TWI224754B - Pyramid filter and integrated circuit comprising the same, image processing system, method of producing filtered state variable signal sample stream, and computer readable storage medium - Google Patents

Description

1224754 A7 B7 五、發明説明（1 ) 相關申請案 本專利申請案係有關於Tinku Acharya在2001年1月3曰所 提出，標題為「無乘法器之金字塔式濾波器（Multiplierless Pyramid Filter)」的美國專利申請序號09/754,684，以及Tinku Acharya，在2001年3月26日所提出，標題為「二度空間之金 字塔式遽波器架構（Two Dimensional Pyramid Filter

Architecture)」的美國專利申請序號_(律師檔案號 碼042390.P 11275)，這兩份專利已讓渡給本發明受讓人，並 且以提及方式併入本文。 發明背景 本發明揭示有關於金字塔式濾波器。 在影像處理中，常喜將一影像（諸如一掃描而得之彩色影 像）分解成兩個以上分開的影像表現。在本文中，稱這些影 像為背景及前景影像。例如，一彩色或灰階文件影像可分 解成背景及前景影像，以進行有效率的影像處理作業，諸 如應用於一典型之影印機或掃描裝置中的增強、壓縮等。 在本文中，此項作業常係指去篩選（descreening)作業。同 時，此一反篩選有時亦會應用於移除可能存在於一原稿掃 描的影像中的半色調圖樣。例如，若未將其妥善移除，這 些半色調圖樣可能會引起人類視覺難以揍受的後生現象 (artifacts)。此種分解或反篩選所採用的習知方法，即過濾 該彩色影俸，以使其變模糊。接著，這些模糊的產物即用 來輔助決定需讓該影像變模糊或銳利多少，以產生分解。 通常此種使影像變模糊的作法可利用一「對稱金字塔式」 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（1Π0 X 297公釐）

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1224754 A7 ____ Β7 __ 五、發明説明（2 ) /慮波器來達成。對稱金芋塔式有限脈衝響應（finite impUlse response，FIR)濾波器係眾所皆知的產品。 然而，此種影像處理技術有一項缺點，即當並聯使用數 個不同尺寸的金字塔式濾波器，以應用上述技術產生多重 模糊影像時’將使其複雜度增加數倍。對此種多重金字塔 式滤波法有一使用蠻力的解決方式，即並聯使用多重FIR 濾波器，如圖1中所示。此種方法證明了設計及實施快速 「對％型金字塔式濾波」的架構，以自單一來源影像並聯 產生不同模糊影像的可行性。 圖1中每一FIR區塊的括弧内出現的數字，代表對應長度 的金字塔式濾波器。例如，（1，2, 1}為一級數或長度3之= 稱型金字塔式有限脈衝響應（FIR)濾波器的濾波係數。同樣 地，（1，2, 3, 2, 1)則為級數5之一 FIR金字塔式濾波器的係 數，依此類推。 但不幸地，圖1中展示的方法有其缺點。例如，冗餘的 計异步驟會造成無效率。同樣地，FIR的實施方式常使用 乘法器電路。儘管有些減少或避免使用乘法器的執行方 式諸如利用移位（shifting)和加總（summing)電路，但其又 會導致時脈的增加，並從而減低電路的生產率。因此，對 改善金字塔式濾波的實施方式或架構即存在有一需求。 圖式簡單說明 本說明書結束部份中特別指出及明確申·請之主題重 點。然而，藉由下文中配合附圖的詳細說明，將可更瞭 本申請本身的運作組織和方法，及其目的、特性和優點， -5 - 1224754 A7 一 ________Β7_____ 五、發明説明（3 ) 其中： 圖1為以蠻力方式實施_有限脈衝響應（FIR)多重金字塔 式濾波架構的方塊圖； 圖2顯不一項具體實施例之滾動總和滤波器（rolling summation filter，RSF)的一部份； 圖3為圖2之一組件或次組件之一項具體實施例； 圖4為圖具體實施例實現於一無乘法器之金字塔式 濾波器中之具體實施例； 圖5為一表格，顯示滾動總和濾波器之一項實施依先後 順序排列的狀態變數信號樣本之序列；以及 圖6A及6B之表格顯示一金字塔式濾波器之一項，實施依 先後順序排列的經濾波輸出信號樣本之序列。 曼J月詳細說明 為了充分認識本申請之主題重點，在下面的詳細說明中 提出許多的特定細節。然而，熟知技藝人士應明暸，在不 運用這些特定細節的情況下，仍可實施本申請之主題重 點。在其他的例子中，並未詳細說明已知方法、程序、組 件及電路，以免混淆本申請之主題重點。 如先前所述，金字塔式濾波法，特別是對稱式的金字塔 式滤波法’可配合彩色影像或彩色影像處理用以分解或反 篩選該影像（諸如）成一背景與前景影像。本申請之主題重 點雖未限定於此方面之範疇，然於本文件中，則特別偏重 能減少運算複雜性或處理和/或硬體成本的金字塔式濾波 架構。同樣地，無乘法器的實施方式，即不特別使用乘法 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Λ4規格（訂〇 X 297公釐）

