TW504657B - Method and apparatus for high speed convolution - Google Patents

Description

五、發明說明（1 ) 發明背景 發明領域 署土： 之鲞明領域係有關於使用-影像! 去k視迴旋積分（conv〇luti〇n)運算，尤1曰 =計處理高速迴旋積分的方法及裝置望^ =ii、(rk)影像稽案_^ ^處理同速迴碇積分而不用考慮遮罩大小（siK、^ 二此二克服因*處理時間超過而無法實際運作之严 ，，省知技術迴旋積分處理的方法及裝 過^ 加迴旋積分之❹大小，而使得檢核的可靠度 相關技術說明 在影像處理t，迴旋積分為一運·曾裎庠，直 =核〜（kernei)區域中，由. 圍在该區域之影像資料的像辛 .宋上 值，盆中枋、、士 t 丨豕I值，且加總所得到ί 且應用包含數值的核心及影像資料之運算。 當影像資料之個別像素為J 大小（2m + i )χ(2η + γ h /X，y)%，則遮部 v ) , ,θ ?t i1)及遮罩數值為M(x 50传狀料各料的衫之結果料 ， 本紙張尺度適用各⑵〇χ 297公釐） 504657

Σ (X，y ) M( i + m + Σ Σ I ( x + i ? j^~n1 ’ j +n+ 1 ) y )x 在此，範圍外之影像資料的指數 數值M( i，j )的指數為正 ◦， 而遮罩 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在檢視程序中一般是使用濾波器 理’且存在有多種狀況依據遮罩大小而改：工 輸出影像的品質。當該遮罩大小增加日士，又去文 料對於雜1(八， θ ’則影像 二右(咖卿ent)並不敏感，所以使ΐ值；？值可加以控制，因此可得到更準確 ί:中於個別像素的乘法及加總數與運 iin 小需求的個數是-樣多。因此，.丨 r ίί九❸曾加：戶斤需要❾運算時間也隨著: σ 、在貫際運算時，必需限制遮罩大小。 …“如眾所熟知者，迴旋積分程序可由將符合像: '目乘，且加總該乘法的結果，而得到個別像— 的結果值。伸是，士卜床$ jlLu此s序了產生-項問題，即^ 濾波益大小的增加，而使得計算的數目快速增加， 本紙張尺度刺中國規格⑽X 297公釐__

A7

訂 I I I !

