-dimensional Gaussian filter calculation. First, when Gaussian kernel g x is expanded by DCT-5, it becomes as follows.

ここで、Gはgのk番目のDCT係数、Kは打切項数である。KはDCT係数Gが有意な範囲、例えば、有意水準を99.73%とすればK=3/(φσ)に設定すればよい。従って、函数fと上記ガウシアン・カーネルgのコンボリューションは、次のように表される。 Here, G k is the k-th DCT coefficients of g x, K 1 is the discontinuation number of terms. K 1 may be set to K 1 = 3 / (φσ) if the DCT coefficient G k is in a significant range, for example, if the significance level is 99.73%. Thus, convolution of a function f x and the Gaussian kernel g x is expressed as follows.

ここで、F (x)は位置xにおける入力系列fのk番目の短時間DCT係数、C (u)はコサイン・カーネルである。短時間DCT係数F (x)については、次の初期値と漸化式によって表すことができ、この漸化式を用いて計算することにより、1画素当たりの式(35)の計算量はO(1)となる。 Here, F k (x) is the k-th short DCT coefficients of the input sequence f x at position x, C k (u) is a cosine kernel. The short-time DCT coefficient F k (x) can be expressed by the following initial value and recurrence formula, and by calculating using this recurrence formula, the calculation amount of formula (35) per pixel is O (1).

特に、k=0の場合は、漸化式は次のように簡単になる。   In particular, when k = 0, the recurrence formula is simplified as follows.

実際の計算に於いては、式(36b)において、C (1),C (R)における丸めの誤差が伝搬する。そこで、この誤差伝搬を抑圧するため、式(35a)の右辺において、最大の重み係数Gを括り出す。 In the actual calculation, rounding errors in C k (1) and C k (R) propagate in the equation (36b). In order to suppress this error propagation, at the right side of equation (35a), out factoring the maximum weighting factor G 0.

このとき、Z (x)についての漸化式は次のようになる。 At this time, the recurrence formula for Z k (x) is as follows.

以上より、1次元ガウシアン・フィルタ演算は次のようなアルゴリズムにより実行できる。
(1)最初に、G,{γ (u)|k=0,…,K;u=−W,…,W},{2C (1)|k=0,…,K}を予め計算し、ルックアップ・テーブル(LUT)として準備する。
(2)そしてまず、式(36a),(37b)により、初期値としてF (0),Z (0),Z (1)(k=1,…,K)を計算し、式(37a)により、まず(f*g)を計算する。
(3)次に、漸化式(36b)によりF (x)を更新する。
(4)次に、式(37a)により(f*g)を計算し、漸化式(36b)によりF (x)を更新し、漸化式(38)によりZ (x−1),Z (x)(k=0,…,K)を更新するという演算を、x=1からN−1(Nは入力シーケンス(f,f,…,fN−1)の数)まで繰り返し実行し、すべてのxについての(f*g)を求める。
As described above, the one-dimensional Gaussian filter operation can be executed by the following algorithm.
(1) First, G 0 , {γ k C k (u) | k = 0,..., K 1 ; u = −W,..., W}, {2C k (1) | k = 0,. K 1 } is calculated in advance and prepared as a lookup table (LUT).
(2) First, F 0 (0) , Z k (0) , Z k (1) (k = 1,..., K 1 ) are calculated as initial values according to the equations (36a) and (37b), First, (f * g) 0 is calculated by the equation (37a).
(3) Next, F 0 (x) is updated by the recurrence formula (36b).
(4) Next, (f * g) x is calculated by the equation (37a), F 0 (x) is updated by the recurrence equation (36b), and Z k (x−1 ) is calculated by the recurrence equation (38). ) , Z k (x) (k = 0,..., K 1 ) is updated from x = 1 to N−1 (N is an input sequence (f 0 , f 1 ,..., F N−1 )). (F * g) x for all x.

尚、x<0及びx≧Nにおけるfは、例えば、次のような補外規則によって補充すればよい。 Incidentally, f x in x <0 and x ≧ N, for example, may be supplemented by the following extrapolation rule.

以上から、GF演算器29による2次元離散ガウシアン・フィルタ演算GF[fxy]は、図14のPADに示した処理により実行することができる。 From the above, the two-dimensional discrete Gaussian filter calculation GF [f xy ] by the GF calculator 29 can be executed by the process shown in the PAD of FIG.

(1)全体の処理(2次元離散ガウシアン・フィルタ処理)の流れ(図14(a))
まず、GF演算器29は、2次元座標(x,y)の函数である入力函数{fxy}(N×M行列として与えられる。)に対し、全座標位置(N×M点)において、y座標に対する1次元ガウシアン・フィルタ処理を実行し、フィルタ処理後の函数を{f(y) xy}とする(S501)。函数{f(y) xy}はN×M行列である。次に、GF演算器29は、函数{f(y) xy}に対し、全座標位置(N×M点)において、y座標に対する1次元ガウシアン・フィルタ処理を実行し(S502)、フィルタ処理後の函数{f(xy) xy}(N×M行列)を、2次元離散ガウシアン・フィルタ処理後の函数として出力する(S503)。ここで、ステップS501,S502におけるx座標,y座標に対する1次元ガウシアン・フィルタ処理は、図14(b)に示すように行われる。
(1) Flow of overall processing (two-dimensional discrete Gaussian filter processing) (FIG. 14A)
First, the GF computing unit 29 performs an input function {f xy } (given as an N × M matrix) that is a function of two-dimensional coordinates (x, y) at all coordinate positions (N × M points). A one-dimensional Gaussian filter process is executed for the y coordinate, and the function after the filter process is set to {f (y) xy } (S501). The function {f (y) xy } is an N × M matrix. Next, the GF computing unit 29 executes a one-dimensional Gaussian filter process on the y coordinate at all coordinate positions (N × M points) for the function {f (y) xy } (S502). The function {f (xy) xy } (N × M matrix) is output as a function after the two-dimensional discrete Gaussian filter processing (S503). Here, the one-dimensional Gaussian filter processing for the x-coordinate and y-coordinate in steps S501 and S502 is performed as shown in FIG.

(2)1次元離散ガウシアン・フィルタ処理の流れ(図14(b))
図14(b)は、ステップS501,S502におけるGF[・],GF[・]の処理の詳細である(代表としてGFを示す)。入力函数{fx}は、座標xの函数(x=0,1,…,N−1)である。また、図14(b)において、{ }で記された値については、GF演算器29により予め計算され、内部メモリにLUTとして格納されているものとする。
(2) Flow of one-dimensional discrete Gaussian filter processing (FIG. 14B)
FIG. 14B shows details of the processing of GF y [•], GF x [•] in steps S501 and S502 (GF x is shown as a representative). The input function {f x } is a function of the coordinate x (x = 0, 1,..., N−1). Also, in FIG. 14B, the value indicated by {} is calculated in advance by the GF calculator 29 and stored as an LUT in the internal memory.

(ステップS601) まず、GF演算器29は、漸化式(44b)の初期値F (0)を式(44a)により演算し、その結果を変数Fに格納する。ここで、C (u)=1である。 (Step S601) First, the GF calculator 29 calculates the initial value F 0 (0) of the recurrence formula (44b ) using the formula (44a), and stores the result in the variable F 0 . Here, C 0 (u) = 1.

(ステップS602−S603) 次に、GF演算器29は、漸化式(47)の初期値Z (0),Z (1)(k=1,…,K)を式(46b),(44a)により演算し、その結果をそれぞれ変数Z ,Zに格納する。 (Steps S602 to S603) Next, the GF computing unit 29 converts the initial values Z k (0) , Z k (1) (k = 1,..., K 1 ) of the recurrence formula (47) into the formula (46b). , (44a) and store the results in variables Z k and Z k , respectively.

(ステップS604) 次に、GF演算器29は、現在、変数F及び{Z ;k=1,…,K}に格納された値を用いて、式(46a)により、まずx=0における(f*g)を演算する。 (Step S604) Next, GF calculator 29 is now variable F 0 and {Z k -; k = 1 , ..., K 1} with the value stored in the, by the equation (46a), first x Calculate (f * g) 0 at = 0.