I - 請. 先 閱 讀

背 · 面 I 之1 注I 項 再 填 寫 本 頁

裝

中传到拉普拉斯暑έ 4，在圖9 由加總電路6 0 , 6 1盥Θ 像专的後i中传到的5個影像值外，加她圍结俨的 像素的像素影像值，且在力了圍W示的 將除了在加雄杂故ft n t私才。D ( shifter)中， 外的標的像Γ之Λ0值與Λ1處加總的四個影像值 撞，^、u、、、rr衫像值相乘，且從另一值中扣诘 減法裔6 8中從移相哭6 〇中;p ' 值中之一個。 秒邳°° b u中仵到之兩個數 由延r圖Λ是f用硬體方式得到高斯的程序，其中經 4及；：哭7 ί 7 9 ’然後使用加總電路7 〇、盥7 it” 2與77’得到在圖3中延遲^數: 視⑽號，以得到一維的高斯運算。攻〕數位 圖5是說明以硬體方式’★用圖 付到7 nx 7 η高斯的程序。 ^而 但是，這些習知技術的迴旋積分裝置均·一 項缺點，即其運算速度依據硬體的結構而二 改變，而且不容易了解各式各樣的濾°波器。疋不易 产再者，在需要增加濾波器遮罩大小以辦 計算結果品質之狀況中，可能導致硬體速』變差卞 或成本急劇增加。 &文I， 發明概述 五、發明說明 因此，本發明的標的係提供一種用於高速迴旋 置’希望經由新穎的遮罩影像檔案 罩大小，因此可克服因為超過處理時間而益法 巧運題，習知技術迴旋積分處理的方；及 二靠迴旋積分之遮罩大小’而使得檢核 訂 為了達成本發明的上述標的，本發明提供一種 ::同速迴紅積分的方法，該方法包 =由將假設理論（theoretlcal)之遮罩區分=盲 ^數標的多個標的資料的取樣間隔之區域，以決定 走積分遮罩；產生將被迴旋積分的標的影像之 線 μ σ衫像貧料且儲存在記憶體中；在 言:固：距的區域中的-區域内從累加景 =像加總資料；以及從相對區域影像:#料 像素的迴旋積分與符合該區域的遮罩級距值。 勺人_^，明也提供—種用於高速迴旋積分的裝置， 已累加影像資料產生機構，用於將 料，將轉換4 平蜂^像〜斗中，影像加總資料係從先前水 -勺原點及-先前的像素中得到，且將所計算的 t (CNS)A4 (210 X 297 A7 B7 五、發明說明（b 域的像素值中，該矩形區域係在 !:區域麵算機構，用於從累加影像資料中； 預；ΓΓ分區域資料，累力，像資料係為累 機構所產生，視需要加總及扣減取 匕資料7得到相對區域的影像加總資 ^ 2相對於該區域的遮罩級距值；以及一 管媸值輸出機構，用於從相對區域資料計 :枝構中付到的相對區域影像資料乘上相對的遮罩 ::值’且加總該相乘的結果以輸出一像素迴 分值。 、 較佳實施例之詳細說明： 明 於下文中將參考附圖去描述本發 Η日田^6說明以簡化—迴旋積分遮罩程序作為本發 、=於南速迴旋積分方法的―部份，即，迴旋積分 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --------------裝--- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -線- 遮罩的數位化程序。 在圖6 &中，依據習知技術去數位化迴旋積分 ^ 其中使用一遮罩去執行操作，以該標的資料 白、目同取樣間隔取樣作為假設理論的遮罩。 如圖6 b中所示者，本發明將假設理論上的遮 (210 x 297 公釐） 504657 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明說明 罩&刀成夕個標的資 級距數目是等於，取枚間隔。在此，遮罩的 於或小於習知技術的方法。 對一個二維遮罩， 一錐體（pyramid)，如 =H冉的遮罩數值以形成 這是因為在累加爹係上在形型式的級距之堆疊。 遮罩值乘法用的^ C 當作為攄波器 次為矩形時，可減少計算次數。 tb=素Γ形成之明i rig ness值的加總。該累加影像資料表示成： (X，y ) 始影像資料

Fx(^y) = Zf^y)^x-dir - Surnmationimm

X

Fy(x^ ^ ~ Σ j)^y- dir · Summation(j]U^) F”（x，y)是從（u)到（x，y)之灰階加 F x y ( x，y )

X V =Σ Σ = Fxy(x + Fx(x, y) + Fy(x, y) - f(x v) /=1 / =1 5 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 504657 A7 B7 五、發明說明（f ：y-\) + Fx(x, y) = Kry(x -hy) + Fy(x, y) 仗（x 1，y 1 )到（x 2，y 2)之灰階加總 jc2 y2 I Σ Σ j) ^ Λν(χ25 }n) — Fxy(x2^ y\) — Fxy(x\^ yi) + Fxy(x\^ j；]) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖7中說明累加影像資料的一個範例。 在此，用於儲存累加影像資料之記憶體的大小 必需大到足以儲存最大資料的加總。例如，對於5 J 2x5 U的資料而言，記憶體必需儲存2 5、5 χ 3 1 2 X b 1 2的最大值，其中每個像素要求2 6位 元及1百萬位元組（MByte)用於儲存整個資料。 立勺鬥為5 x 5時，該標的像素的影像值及 其包圍之像素的影像值為I (1，1 )到τ (气，， 遮罩的級距數為5，而遮罩的數值為M ， j M(5，5 )，標的像素的影像值成為 結果可計算為 ，3 )。该 •j jΣ Σ作 J·) ° 在此’遮罩可簡化成三個級距， 而且具有3個