(ステップS605) 次に、GF演算器29は、変数F及び入力函数{fx}を用いて、漸化式(45)によりF (1)を演算し、その結果を変数Fに再格納する。ここで、x<0に対する関数値fは、式(48)の補外規則によって補完される(後に必要となるx≧Nの関数値fの場合も同じ)。 (Step S605) Next, the GF calculator 29 calculates F 0 (1) by the recurrence formula (45) using the variable F 0 and the input function {f x }, and sets the result to the variable F 0 . Store again. Here, x function value f x for <0 are complemented by extrapolation rule of formula (48) (in the case of the function value f x of x ≧ N required after the same).

(ステップS606−S610) 次に、x=1,…,N−1について、以下のステップS606〜S610を、xをインクリメントしながら反復実行することにより、(f*g)を順次演算する。 (Steps S606 to S610) Next, for x = 1,..., N−1, the following steps S606 to S610 are repeatedly executed while incrementing x, thereby sequentially calculating (f * g) x .

まず、GF演算器29は、xの値を設定し(S606)、現在、変数F及び{Z ;k=1,…,K}に格納された値を用いて、式(46a)により、現在のxにおける(f*g)を演算する(S607)。次いで、GF演算器29は、現在の変数F及び入力函数{fx}を用いて、漸化式(45)によりF (x+1)を演算し、その結果を変数Fに再格納するとともに、入力函数{fx}を用いて式(44c)によりΔ(x)を演算する(S608)。最後に、GF演算器29は、各々のk(k=1,…,K)に対して、{Z ;k=1,…,K},{Z;k=1,…,K}に格納された値を用いて、漸化式(47)によりZ (x+1)を演算し、現在Zに格納されているZ (x)をZ に再格納するとともに、新たに算出したZ (x+1)をZに再格納する(S609,S610)。 First, GF calculator 29 sets the value of x (S606), the current, variable F 0 and {Z k -; k = 1 , ..., K 1} with the value stored in the formula (46a ), (F * g) x in the current x is calculated (S607). Next, the GF calculator 29 calculates F 0 (x + 1) by the recurrence formula (45) using the current variable F 0 and the input function {f x }, and stores the result in the variable F 0 again. At the same time, Δ (x) is calculated by the equation (44c) using the input function {f x } (S608). Finally, the GF calculator 29 calculates {Z k ; k = 1,..., K 1 }, {Z k ; k = 1,... For each k (k = 1,..., K 1 ). using the value stored in the K 1}, it calculates the Z k (x + 1) by a recursion formula (47), Z k currently stored in Z k a (x) Z k - stored again in At the same time, the newly calculated Z k (x + 1) is stored again in Z k (S609, S610).

(ステップS611) 以上の処理により算出された{(f*g);x=0,…,N−1}を、1次元離散ガウシアン・フィルタ処理後の函数として出力する。 (Step S611) {(f * g) x ; x = 0,..., N−1} calculated by the above processing is output as a function after the one-dimensional discrete Gaussian filter processing.

〔2.2〕空間カーネルにボックス・フィルタを用いた例
上述の実施例では、空間カーネルの演算器としてガウシアン・フィルタ(GF)演算器を使用した例を示したが、本発明に於いては、GF演算器に代えて、ボックス・フィルタ演算器(BF演算器)を使用することもできる。
[2.2] Example Using Box Filter for Spatial Kernel In the above embodiment, a Gaussian filter (GF) calculator is used as the calculator for the spatial kernel. However, in the present invention, Instead of the GF calculator, a box filter calculator (BF calculator) can be used.

ボックス空間カーネル(Box spatial kernel)は次のように定義することができる。   A box spatial kernel can be defined as follows.

ここで、「‖・‖」はl−ノルムを表し、ベクトルqの要素のうち最大のものの値をとる。 Here, “‖ · ‖ ” represents l −norm, and takes the value of the largest of the elements of the vector q.

上記のボックス空間カーネルを用いて、BF演算器は、空間領域の任意の関数f(p)とボックス空間カーネルとのコンボリューションとして、次のように定義される。   Using the above box space kernel, the BF calculator is defined as a convolution of an arbitrary function f (p) in the space domain and the box space kernel as follows.

BF演算器を用いる場合、式(35a),(35b)におけるGF(・)をBF(・)に置換すればよい。   When a BF calculator is used, GF (•) in formulas (35a) and (35b) may be replaced with BF (•).

〔2.3〕実験例
(1)フィルタリングにおける基本的性能
最後に、本実施例2に係るフィルタ演算装置20のフィルタリングにおける基本的性能について、従来のバイラテラル・フィルタ演算アルゴリズムと比較して説明する。
[2.3] Experimental Example (1) Basic Performance in Filtering Finally, the basic performance in filtering of the filter arithmetic device 20 according to the second embodiment will be described in comparison with a conventional bilateral filter arithmetic algorithm. .

本実験では、2次元フィルタリングにおいて、近似精度と実行時間の間の性能のトレードオフを評価した。実験では、サイズが768×512画素または512×768画素の24RGB画像を含むコダックフォトCDを使用し、24画像について平均近似精度と平均実行時間とを測定した。実行時間には、メモリ割り当て時間と演算時間が含まれる。対象アルゴリズムの近似精度は、原画像と、原画像から対象アルゴリズム及び本来のBLFにより生成された平滑化画像との間の、ピーク信号対雑音比(PSNR)[dB]によって定量化した。また、±4σs又は±4σrをサポートするガウシアン空間カーネル又はガウシアン・レンジ・カーネルは、本来のBLFにおいて正確な確度を実現するものと仮定する。一般に、約50dBであれば、十分な近似精度が実現できたものと評価される。 In this experiment, the performance trade-off between approximation accuracy and execution time was evaluated in two-dimensional filtering. In the experiment, a Kodak Photo CD including a 24RGB image having a size of 768 × 512 pixels or 512 × 768 pixels was used, and average approximation accuracy and average execution time were measured for 24 images. The execution time includes memory allocation time and calculation time. The approximation accuracy of the target algorithm was quantified by the peak signal-to-noise ratio (PSNR) [dB] between the original image and the smoothed image generated from the original image by the target algorithm and the original BLF. It is also assumed that a Gaussian space kernel or Gaussian range kernel that supports ± 4σ s or ± 4σ r achieves accurate accuracy in the original BLF. In general, it is evaluated that a sufficient approximation accuracy can be realized at about 50 dB.

最初に、ガウシアン空間/レンジ・カーネルを使用したChaudhury近似アルゴリズムに対するCBLFの優位性について確認する。図15は、非特許文献2のChaudhury近似アルゴリズム(ε=0.8)及びCBLF(τ=0.1)における近似精度[dB]と計算時間を比較した図である。図15(a)は、空間スケール・パラメータσが2及び6の場合における、レンジ・スケール・パラメータσに対する近似精度(PSNR)[dB]の関係を表す。図15(b)は、空間スケール・パラメータσが2及び6の場合における、レンジ・スケール・パラメータσに対する1M画素当たりの計算時間[s/Mpixels]の関係を表す。各図に於いて、「Chaudhury'13」がChaudhury近似アルゴリズムの結果を示し、「Ours」が本発明に係るフィルタ演算装置20(CBLF)の結果を示す。また、Chaudhury近似アルゴリズムにおいては、許容誤差εは0.8とし、本発明に係るフィルタ演算装置20(CBLF)においては許容誤差τは0.1とした。実験の結果、本発明に係るフィルタ演算装置20は、Chaudhury近似アルゴリズムを用いた場合と比べ、同等の近似精度(約50dB)において(図8(a))、5〜8倍程度計算速度が速いことが分かる(図8(b))。尚、ここでは、本発明に係るフィルタ演算装置20における空間フィルタの計算に於いては、〔2.1〕で説明した定数時間のGF演算器を使用した。また、これらの結果は、CBLFの実行時間がσに依存しないことを実証している。すなわち、1画素当たりの計算量がO(1)であることを示している。本発明者は、様々なσに対して徹底的な実験を行い、この傾向について確認した。故に、本発明に係るフィルタ演算装置20(CBLF)は、理論と実験において、従来のChaudhury近似アルゴリズムよりかなり優れていることが実証された。 First, we examine the superiority of CBLF over the Chaudhury approximation algorithm using Gaussian space / range kernels. FIG. 15 is a diagram comparing approximation accuracy [dB] and calculation time in the Chaudhury approximation algorithm (ε = 0.8) and CBLF (τ = 0.1) of Non-Patent Document 2. FIG. 15A shows the relationship of the approximation accuracy (PSNR) [dB] with respect to the range scale parameter σ r when the spatial scale parameter σ s is 2 and 6. FIG. 15B shows the relationship of the calculation time [s / Mpixels] per 1M pixel with respect to the range scale parameter σ r when the spatial scale parameter σ s is 2 and 6. In each figure, “Chaudhury '13” indicates the result of the Chaudhury approximation algorithm, and “Ours” indicates the result of the filter arithmetic unit 20 (CBLF) according to the present invention. In the Chaudhury approximation algorithm, the allowable error ε is 0.8, and in the filter arithmetic unit 20 (CBLF) according to the present invention, the allowable error τ is 0.1. As a result of the experiment, the filter operation device 20 according to the present invention has a calculation speed about 5 to 8 times faster than that in the case where the Chaudhury approximation algorithm is used (FIG. 8A) with the same approximation accuracy (about 50 dB). It can be seen (FIG. 8B). Here, in the calculation of the spatial filter in the filter arithmetic unit 20 according to the present invention, the constant time GF arithmetic unit described in [2.1] is used. These results also demonstrate that the CBLF execution time does not depend on σ s . That is, the calculation amount per pixel is O (1). The inventor conducted thorough experiments for various σ s and confirmed this tendency. Therefore, it has been proved that the filter operation device 20 (CBLF) according to the present invention is considerably superior to the conventional Chaudhury approximation algorithm in theory and experiment.