I------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . .線 504657 A7 B7 五、發明說明（q ) 數值。即，遮罩數值為 在中心點V ( 1 ) = Μ ( 3，3 ); 在下一級距中V(2)與在最後級距的所有v(3) =M( 2，2 )，M( 2，3 )，M( 2，4 )，M( 3，2 )， M(3 ’ 4 )，M(4，2 )，M(4，3 )，M(4，4 )。 因此，上式可表示成： -------------裝·-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

奸· -·線* 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 可重寫成 I ( 3 ^ 3 )x(V( 1 )-V( 2 ))+Σ Σ I(x5y) /=2 :/=2 x(V( 2 )-V( 3 ))+t t I(i,j)xV(3) /=1 ./=1 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 發明說明) 因此從上述累加影像資料藉由 區域的加總且使用在濾波哭s 计异標的 (dlfference)而有可能去級距之間的差 (C_相雨time)去急劇減低周期時間 即，如圖8中所示者，以級距 成數個遮罩數值，且在下-級距中二值表示 遮罩數值，藉以減少計算次數。中的一些 圖8 a說明迴旋積分標的影 圖8 a的累加影像資料， 8 》8 b說明 罩數值，圖8d說明迴旋積4;==分遮 =:說明習知的迴旋積分程序，與圖 應的級距執行另一習知程序。圖8 士 的乘法所得到之加總的數 ;兄炉月由圖8e.中 消 五、 線 法及加法的個數是與每像素中遽波ί遮罩：：： 本紙張尺度適用中國國^mTS^ITw^......(210 X 297 504657 A7 B7 五、發明說明（ 同 法，且本^Λ的要每像素3個加總及一個乘 加上(3個罐= ㈣ 如果遮罩大小為彳ί 罩的級距數]計算。 少到】/ ? ^3 1 3，則對於乘法計算數可減 此各产w 加總計算數可減少為1/7，因 在積分的速度。此使得本發明可使用 濾波益中以增加計算結果的準確度。 了 方塊圖 圖9為本發明之實施例的高速迴旋積分裝置 之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將相於參旦考數字100為機構（嶋ns)，用來 、& 、二雨入衫像轉換成為數位影像資料而產生累娜的影像資料從原來的水平線之 形區域中的像素值，而將轉換的影像資: 衫像加總資料中，其中由原點在本像素先前之 一線上的像素形成該矩形區域。 ” 該累加影像資料產生器2 〇 〇包含·· 用於將相 12 ‘紙張尺度i® 冢標準（CNS)A4規格^ι〇 χ观公髮「

• I -------------i Ϊ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ;線· 五、發明說明（ν">) 機的輸入影像轉換成數位值， 影像資料f(x,y)的影像資料I且出將,,值轉換成 加總值，直到在先在線4 且儲存在緩衝n i i 4中，匕的之心像為止， 意 總’直到本像素為止 。線上的加 加總兩影像資料，其中一二傻3:1 1 3 ’用於 =衝;ΠΤΓ來自影像資料輪出二 口口 i 1 4，用於儲存在欢半始 加總值；一先前區域資己 ^ 像素上的 儲存矩形區中的累加；二用於暫時 體1 1 7，用於暫時儲存鮮F，前資料記憶 料，哕拓V山+ / 存矩形區中的累加影像資 得之先；線及原點上的像素所形成，且 成；- in矩形區由本影像及原點所形 ,^ σ法态1 1 5，用於將從緩衝哭1 ] 料力該二：？加到在矩形區中像素值：影像資 域資料且從先前區 116，用於儲存累積影像資I—影像記憶體 & //Α ^考數子2 〇 0表示對應區域資料取得機構 係從在累加影像資料產生器丄00中產生：；：影 13 本紙張尺度適用中國淮二——- 象‘旱（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 504657 五 發明說明 像Fxy(X，y)中取得預定數目 :(X2，y2)，F”“：y2RF 域資料 Fx 視需要加總及扣減取得 ^ x 2 ’ y ,) ’ 應區域F Xy(x v ] γ —飞貝枓’而得到對 且輸出符合該對應區的影像加總資料， 遮罩級距值。該對應的區域資1料1/曾l2，y2)之 J ··第-到第四部份區域取得器2厂以0包 用於取得4個部份區域資料F 至2 1 4， (Xl，yi)，F”（h，y2)及 h /，y〇, ^ 訂 中得到，以計算在某—像資料f” 距區域的各部份之加總/第三及μ之對應遮罩級 5 ’ 2 1 6用於結合四個取得之 f 1 (X2，h)，hyUrn)，F:广貝料 F” 線