次に、ガウシアン・レンジ・カーネルとボックス空間カーネル(式(49a))を用いた非特許文献14のYang近似アルゴリズムに対する本発明に係るフィルタ演算装置20(CBLF)の優位性について確認する。
非特許文献14によれば、Yang近似アルゴリズムは、多くのケースに於いて、ボックス空間カーネルのサイズBをB=8とすることにより、十分な精度が実現される。
図16は、非特許文献14のYang近似アルゴリズム(B=8)及びCBLFにおける近似精度[dB]と計算時間を比較した図である。図16(a)は、空間スケール・パラメータσが2及び6の場合における、レンジ・スケール・パラメータσに対する近似精度(PSNR)[dB]の関係を表す。図16(b)は、空間スケール・パラメータσが2及び6の場合における、レンジ・スケール・パラメータσに対する1M画素当たりの計算時間[s/Mpixels]の関係を表す。各図に於いて、「Yang+'09(B=8)」及び「Yang+'09(B=4)」が、それぞれB=8,4に対するYang近似アルゴリズムの結果を示し、「Ours」が本発明に係るフィルタ演算装置20(CBLF)の結果を示す。
図16(a)より、Yang近似アルゴリズム(B=8)に匹敵する許容誤差とするためには、本発明に係るフィルタ演算装置20(CBLF)においては、σ=2に対してτ=2、σ=6に対してτ=0.07とすれば適当であることが分かる。図16から明らかなように、CBLFでは、近似精度におけるジグザグな変化と、実行時間の段階的な変化が見られる。これは、有意スペクトル項数Kの変化に起因して生じる現象である。与えられた許容誤差τに対する有意スペクトル項数Kは、図11において、Kの等高線と与えられた許容誤差τの直線(図11における点線)との交点から決まる。なお、空間フィルタの数Mは、Yang近似アルゴリズムではM=2B、CBLFではM=4K+1であることを注意しておく。さらに、図16(a)より、Yang近似アルゴリズムにおいては、広範なσに対し、B=8では十分な近似精度を得ることが可能であるが、B=4では十分な近似精度を得ることができないことが分かる。Yang近似アルゴリズムのような量子化ベースのアルゴリズムでは、不十分な近似精度により、事実上のMの下限が生じる。そして、これにより、σが大きくなるほど冗長性を排除することができなくなる。一方、CBLFでは、およそ0.15≦σrのときMを半分程度とすることができる。故に、CBLFでは、特にσが大きい場合に、Yang近似アルゴリズムよりも性能トレードオフがより優れている(図16(b))。
Next, the superiority of the filter arithmetic unit 20 (CBLF) according to the present invention over the Yang approximation algorithm of Non-Patent Document 14 using the Gaussian range kernel and the box space kernel (formula (49a)) will be confirmed.
According to Non-Patent Document 14, the Yang approximation algorithm can achieve sufficient accuracy by setting the size B of the box space kernel to B = 8 in many cases.
FIG. 16 is a diagram comparing the calculation accuracy with the approximation accuracy [dB] in Yang approximation algorithm (B = 8) and CBLF of Non-Patent Document 14. FIG. 16A shows the relationship of the approximation accuracy (PSNR) [dB] with respect to the range scale parameter σ r when the spatial scale parameter σ s is 2 and 6. FIG. 16B shows the relationship of the calculation time [s / Mpixels] per 1M pixel with respect to the range scale parameter σ r when the spatial scale parameter σ s is 2 and 6. In each figure, "Yang + '09 (B = 8)" and "Yang + '09 (B = 4)" show the results of the Yang approximation algorithm for B = 8, 4, respectively, and "Ours" is the present invention. The result of the filter arithmetic unit 20 (CBLF) concerning is shown.
From FIG. 16A, in order to obtain an allowable error comparable to the Yang approximation algorithm (B = 8), in the filter arithmetic unit 20 (CBLF) according to the present invention, τ = 2 with respect to σ s = 2. It can be seen that it is appropriate to set τ = 0.07 for σ s = 6. As is clear from FIG. 16, in CBLF, a zigzag change in approximation accuracy and a stepwise change in execution time are observed. This is a phenomenon caused by a change in the number K of significant spectral terms. The number K of significant spectral terms for a given allowable error τ is determined from the intersection of a contour line of K and a straight line of the given allowable error τ (dotted line in FIG. 11) in FIG. Note that the number M of spatial filters is M = 2B in the Yang approximation algorithm and M = 4K + 1 in CBLF. Further, as shown in FIG. 16A, in the Yang approximation algorithm, it is possible to obtain sufficient approximation accuracy with B = 8 for a wide range of σ r , but with B = 4, sufficient approximation accuracy can be obtained. I can't understand. In quantization-based algorithms such as the Yang approximation algorithm, the approximate lower bound of M is caused by insufficient approximation accuracy. As a result, redundancy cannot be eliminated as σ r increases. On the other hand, in CBLF, M can be reduced to about half when 0.15 ≦ σ r . Therefore, CBLF has a better performance trade-off than the Yang approximation algorithm, particularly when σ r is large (FIG. 16B).

(2)ノイズの視覚的評価
最後に、オリジナルのBLF、Chaudhury近似アルゴリズム、Yang近似アルゴリズム、およびCBLFの近似誤差を目視により評価した結果について説明する。試験用の画像としては、標準画像Data-BAse3における256×256画素の3つのRGB画像を使用した。
(2) Visual Evaluation of Noise Finally, the result of visual evaluation of the approximation error of the original BLF, Chaudhury approximation algorithm, Yang approximation algorithm, and CBLF will be described. As the test images, three RGB images of 256 × 256 pixels in the standard image Data-BAse3 were used.

図17は、原画像と、オリジナルのBLF、Chaudhury近似アルゴリズム、Yang近似アルゴリズム、及びCBLFの各アルゴリズムによって生成した平滑化画像と、10倍に増幅した誤差画像である。すべてのO(1)BLFアルゴリズムは、オリジナルのBLFに十分近似する平滑化画像を生成しているように見え、人間の視覚では、これらの差違は微小であるように見える。明らかに、Chaudhury近似アルゴリズムとCBLFは、殆ど同じ誤差画像を生成している。これは、双方ともコサイン項展開に基づいた同様のフレームワークによっているためである。一方、Yang近似アルゴリズムは、各セグメントにおいてある程度のオフセット誤差を示しているように見える。これらすべてのO(1)アルゴリズムにおいて、誤差は、主に鋭いエッジ部分に、高周波雑音として発生する。これらのエッジは視覚的に増幅されるため、視覚的に感じられる実誤差としては、十分小さく微細である。   FIG. 17 shows an original image, a smoothed image generated by the original BLF, Chaudhury approximation algorithm, Yang approximation algorithm, and CBLF algorithm, and an error image amplified 10 times. All O (1) BLF algorithms appear to produce a smoothed image that closely approximates the original BLF, and in human vision these differences appear to be small. Obviously, the Chaudhury approximation algorithm and CBLF produce almost the same error image. This is because both are based on a similar framework based on cosine term expansion. On the other hand, the Yang approximation algorithm appears to show some offset error in each segment. In all these O (1) algorithms, errors occur as high frequency noise mainly at sharp edges. Since these edges are visually amplified, the actual error visually felt is sufficiently small and fine.

次に、本発明に係るフィルタ演算装置をコプロセッサやFPGAなどの並列演算回路により構成した実施例について説明する。   Next, an embodiment in which the filter arithmetic device according to the present invention is configured by a parallel arithmetic circuit such as a coprocessor or FPGA will be described.

図18は、実施例3に係るフィルタ演算装置の全体構成を示すブロック図である。図18(a)は全体図、図18(b)は、入力ラインバッファ及び出力ラインバッファの構成図である。本実施例のフィルタ演算装置50は、演算パラメータメモリ51、近似パラメータ最適化部52、入力ラインバッファアレイ53、フィルタ演算回路54、及び出力ラインバッファアレイ55を備えている。   FIG. 18 is a block diagram illustrating the overall configuration of the filter arithmetic apparatus according to the third embodiment. 18A is an overall view, and FIG. 18B is a configuration diagram of an input line buffer and an output line buffer. The filter operation device 50 of this embodiment includes an operation parameter memory 51, an approximate parameter optimization unit 52, an input line buffer array 53, a filter operation circuit 54, and an output line buffer array 55.

演算パラメータメモリ51は、フィルタ演算に必要な演算パラメータを記憶するメモリである。近似パラメータ最適化部52は、演算パラメータメモリ51に記憶された演算パラメータに基づいて、ガウシアン・カーネルの近似演算に必要な各パラメータを演算する回路ブロックである。入力ラインバッファアレイ53は、原画像から切り出される部分画像が入力され一時的に記憶するメモリである。原画像のサイズをW×H画素(横W、縦H)とする。入力ラインバッファアレイ53は、(2M+1)行分の部分画像を記憶することができる(但し、2M+1はフィルタの窓サイズであり、演算パラメータにより設定される)。入力ラインバッファアレイ53は、図18(b)に示したように、W個のレジスタアレイを2M+1行配列して構成されており、各列のレジスタ列はシフト・レジスタであり、各行毎にレジスタの値を読み出すことができるように構成されている。入力ラインバッファアレイ53には、原画像の上端行から順に1行ずつ現画像データが入力される。フィルタ演算回路54は、入力ラインバッファアレイ53に保持された原画像に対してフィルタ演算を実行し、平滑化画像を出力する回路である。出力ラインバッファアレイ55は、フィルタ演算回路54が出力する平滑化画像を一時的に保持するメモリであり、入力ラインバッファアレイ53と同様に構成されている。   The calculation parameter memory 51 is a memory for storing calculation parameters necessary for the filter calculation. The approximate parameter optimization unit 52 is a circuit block that calculates each parameter necessary for the approximate calculation of the Gaussian kernel based on the calculation parameter stored in the calculation parameter memory 51. The input line buffer array 53 is a memory in which a partial image cut out from the original image is input and temporarily stored. Let the size of the original image be W × H pixels (horizontal W, vertical H). The input line buffer array 53 can store partial images of (2M + 1) rows (where 2M + 1 is a filter window size and is set by a calculation parameter). As shown in FIG. 18B, the input line buffer array 53 is configured by arranging 2M + 1 rows of W register arrays, and the register column of each column is a shift register, and a register is provided for each row. It is comprised so that the value of can be read. Current image data is input to the input line buffer array 53 line by line in order from the upper end line of the original image. The filter operation circuit 54 is a circuit that performs a filter operation on the original image held in the input line buffer array 53 and outputs a smoothed image. The output line buffer array 55 is a memory that temporarily holds the smoothed image output from the filter arithmetic circuit 54, and has the same configuration as the input line buffer array 53.

図19は、図18の演算パラメータメモリ51及び近似パラメータ最適化部52の構成を表すブロック図である。   FIG. 19 is a block diagram showing the configuration of the calculation parameter memory 51 and the approximate parameter optimization unit 52 of FIG.

演算パラメータメモリ51は、許容誤差τ、原画像のダイナミックレンジR、レンジ領域のスケール・パラメータσ、空間領域のスケール・パラメータσ、及びフィルタサイズ・パラメータMの値を演算パラメータとしてそれぞれ記憶する。これらの各演算パラメータの値は、外部から入力される。 The calculation parameter memory 51 stores values of the allowable error τ, the dynamic range R of the original image, the scale parameter σ r of the range region, the scale parameter σ s of the spatial region, and the filter size parameter M as calculation parameters. . The values of these calculation parameters are input from the outside.

近似パラメータ最適化部52は、ζτ演算回路61、ζτレジスタ62、K演算回路63、Kレジスタ64、D演算回路65、Dレジスタ66、T演算回路67、Tレジスタ68、a演算回路69、aレジスタ70、m演算器71、mレジスタ72を備えている。 The approximate parameter optimization unit 52 includes a ζ τ operation circuit 61, a ζ τ register 62, a K operation circuit 63, a K register 64, a D operation circuit 65, a D register 66, a T operation circuit 67, a T register 68, and an ak operation circuit. 69, an ak register 70, an m computing unit 71, and an m register 72.

ζτ演算回路61は、演算パラメータメモリ51に記憶された許容誤差τに基づき、式(19b)の逆相補誤差関数の演算を行うことによってζτを算出し、ζτレジスタ62に保存する。ζτ演算回路61は、二乗演算と逆相補誤差関数演算を行う回路であり、ルックアップ・テーブル(LUT)により構成することができる。 zeta tau arithmetic circuit 61 on the basis of the tolerance tau stored in the calculation parameter memory 51, calculates the zeta tau by performing the calculation of the inverse complementary error function of Equation (19b), stores the zeta tau register 62. The ζ τ operation circuit 61 is a circuit that performs a square operation and an inverse complementary error function operation, and can be configured by a look-up table (LUT).

K演算回路63は、演算パラメータメモリ51に記憶されたダイナミックレンジR,スケール・パラメータσ、及びζτレジスタ62に記憶されたζτに基づき、式(20)の演算を行うことにより、打切項数Kを算出しKレジスタ64に保存する。 K arithmetic circuit 63, the dynamic range R stored in the operation parameter memory 51, based on the scale parameter sigma r, and zeta tau stored in zeta tau register 62, by performing the calculation of Equation (20), discontinuation The number of terms K is calculated and stored in the K register 64.

D演算回路65は、式(19a)に示した、有意周期Tの範囲D=[σζτ+R,πσ(2K+1)/ζτ]の下限値(σζτ+R)及び上限値(πσ(2K+1)/ζτ)を演算し、これらの値をDレジスタ66に保存する。 The D arithmetic circuit 65 has a lower limit value (σ r ζ τ + R) and an upper limit value of the range D = [σ r ζ τ + R, πσ r (2K + 1) / ζ τ ] of the significant period T shown in Expression (19a). (Πσ r (2K + 1) / ζ τ ) is calculated, and these values are stored in the D register 66.

T演算回路67は、Dレジスタ66に保存された有意周期Tの範囲Dにおいて、式(22)を二分法により解くことによって有意周期Tを算出する回路である。T演算回路67が算出する有意周期Tは、Tレジスタ68に保存される。   The T arithmetic circuit 67 is a circuit that calculates the significant period T by solving the equation (22) by the bisection method in the range D of the significant period T stored in the D register 66. The significant period T calculated by the T arithmetic circuit 67 is stored in the T register 68.

演算回路69は、Kレジスタ64に保存された打切項数K、演算パラメータメモリ51に記憶されたスケール・パラメータσ、及びTレジスタ68に保存された有意周期Tを読み出して、k=1〜Kまで、式(15)を演算することにより各係数aを演算子、aレジスタ70に保存する。ここで、Kは可変であるため、aレジスタ70はKの変化幅に対応して十分な数のレジスタが必要とされるが、図11より、Kの上限は高々4〜6程度である。 The a k arithmetic circuit 69 reads the number of truncation terms K stored in the K register 64, the scale parameter σ r stored in the arithmetic parameter memory 51, and the significant period T stored in the T register 68, and k = Each coefficient a k is stored in the a k register 70 by calculating Expression (15) from 1 to K. Here, since K is variable, the ak register 70 needs a sufficient number of registers corresponding to the change width of K. From FIG. 11, the upper limit of K is about 4 to 6 at most. .

m演算器71は、演算パラメータメモリ51に記憶されたフィルタサイズ・パラメータMから、フィルタの窓サイズm=2M+1を演算し、mレジスタ72に保存する。   The m calculator 71 calculates the filter window size m = 2M + 1 from the filter size parameter M stored in the calculation parameter memory 51 and stores it in the m register 72.