Fxy(χ2，yl);—減法器217，用5；il二y2)及 器2 1 5的輸出資料中扣減第四加法'C.法

Si: 一對應的區域影像加總資料“21 :輪 用於輸出該減法器2 1 7的輪出值作為座8， 影像加總資料Fxy(Xl，yi Χ2…士應區域的 嶋數值輸出219，用於輸出對應該=應 (X 1，y 1，X 2, y 2)的遮罩數值。 a r xy 參考數字3 0 0表示用於輪出像素迴 的機構，其方式為將在相對區域資料計管叩|刀值 中得到的相對區域F x y (x i ν， γ ° ^2 0 〇 14 ，yi’X2，y2)2$. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNs)A4規格（210 X 297公釐） A7 A7 B7 五、發明說明（1+) 對區域中的1 = 值’且加總各個對應之相 3 0 0包含：多個，象素迴旋積分值輪出 區域影像資料F c ο 1，用於將多個相對 y(x…、X 二乘Χ:/:，/2,72)，··.·，ι 級距值ν(1)ν ， t 口夕數個區域之多個遮罩 對區域資料計算哭· (=)，其中該影像資料係從相 於加總多?資料；加法器321用 旋積分輪出33i=^出資料；及-像素迴 資料作為像素迴旋積分值^加法3 21的輪出 明高式㈣之本發 資料：出先!，ff二 值以輸出影像㈣?^ 將影像資料加總加入來自；)料二=”113 像資料輸出，其中象輸出111的影 資料記憶體在先前影像 :；:rrrt^Lsi： :象巧：在矩形區域中像素值 出： 形區域由從切區域資料記㈣117的原點= 15 Μ氏張[度翻巾關家鮮（CNS)A4規格（21。X 297公愛丁 ^ -I! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： --線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（< ) J前線輸出上的像素所形成。此 貢料116中，因此產生累加影像資#累加影 嘗..因此產生的累加影像資料輪入相對區祕一 m〇 〇。第—到第四部份區域取得‘ λ料計 Ιίίΐ對區域資料計算器2 〇 〇中者1Λ:2 像舅料產生器1 〇 〇中姦 攸m加影 四個部份區域資料以計算相對；料中取得 級距區域之部位的加總及第象：對應遮罩 器從第= : = : =域。減法 去益2 1 6的輸出資料。減法器;'^ :二扣減加 第-相對區域影像加總資料輪 3出值減 相對區域中的影像加總資料。當計算2 =對應 產生時’相對區域影像資料計算器2Ό 或影像 對遮罩級距值輸出2丄9去輪 兮也經由.相 級距值。 纟輸出對應该區域的遮罩 在乘法器3 0 1中於像素迴旋積分值輪 〇中乘上相對的遮罩級距值，且豆 器” i的其他乘法器的輸出值；、、:；::=法 旋積分值輸出3 3 i輸出作為一像素迴旋積分二值迴 迴旋積 雖然在上述說明中對於各個像素計算 分值，但是，實P双 序以得到整個“的:以：明的迴旋積分程 硬體：構下累= 積影像後，可盥像辛、A °异上述遮罩數值的累 對區域影像資料取積分輸出程序分開執行相 1 Oa^、LI疋5兄明而斯之拉普拉斯轉換的範例。圖 迴旋積I:，象值，圖1〇b說明由習知技術之 由本笋：迴旋浐迴旋積分值，圖1 0c是說明 d3/BBE1積刀方法得到的迴旋積分值。圖1〇 疋°兄θ 1 〇b及1 0c之迴旋積分值的比較。 中心古^像之亮點的平均值·約1 3 1，·與 的影像與現在、的方二:’所得到 t, 4"；^ « ί ί ΐί ： ； ^ « 用考慮遮罩大小。 奴積刀，而不 雖然文中已應較佳實施例說明本發明， 本技術者需了解可對上述實施例加以更改及變 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明 而不偏離本發明的精神及觀點 之申請專利範圍及其對等之涵 行的任何修訂及變動實施例^ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 A7 B7 、發明說明（\f 圖式簡單說明 及優：下二進解本發明之· :】例及圖式係使得熟綱術者可了