図20は、図18のフィルタ演算回路54の構成を表すブロック図である。フィルタ演算回路54は、空間フィルタ演算器75、DC成分bレジスタアレイ76、DC成分b0レジスタアレイ77、B回路78−k(k=1〜K)、bレジスタアレイ79−k(k=1〜K)、b0レジスタアレイ80−k(k=1〜K)、加算器81,82、及び除算器83を備えている。   FIG. 20 is a block diagram showing the configuration of the filter arithmetic circuit 54 of FIG. The filter operation circuit 54 includes a spatial filter operation unit 75, a DC component b register array 76, a DC component b0 register array 77, a B circuit 78-k (k = 1 to K), and a b register array 79-k (k = 1 to 1). K), b0 register array 80-k (k = 1 to K), adders 81 and 82, and a divider 83.

空間フィルタ演算器75は、実施例2で説明したGF演算器であり、入力ラインバッファアレイ53より、m(=2M+1)行分の画素データ(x[−M]〜x[M])を読み出し、中央行(0行目(図18(b)参照))の各画素に対して、順次式(38)に示したDC成分の空間フィルタ演算を行い、その結果得られるW個の近似分子画像β^(式(35a))のDC成分(k=0)の値をDC成分bレジスタアレイ76に保存する。DC成分bレジスタアレイ76は、1行分(W個)の近似分子画像β^(式(35a))のCD成分の値を保持するレジスタである。   The spatial filter calculator 75 is the GF calculator described in the second embodiment, and reads out pixel data (x [−M] to x [M]) for m (= 2M + 1) rows from the input line buffer array 53. The spatial filter operation of the DC component shown in the equation (38) is sequentially performed on each pixel in the center row (0th row (see FIG. 18B)), and W approximated molecular images obtained as a result thereof. The value of the DC component (k = 0) of β ^ (formula (35a)) is stored in the DC component b register array 76. The DC component b register array 76 is a register that holds the value of the CD component of one row (W) of approximate molecular images β ^ (formula (35a)).

DC成分bレジスタアレイ77は、1行分(W個)の近似分母画像β^(式(35b))のDC成分(k=0)の値を保持するレジスタであり、全て1が記憶されている。 The DC component b 0 register array 77 is a register that holds the value of the DC component (k = 0) of one row (W) of approximate denominator images β 0 ^ (formula (35b)). Has been.

B回路78−k(k=1〜K)は、式(35a)(35b)の近似分子画像β^及び近似分母画像β^のk番目の周波数成分を演算する回路である。bレジスタアレイ79−k(k=1〜K)は、B回路78−kが算出する1行分(W個)の近似分子画像β^のk番目の周波数成分を保持するレジスタである。bレジスタアレイ80−k(k=1〜K)は、B回路78−kが算出する1行分(W個)の近似分母画像β^のk番目の周波数成分を保持するレジスタである。 The B circuit 78-k (k = 1 to K) is a circuit that calculates the k-th frequency component of the approximate numerator image β ^ and the approximate denominator image β 0 ^ in the expressions (35a) and (35b). The b register array 79-k (k = 1 to K) is a register that holds the k-th frequency component of one row (W pieces) of approximate molecular images β ^ calculated by the B circuit 78-k. The b 0 register array 80-k (k = 1 to K) is a register that holds the k-th frequency component of one row (W) of approximate denominator images β 0 ^ calculated by the B circuit 78-k. .

加算器81は、bレジスタアレイ76,79−1〜79−Kに保持された各画素(W個)の近似分子画像β^の周波数成分を、それぞれの画素毎に足しあせて、式(35a)の右辺の和演算を行い、1行分の各画素に対する近似分子画像β^の値を算出する。   The adder 81 adds the frequency components of the approximate molecular image β ^ of each pixel (W pieces) held in the b register arrays 76 and 79-1 to 79-K to each pixel, and adds the expression (35a ) To calculate the value of the approximate molecular image β ^ for each pixel of one row.

加算器82は、bレジスタアレイ77,80−1〜80−Kに保持された各画素(W個)の近似分母画像β^の周波数成分を、それぞれの画素毎に足しあせて、式(35b)の右辺の和演算を行い、1行分の各画素に対する近似分母画像β^の値を算出する。 The adder 82 adds the frequency components of the approximate denominator image β 0 ^ of each pixel (W pixels) held in the b 0 register arrays 77 and 80-1 to 80-K to each pixel, and The sum operation of the right side of (35b) is performed, and the value of the approximate denominator image β 0 ^ for each pixel of one row is calculated.

除算器83は、加算器81が出力する近似分子画像β^の値を、加算器82が出力する近似分母画像β^の値で、画素ごとに除算を行い、式(33a)で表される最終的な平滑化画像を算出し、出力ラインバッファアレイ55へ出力する。 The divider 83 divides the value of the approximate numerator image β ^ output from the adder 81 by the value of the approximate denominator image β 0 ^ output from the adder 82 for each pixel, and is expressed by Expression (33a). The final smoothed image is calculated and output to the output line buffer array 55.

図21は、図20のB回路78(B回路78−1〜78−K)の構成を表すブロック図である。   FIG. 21 is a block diagram showing a configuration of B circuit 78 (B circuits 78-1 to 78-K) in FIG.

B回路78は、画素値セレクタ91、項番号レジスタ92、位相演算器93、c演算器94、cレジスタアレイ95、乗算器96、cfレジスタアレイ97、s演算器98、sレジスタアレイ99、乗算器100、sfレジスタアレイ101、空間フィルタ演算器102〜105、乗算器106,107,110,111、109,113、加算器108,112を備えている。 The B circuit 78 includes a pixel value selector 91, a term number register 92, a phase calculator 93, a ck calculator 94, a kk register array 95, a multiplier 96, a cf k register array 97, an sk calculator 98, and sk. A register array 99, a multiplier 100, an sf k register array 101, spatial filter arithmetic units 102 to 105, multipliers 106, 107, 110, 111, 109, 113, and adders 108, 112 are provided.

画素値セレクタ91は、入力ラインバッファアレイ53に保持された画素の原画像データから、順次画素qを選択し、画素qの画素値x(q)を出力する。ここで、入力ラインバッファアレイ53には、原画像の画素値が1行毎に追加入力されていくが、画素値セレクタ91は、新たに追加された行(図18(b)におけるx[−M]の行)の各画素(W個)を順次選択するものとする。   The pixel value selector 91 sequentially selects the pixels q from the original image data of the pixels held in the input line buffer array 53, and outputs the pixel value x (q) of the pixel q. Here, the pixel values of the original image are additionally input to the input line buffer array 53 for each row. However, the pixel value selector 91 selects x [− in the newly added row (FIG. 18B). It is assumed that each pixel (W pixels) in row M] is sequentially selected.

項番号レジスタ92は、B回路78の項番号k(k=1,…,K)の値を保持するレジスタである。   The term number register 92 is a register that holds the value of the term number k (k = 1,..., K) of the B circuit 78.

位相演算器93は、画素値セレクタ91により選択された画素qに対する位相値φk(q)=2πkx(q)/Tを演算し出力する。 The phase calculator 93 calculates and outputs the phase value φ k (q) = 2πkx (q) / T for the pixel q selected by the pixel value selector 91.

演算器94は、位相演算器93が出力する位相値φk(q)のコサイン値ck(q)=cos(φk(q))を演算し出力する。cレジスタアレイ95は、c演算器94が出力するコサイン値ck(q)を記憶するレジスタである。cレジスタアレイ95は、図18(b)に示したラインバッファアレイ53と同様の構造の(2M+1)行W列のシフト・レジスタであり、新たに入力される行のコサイン値ck(q)は、−M番目の行に追加される。 The c k calculator 94 calculates and outputs a cosine value c k (q) = cos (φ k (q)) of the phase value φ k (q) output from the phase calculator 93. The c k register array 95 is a register that stores the cosine value c k (q) output from the c k arithmetic unit 94. The ck register array 95 is a shift register of (2M + 1) rows and W columns having the same structure as that of the line buffer array 53 shown in FIG. 18B, and the cosine value c k (q ) Is added to the -Mth line.