例;圖1去說明依據f知技術-維迴旋積分的· 圖2去說明依據習知技術以 I 裝置裝用於儲存一標的像4儲:以 值與周圍像素之範例； 帝仔媒；丨衫4 I 訂 -二3々是說明依據習知技術中，使用加總電路 Ηγν從5個影像值中得到拉普拉斯的程序 兩圖一4疋說明依據習知技術，使用延遲器 而要的資料且使用加總電^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ : 斯的程序圖； 矛夕相為以仵到一維高 ί· 斯的Λ5圖是說明使用圖4之裝置得到7 圖6是說明一迴旋積分遮罩的數位化 二圖6a是依據習知技術迴旋積分遮罩的數位心 =;，圖6b依據本發明之迴旋積分遮罩數位化的着 消 例圖7是說明在本發明中累加影像f料之計算羞 圖8a至8h是說明在習知技術的迴旋積分一 本紙張^適用中國國家標準（ΟΝεΙϋ (210 X 297公釐） 504657 A7 B7 五、發明說明) 序及本發明的迴旋積分程序中計算二維資料的程 序； 圖8 a說明迴旋積分標的影像資料； 圖8 b說明圖8 a的累加影像資料； 圖8 c說明一迴旋積分遮罩數值； 圖8d說明迴旋積分遮罩數值分為兩級距； ---------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 圖 8 e說明習知的迴旋積分程序； 圖8 f現明由對應的級距執行另一習知程序； 圖8 g說明由圖8e中的乘法所得·到之加總 以传到標的像素的結果值之習知技藝程序、； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印^

圖8 h說明去加總由圖8 f之垂 以得到標的像素的結果值之太法件到的數值 圖 ;圖9是依據本發日㈣高速迴旋積分裝置之方塊 圖1 〇是說明高斯之拉普拉斯轉換 20 之範例，其

本紙張尺度適用 (2】〇 X _297公釐）

五 '發明說明〇0) 請 先 閱 f 面 I 事 項 再 填 寫 本 旋積分方法;::::二1 ^ b是習知技術的迴 之迴旋積分方t ΐ貝分值，圖1 〇 C是由本發明 中比較迴旋積分值之圖式；以及 的標明在本發明令將進行迴旋積分運算 圖式元件符號 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

用於影像取得的SEM 類比/數位轉換器 圖樣補償器 延遲器 開關 . 加法器 移相器 減法器 加法器 η像素延遲 影像資料輪出 先前影像值記憶 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 504657 A7 B7 五、發明說明（7\) 7 2 2 13 2 142 15 2 16 2 183 2 1 第二加法器 累積影像記憶體 先前區域資料記憶體 第一區域取得器 第二區域取得器 第三區域取得器 第四區域取得器 第三加法器 第四加法器 一相對區域影像加總資料輸出 加法器 迴旋積分值輸出 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 22 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. A7 τ 五 、發明說明 B7 1 ·—種用於高速迴旋積分的方法，勺 藉由將假設理論之遮罩區八^下列步驟： 個區域，而決定-迴旋積成為預定個數的多 於標的資料的取樣間隔；、〜，该區域的數目同 從合該遮罩之各個級距的區域中的m 亀影像資料中去計算影像加總資料’以：域内 從相對區域影像資料去計管参△ 符合該區域的料級距值“像素―分與 2.如中請專利範圍第2項之方法，其_ ::大小足於在整個資料具有最大值 存二： 衫像加總資料。 存個