乗算器96は、c演算器94が出力するコサイン値ck(q)と画素値セレクタ91が出力する画素値x(q)との乗算を行い、乗算値ck(q)x(q)を出力する。cfレジスタアレイ97は、乗算器96が出力する乗算値ck(q)x(q)を記憶するレジスタである。cfレジスタアレイ97も、図18(b)に示したラインバッファアレイ53と同様の構造の(2M+1)行W列のシフト・レジスタであり、新たに入力される行の乗算値ck(q)x(q)は、−M番目の行に追加される。 The multiplier 96 multiplies the cosine value c k (q) output from the ck arithmetic unit 94 by the pixel value x (q) output from the pixel value selector 91 to obtain a multiplied value c k (q) x (q ) Is output. The cf k register array 97 is a register that stores the multiplication value c k (q) x (q) output from the multiplier 96. The cf k register array 97 is also a shift register of (2M + 1) rows and W columns having the same structure as the line buffer array 53 shown in FIG. 18B, and the multiplication value c k (q ) x (q) is added to the −Mth row.

演算器98は、位相演算器93が出力する位相値φk(q)のサイン値sk(q)=sin(φk(q))を演算し出力する。sレジスタアレイ99は、s演算器98が出力するサイン値sk(q)を記憶するレジスタである。sレジスタアレイ99も、図18(b)に示したラインバッファアレイ53と同様の構造の(2M+1)行W列のシフト・レジスタであり、新たに入力される行のサイン値sk(q)は、−M番目の行に追加される。 The s k calculator 98 calculates and outputs a sine value s k (q) = sin (φ k (q)) of the phase value φ k (q) output from the phase calculator 93. The s k register array 99 is a register that stores the sine value s k (q) output from the s k calculator 98. The s k register array 99 is also a shift register of (2M + 1) rows and W columns having the same structure as that of the line buffer array 53 shown in FIG. 18B, and the sign value s k (q ) Is added to the -Mth line.

乗算器100は、s演算器98が出力するサイン値sk(q)と画素値セレクタ91が出力する画素値x(q)との乗算を行い、乗算値sk(q)x(q)を出力する。sfレジスタアレイ101は、乗算器100が出力する乗算値sk(q)x(q)を記憶するレジスタである。sfレジスタアレイ101も、図18(b)に示したラインバッファアレイ53と同様の構造の(2M+1)行W列のシフト・レジスタであり、新たに入力される行の乗算値sk(q)x(q)は、−M番目の行に追加される。 The multiplier 100 multiplies the sine value s k (q) output from the s k calculator 98 by the pixel value x (q) output from the pixel value selector 91, and the multiplied value s k (q) x (q ) Is output. The sf k register array 101 is a register that stores a multiplication value s k (q) x (q) output from the multiplier 100. The sf k register array 101 is also a shift register of (2M + 1) rows and W columns having a structure similar to that of the line buffer array 53 shown in FIG. 18B, and the multiplication value s k (q ) x (q) is added to the −Mth row.

空間フィルタ演算器102は、式(35b)の右辺第1項のガウシアン・フィルタ関数GF(σs,p,{ck(q)})(pは中央の行(図18(b)の第0行)のW個の各画素)の演算を行う空間フィルタである。σsは演算パラメータメモリ51より入力され、{ck(q)}はcレジスタアレイ95より入力される。 The spatial filter computing unit 102 calculates the Gaussian filter function GF (σ s , p, {c k (q)}) (p is the first row in the center row (FIG. 18B). This is a spatial filter that performs an operation on W pixels) in the 0th row). σ s is input from the operation parameter memory 51, and {c k (q)} is input from the ck register array 95.

空間フィルタ演算器103は、式(35b)の右辺第2項のガウシアン・フィルタ関数GF(σs,p,{sk(q)})(pは中央の行(図18(b)の第0行)のW個の各画素)の演算を行う空間フィルタである。σsは演算パラメータメモリ51より入力され、{sk(q)}はsレジスタアレイ99より入力される。 The spatial filter calculator 103 calculates the Gaussian filter function GF (σ s , p, {s k (q)}) (p is the first row in the center row (FIG. 18B). This is a spatial filter that performs an operation on W pixels) in the 0th row). σ s is input from the operation parameter memory 51, and {s k (q)} is input from the sk register array 99.

乗算器106は、空間フィルタ演算器102が出力する値GF(σs,p,{ck(q)})と、cレジスタアレイ95から読み出されるコサイン値ck(p)との乗算を行い、式(35b)の右辺第1項の乗算値ck(p)GF(σs,p,{ck(q)})を出力する。 The multiplier 106 multiplies the value GF (σ s , p, {c k (q)}) output from the spatial filter calculator 102 by the cosine value c k (p) read from the ck register array 95. And the multiplication value c k (p) GF (σ s , p, {c k (q)}) of the first term on the right side of the equation (35b) is output.

乗算器107は、空間フィルタ演算器103が出力する値GF(σs,p,{sk(q)})と、sレジスタアレイ99から読み出されるサイン値sk(p)との乗算を行い、式(35b)の右辺第2項の乗算値sk(p)GF(σs,p,{sk(q)})を出力する。 Multiplier 107, the value GF (σ s, p, { s k (q)}) for outputting the spatial filter operation unit 103 and the multiplication of the sign value s k read from s k register array 99 (p) The multiplication value s k (p) GF (σ s , p, {s k (q)}) of the second term on the right side of the equation (35b) is output.

加算器108は、乗算器106の出力値と乗算器107の出力値とを加算し、式(35b)の右辺括弧内の和の演算を行う。乗算器109は、加算器108の出力値と、aレジスタ70から読み出される係数値akとの乗算を行い、各画素pに対する式(35b)の近似分母画像β^(p)を算出し、bレジスタアレイ80−kに保存する。 The adder 108 adds the output value of the multiplier 106 and the output value of the multiplier 107, and calculates the sum in the right parenthesis of Expression (35b). The multiplier 109 multiplies the output value of the adder 108 by the coefficient value a k read from the a k register 70, and calculates the approximate denominator image β ^ 0 (p) of Expression (35b) for each pixel p. and, save to b 0 register array 80-k.

空間フィルタ演算器104は、式(35a)の右辺第1項のガウシアン・フィルタ関数GF(σs,p,{ck(q)x(q)})(pは中央の行(図18(b)の第0行)のW個の各画素)の演算を行う空間フィルタである。σsは演算パラメータメモリ51より入力され、{ck(q)x(q)}はcfレジスタアレイ97より入力される。 The spatial filter computing unit 104 calculates the Gaussian filter function GF (σ s , p, {c k (q) x (q)}) (p in the middle row (FIG. 18 ( It is a spatial filter that performs the calculation of W pixels) in the 0th row) of b). σ s is input from the operation parameter memory 51, and {c k (q) x (q)} is input from the cf k register array 97.

空間フィルタ演算器105は、式(35a)の右辺第2項のガウシアン・フィルタ関数GF(σs,p,{sk(q)x(q)})(pは中央の行(図18(b)の第0行)のW個の各画素)の演算を行う空間フィルタである。σsは演算パラメータメモリ51より入力され、{sk(q)x(q)}はsfレジスタアレイ101より入力される。 The spatial filter computing unit 105 calculates the Gaussian filter function GF (σ s , p, {s k (q) x (q)}) (p in the middle row (FIG. 18 ( It is a spatial filter that performs the calculation of W pixels) in the 0th row) of b). σ s is input from the operation parameter memory 51, and {s k (q) x (q)} is input from the sf k register array 101.

乗算器110は、空間フィルタ演算器104が出力する値GF(σs,p,{ck(q)x(q)})と、cレジスタアレイ95から読み出されるコサイン値ck(p)との乗算を行い、式(35a)の右辺第1項の乗算値ck(p)GF(σs,p,{ck(q)x(q)})を出力する。 The multiplier 110 outputs the value GF (σ s , p, {c k (q) x (q)}) output from the spatial filter calculator 104 and the cosine value c k (p) read from the ck register array 95. And the multiplication value c k (p) GF (σ s , p, {c k (q) x (q)}) of the first term on the right side of the equation (35a) is output.

乗算器111は、空間フィルタ演算器105が出力する値GF(σs,p,{sk(q)x(q)})と、sレジスタアレイ99から読み出されるサイン値sk(p)との乗算を行い、式(35a)の右辺第2項の乗算値sk(p)GF(σs,p,{sk(q)x(q)})を出力する。 The multiplier 111 outputs the value GF (σ s , p, {s k (q) x (q)}) output from the spatial filter calculator 105 and the sine value s k (p) read from the s k register array 99. And the multiplication value s k (p) GF (σ s , p, {s k (q) x (q)}) of the second term on the right side of the equation (35a) is output.

加算器112は、乗算器110の出力値と乗算器111の出力値とを加算し、式(35a)の右辺括弧内の和の演算を行う。乗算器113は、加算器112の出力値と、aレジスタ70から読み出される係数値akとの乗算を行い、各画素pに対する式(35a)の近似分子画像β^(p)を算出し、bレジスタアレイ79−kに保存する。 The adder 112 adds the output value of the multiplier 110 and the output value of the multiplier 111, and calculates the sum in the right parenthesis of Expression (35a). The multiplier 113 multiplies the output value of the adder 112 by the coefficient value a k read from the a k register 70, and calculates the approximate molecular image β ^ (p) of the equation (35a) for each pixel p. , B are stored in the register array 79-k.

以上のような構成により、実施例2と同様に、バイラテラル・フィルタの演算を行うことが可能となる。   With the configuration as described above, the bilateral filter can be operated in the same manner as in the second embodiment.

1 コンピュータ
2 入力装置
3 出力装置
4 外部記憶装置
10 ガウシアン・カーネル演算装置
11 演算パラメータメモリ
12 近似パラメータ最適化手段
13 打切項数演算器
14 有意周期最適化器
14a KTレジスタ
15 有意係数演算器
16 有意係数メモリ
17 近似函数演算器
20 フィルタ演算装置
21 入力画像メモリ
22 出力画像メモリ
23 項数カウンタ
25 基底函数演算器
26 基底函数テーブル
27 分母画像演算器
28 分子画像演算器
29 GF演算器
30 分母画像メモリ
30a 加算器
31 分子画像メモリ
31a 加算器
32 画像除算器
50 フィルタ演算装置
51 演算パラメータメモリ
52 近似パラメータ最適化部
53 入力ラインバッファアレイ
54 フィルタ演算回路
55 出力ラインバッファアレイ
61 ζτ演算回路
62 ζτレジスタ
63 K演算回路
64 Kレジスタ
65 D演算回路
66 Dレジスタ
67 T演算回路
68 Tレジスタ
69 a演算回路
70 aレジスタ
71 m演算器
72 mレジスタ
75 空間フィルタ演算器
76 DC成分bレジスタアレイ
77 DC成分bレジスタアレイ
78,78−k(k=1〜K) B回路
9−k(k=1〜K) bレジスタアレイ7
80−k(k=1〜K) bレジスタアレイ
81,82 加算器
83 除算器
91 画素値セレクタ
92 項番号レジスタ
93 位相演算器
94 c演算器
95 cレジスタアレイ
96 乗算器
97 cfレジスタアレイ
98 s演算器
99 sレジスタアレイ
100 乗算器
101 sfレジスタアレイ
102〜105 空間フィルタ演算器
106,107,110,111、109,113 乗算器
108,112 加算器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Computer 2 Input device 3 Output device 4 External storage device 10 Gaussian kernel operation device 11 Operation parameter memory 12 Approximate parameter optimization means 13 Censored term number calculator 14 Significant period optimizer 14a KT register 15 Significant coefficient calculator 16 Significant Coefficient memory 17 Approximate function calculator 20 Filter calculator 21 Input image memory 22 Output image memory 23 Term counter 25 Base function calculator 26 Base function table 27 Denominator image calculator 28 Numerator image calculator 29 GF calculator 30 Denominator image memory 30a adder 31 molecular image memory 31a adder 32 image divider 50 filter operation device 51 operation parameter memory 52 approximate parameter optimization unit 53 input line buffer array 54 filter operation circuit 55 output line buffer array 61 ζ τ operation circuit 62 ζ τ register 63 K arithmetic circuit 64 K register 65 D arithmetic circuit 66 D register 67 T arithmetic circuit 68 T register 69 a k arithmetic circuit 70 a k register 71 m arithmetic unit 72 m register 75 Spatial filter arithmetic unit 76 DC component b register array 77 DC component b 0 register array 78, 78-k (k = 1 to K) B circuit 9-k (k = 1 to K) b register array 7
80-k (k = 1 to K) b 0 register array 81, 82 adder 83 divider 91 pixel value selector 92 term number register 93 phase calculator 94 ck calculator 95 ck register array 96 multiplier 97 cf k Register array 98 s k arithmetic unit 99 s k register array 100 multiplier 101 sf k register array 102 to 105 spatial filter arithmetic units 106, 107, 110, 111, 109, 113 multipliers 108, 112 adders

Claims (12)