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3.種用於尚速迴旋積分的裝置，包括. 一累加影像資料產生機構，用於將一相機 2j換成數位影像資料，將轉換的影像資料= ^痛口總資料中，影像加總資料係從先丄 ::的原點及一先前的像素中得到，且將所計算： 值加入一矩形區域的像素值中，該矩形區域係 現在像素之前的線上之原點及各像素所形成 一相對的區域資料計算機構，用於從累加影像

   本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 I I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

   五、發明說明（> γ 貝料中取得預定數標的部份 料係為累加影像資料 ^貝；斗，累加影像| 及扣減取得的部位區域資料，：’視需要加轉 :加^料’且輪出-相對怎 資料^^ ^餘對區域 迴旋積分值。 ％、省相乘的結果以輪出—像素 4 ·如申凊專利範圍第狀 ^ 影像資料產生機構包括： 、衣置，，、中該累力 一影像資料輪出’用於將 成數位值，且輸出影像資料==輸人影像轉指 一先前影像值記憶體， 加總值，直到名4 I, 用於暫％儲存一水平肩 值 1到在先則級距中計算該先前像幸Α μ 且儲存在-緩衝器中，以用於月為止， 值，直到是現在的像素為i用於“-水平線加幾 # -加法器’用於加總 從影像資料輸出輪出的影像資料中，其中；! ^ 宁、攸在先刖水平線上的原點到從兴 刖影像值記憶體中所得到的先前像素； 一綾衝裔，用於儲存該水平線加總值， 現在的像素為止； J ^ 24 504657 五 、發明説明f>$) Λ· 13' y 一先前區域資料記憶體，用於暫時儲存 累Λ影像資料，該矩形區域由在先前線 成' =:影像記憶體中得到的原點所形 :累現在像素及原點所一 .一第二加法器，用於加總從緩衝器 :貧料到在矩形區域中像素值的影像資料中出以象 區域由在先前線及原點上的像素所形成。^形 5 ·如申請專利範圍第3項之穿 區域資料計算機構包含： ’置n亥相對 第一到第四部份區域取得器， 娜”(x，y)中取得四個部份區域資:”加景:像 x 2，y 1)，该累加影像資料係從累 λ y 機構中產生，以計算相對 中之貝料產.生 域的部位之加總； 中之σ遮罩級距區 第三及第四加法器，用士人 區域資料Fxy(X2，y2)，F 四個取得的部份 ^2)及 F:(xm)中的兩：1;，71””“ 一減法器，用於從箆二4 σ 減掉第四加法器的輸出資料；σ以及裔的輪出資料中扣 一相對區域影像加總資料輪屮田 器的輸出值，以作為相對區域用^出減法 25 个刀口、、、心貝枓f χ y ( χ A7

   發明說明（vf Ψ x 1，y 1，X y 1，x 2，y 2);以及 一相對遮罩佶—山 值輪出，用於輸出相對該區域F y 2)的遮罩數值。 迴旌_八枯=明專利範圍第3項之裝置，苴中該像辛 迎方疋％分值輸出機構包含： ，、甲β像素 複數個乘法器， 的遮罩級距值V( 1 / 目1於该多個區域 yn)相乘； ，2 ，_···，F”（h，y»，Xn， 以及一加法器’用於加總多個乘法器的輸出資料； 一像素迴旋積分輸出，用於輸出該 出資料以作為像素迴旋積分值。 ./态的輪 ----I ------------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _線* 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 26 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）