入力画像{x(p)}(pは画素の位置,x(p)は位置pの画素値)に対して、標準偏差(以下「スケール・パラメータ」という。)σのガウス関数で定義される空間カーネルgs(q-p)(p,qは画素の位置)、及びスケール・パラメータσのガウス関数で定義されるレンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))とのコンボリューション演算により画像の平滑化を行う画像フィルタ演算装置であって、
前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記レンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))を、有限項数のフーリエ級数により近似した近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における級数の打切項数K、及び前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における各項の展開係数a(k=0,…,K)を演算する際のフーリエ積分の積分領域[-T/2,T/2]を定める有意周期Tの組である近似パラメータ(T,K)を、前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))の近似誤差が前記許容誤差τ以下となるように決定し出力する近似パラメータ最適化手段と、
前記近似パラメータ最適化手段が算出する前記近似パラメータ(T,K)に従い、前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))の第0項から第K項までの展開係数{a0,…,a}を算出する展開係数演算手段と、
前記展開係数演算手段が算出する展開係数{a0,…,a}を用いて、前記入力画像{x(p)}に対し、前記空間カーネルgs(q-p)及び前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))とのコンボリューション演算を実行するフィルタ演算手段と、を備えた画像フィルタ演算装置。
The input image {x (p)} (where p is the pixel position and x (p) is the pixel value at position p) is defined by a Gaussian function with a standard deviation (hereinafter referred to as “scale parameter”) σ s The spatial kernel g s (qp) (p and q are pixel positions) and the range kernel g r (x (q) -x (p)) defined by the Gaussian function of the scale parameter σ r An image filter arithmetic device that smoothes an image by a volume calculation,
For the scale parameter σ r , the predetermined tolerance τ and the dynamic range R of the input image {x (p)}, the range kernel g r (x (q) −x (p)) is a finite term. The series truncation term K in the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) approximated by the Fourier series of the number and the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x ( p)) an approximation that is a set of significant periods T that define an integration region [-T / 2, T / 2] of Fourier integration when calculating the expansion coefficient a k (k = 0,..., K) of each term in p)) Approximate parameter optimizing means for determining and outputting parameters (T, K) such that the approximate error of the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) is equal to or less than the allowable error τ; ,
Expansion coefficients from the 0th term to the Kth term of the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) according to the approximate parameter (T, K) calculated by the approximate parameter optimization means expansion coefficient calculating means for calculating {a 0 ,..., a K };
Using the expansion coefficients {a 0 ,..., A K } calculated by the expansion coefficient calculating means, the spatial kernel g s (qp) and the approximate range kernel g are applied to the input image {x (p)}. An image filter arithmetic device comprising: filter arithmetic means for executing a convolution operation with ^ r (x (q) -x (p)).
前記近似パラメータ最適化手段は、前記打切項数Kを算出する打切項数演算手段を備え、
前記打切項数演算手段は、前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記打切項数Kを
により算出することを特徴とする請求項1記載の画像フィルタ演算装置。
The approximate parameter optimization means includes truncation number calculation means for calculating the truncation number K.
The truncation term number calculating means calculates the truncation term number K with respect to the scale parameter σ r , a predetermined allowable error τ, and the dynamic range R of the input image {x (p)}.
The image filter arithmetic device according to claim 1, wherein the image filter arithmetic device is calculated by:
前記近似パラメータ最適化手段は、前記有意周期Tを算出する有意周期最適化手段を備え、
前記展開係数演算手段は、前記レンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))を積分領域[-T/2,T/2]でフーリエ積分した近似展開係数を、前記各展開係数{a0,…,a}として算出するものであり、
前記有意周期最適化手段は、前記スケール・パラメータσ、前記打切項数K及び前記ダイナミックレンジRに対する、変数Tの方程式
を満たすTを前記有意周期Tとして算出するものであることを特徴とする請求項1又は2記載の画像フィルタ演算装置。
The approximate parameter optimization means includes significant period optimization means for calculating the significant period T,
The expansion coefficient calculating means is configured to calculate an approximate expansion coefficient obtained by performing Fourier integration of the range kernel g r (x (q) −x (p)) in an integration region [−T / 2, T / 2], and each expansion coefficient. {a 0 , ..., a K }
The significant period optimization means includes an equation of a variable T with respect to the scale parameter σ r , the truncation term number K, and the dynamic range R.
3. The image filter arithmetic device according to claim 1, wherein T satisfying the condition is calculated as the significant period T. 4.
前記近似パラメータ最適化手段は、
前記スケール・パラメータσ及び前記レンジ上限値R、並びに予め設定された有効幅パラメータα(ασ<R)に基づき、前記有意周期Tを、
により算出する演算周期設定手段と、
前記許容誤差τ,前記有意周期T及び前記スケール・パラメータσに基づいて、前記打切項数Kを
により算出する打切項数決定手段と、を備えたことを特徴とする請求項1記載の画像フィルタ演算装置。
The approximate parameter optimization means includes:
Based on the scale parameter σ r, the range upper limit value R, and a preset effective width parameter α (ασ r <R), the significant period T is
A calculation cycle setting means calculated by:
Based on the allowable error τ, the significant period T, and the scale parameter σ r , the truncation number K is
The image filter arithmetic apparatus according to claim 1, further comprising: a truncation term number determining means for calculating by the following.
前記展開係数演算手段は、前記各展開係数{a1,…,a}を、
により算出するものであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一記載の画像フィルタ演算装置。
The expansion coefficient computing means calculates the expansion coefficients {a 1 ,..., A K },
The image filter arithmetic device according to claim 1, wherein the image filter arithmetic device is calculated by:
コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項1乃至5の何れか一に記載の画像フィルタ演算装置として機能させることを特徴とするプログラム。   A program that causes a computer to function as the image filter arithmetic device according to any one of claims 1 to 5 by being read and executed by a computer. 標準偏差(以下「スケール・パラメータ」という。)σのガウス関数で定義されるガウシアン・カーネルgr(x)の近似値を算出するガウシアン・カーネル演算装置であって、
前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記レンジ・カーネルgr(x(q)-x(p))を、有限項数のフーリエ級数により近似した近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における級数の打切項数K、及び前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))における各項の展開係数a(k=0,…,K)を演算する際のフーリエ積分の積分領域[-T/2,T/2]を定める有意周期Tの組である近似パラメータ(T,K)を、前記近似レンジ・カーネルg^r(x(q)-x(p))の近似誤差が前記許容誤差τ以下となるように決定し出力する近似パラメータ最適化手段と、
前記近似パラメータ最適化手段が算出する前記近似パラメータ(T,K)に従い、前記近似ガウシアン・カーネルgr(x)の第0項から第K項までの展開係数{a0,…,a}を算出する展開係数演算手段と、
前記展開係数演算手段が算出する展開係数{a0,…,a}を用いて、前記近似ガウシアン・カーネルgr(x)を算出する近似関数演算手段と、を備えたガウシアン・カーネル演算装置。
A Gaussian kernel arithmetic unit that calculates an approximate value of a Gaussian kernel g r (x) defined by a Gaussian function of standard deviation (hereinafter referred to as “scale parameter”) σ r ,
For the scale parameter σ r , the predetermined tolerance τ and the dynamic range R of the input image {x (p)}, the range kernel g r (x (q) −x (p)) is a finite term. The series truncation term K in the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) approximated by the Fourier series of the number and the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x ( p)) an approximation that is a set of significant periods T that define an integration region [-T / 2, T / 2] of Fourier integration when calculating the expansion coefficient a k (k = 0,..., K) of each term in p)) Approximate parameter optimizing means for determining and outputting parameters (T, K) such that the approximate error of the approximate range kernel g ^ r (x (q) -x (p)) is equal to or less than the allowable error τ; ,
The expansion coefficients {a 0 ,..., A K } from the 0th term to the Kth term of the approximate Gaussian kernel g r (x) according to the approximate parameters (T, K) calculated by the approximate parameter optimization means. Expansion coefficient calculating means for calculating
Approximation function calculation means for calculating the approximate Gaussian kernel g r (x) using the expansion coefficients {a 0 ,..., A K } calculated by the expansion coefficient calculation means, and a Gaussian kernel calculation device comprising: .
前記近似パラメータ最適化手段は、前記打切項数Kを算出する打切項数演算手段を備え、
前記打切項数演算手段は、前記スケール・パラメータσ、所定の許容誤差τ及び前記入力画像{x(p)}のダイナミックレンジRに対し、前記打切項数Kを
により算出することを特徴とする請求項7記載の画像フィルタ演算装置。
The approximate parameter optimization means includes truncation number calculation means for calculating the truncation number K.
The truncation term number calculating means calculates the truncation term number K with respect to the scale parameter σ r , a predetermined allowable error τ, and the dynamic range R of the input image {x (p)}.
8. The image filter arithmetic device according to claim 7, wherein the image filter arithmetic device is calculated by:
前記近似パラメータ最適化手段は、前記有意周期Tを算出する有意周期最適化手段を備え、
前記展開係数演算手段は、前記近似ガウシアン・カーネルgr(x)を積分領域[-T/2,T/2]でフーリエ積分した近似展開係数を、前記各展開係数{a0,…,a}として算出するものであり、
前記有意周期最適化手段は、前記スケール・パラメータσ、前記打切項数K及び前記ダイナミックレンジRに対する、変数Tの方程式
を満たすTを前記有意周期Tとして算出するものであることを特徴とする請求項8記載のガウシアン・カーネル演算装置。
The approximate parameter optimization means includes significant period optimization means for calculating the significant period T,
The expansion coefficient computing means calculates an approximate expansion coefficient obtained by performing Fourier integration of the approximate Gaussian kernel g r (x) in the integration region [−T / 2, T / 2], and the expansion coefficients {a 0 ,. K }, and
The significant period optimization means includes an equation of a variable T with respect to the scale parameter σ r , the truncation term number K, and the dynamic range R.
9. The Gaussian kernel arithmetic apparatus according to claim 8, wherein T satisfying the condition is calculated as the significant period T.
前記近似パラメータ最適化手段は、
前記スケール・パラメータσ及び前記レンジ上限値R、並びに予め設定された有効幅パラメータα(ασ<R)に基づき、前記有意周期Tを、
により算出する演算周期設定手段と、
前記許容誤差τ,前記有意周期T及び前記スケール・パラメータσに基づいて、前記打切項数Kを
により算出する打切項数決定手段と、を備えたことを特徴とする請求項7記載のガウシアン・カーネル演算装置。
The approximate parameter optimization means includes:
Based on the scale parameter σ r, the range upper limit value R, and a preset effective width parameter α (ασ r <R), the significant period T is
A calculation cycle setting means calculated by:
Based on the allowable error τ, the significant period T, and the scale parameter σ r , the truncation number K is
The Gaussian kernel arithmetic device according to claim 7, further comprising: a truncation term number determining means for calculating by the following.
前記展開係数演算手段は、前記各展開係数{a1,…,a}を、
により算出するものであることを特徴とする請求項7乃至10の何れか一記載のガウシアン・カーネル演算装置。
The expansion coefficient computing means calculates the expansion coefficients {a 1 ,..., A K },
The Gaussian kernel arithmetic device according to claim 7, wherein the Gaussian kernel arithmetic device is calculated by:
コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項7乃至11の何れか一に記載のガウシアン・カーネル演算装置として機能させることを特徴とするプログラム。   A program that causes a computer to function as the Gaussian kernel arithmetic device according to any one of claims 7 to 11 by being read and executed by a computer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11594238B2 (en) 2019-03-15 2023-02-28 Honda Motor Co., Ltd. Acoustic signal processing device, acoustic signal processing method, and program for determining a steering coefficient which depends on angle between sound source and microphone

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