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1224754 A7 ___B7 ___ 五、發明説明（4 ) 的實施方式亦較合乎需求，通常因為此種實施或具體實施 例較那些使用或包含乘法器的電路為便宜。因此，就算是 僅使用較少乘法器的實施方式，也可為人接受。 本申請之主題重點雖然並非限於此方面之範疇，圖2中 說明了一項具體實施例200之一「滾動總和濾波器」或RSF 架構，其可用以實施所提議的一金字塔式濾波器，下文中 將就此詳述。具體實施例200包括一整體串聯之滚動總和濾 波架構’用以為一系列或序列具有不同級數（諸如長度為 3、5、7等）之總和濾波器產生多重數目之總合狀態變數信 號流S2、S3、S4、…S7，並以此類推，其狀態變數信號流 係以平行方式產生。在此特定具體實施例中，本申請之主 題重點雖非限於此方面之範疇，然在每一時脈週期皆有一 經濾波之狀態變數信號流自每一不同實施級數之濾波器 產生。因此，除了在運算上有效率，此種特定具體實施例 在生產率方面亦能產生優良的成果。如將於後更詳細說明 者，該狀態變數信號流可如圖4中所顯示地，用以產生金 字塔式滤波之輸出信號流。 圖2係可以特足^㊂己法的表現方式來理解β例如，*一輸 入來源信號X可標記如下： 乂 一 ( X 0，X 1，· · ·，X i - 2，X i -1，X i，X i + 1，X 卜 2，. · · ·) 在數位或不連續信號處理中，濾波作業可以該輸入信號 X及一;慮波器F之一捲積（convolution)®表達，本文中之遽波 器為一有限長度之數位濾波器，此處稱為一有限脈衝響應 (FIR)濾波器。因此，經濾波之該輸出信號流可表示為：

本紙張乂度適用中國國家標率(CNS) A4規格（210 X 297公釐） 1224754 A7 _ B7 五、發明説明（5 )

Y = X ® F 如前所述，此特定具體實施例係應用金字塔式濾波器。 這些濾波器係典型地利用奇數長度或級數（諸如3、5、7、9 等）的數位濾波器來實施。這可以（例如）M = 2N +1的方式表 現，其中N為大於1的一正整數。以下為此種數位濾波器的 一些實例·· F3 =(1，2, 1) F5 =(1， 2, 3, 2, 1) F7 气1，2, 3, 4, 3, 2, 1) F9 =(1，2, 3, 4, 5, 4, 3, 2, 1) • · · FM =(1，2, 3,…，N，…，3, 2, 1) 就上列濾波器而言，其經濾波信號或輸出信號流可表示 如下： B3 = X ® F3=(b()3，b13，···，bi.13，bi3，bi+13，…）由F3過濾輸 入信號X所產生結杲 β5 = χ ® 戸5=(13()5，1315，...，1^15，1^5，1^ + 15，...）由卩5過濾輸 入信號X所產生結果 β = X ® F7 =(b〇7，b/，…，bi·〆，bi7，bi + 17，…）由 F7過滤輸 入信號X所產生結果 B9 = X ® ?9，()9，1319，...，13“19,〇 + 19，...）由？9過濾輸 入信號X所產生結果 BM = X ® FM =(b〇M，b,M，…，bi-Λ biM, bi + 1M，…）由 FM過 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公楚〉 1224754 A7 _______B7 五、發明説明（6 ) 濾輸入信號X所產生結果 或者/可憑經驗地表示這些經濾波輸出信號的樣本如下·· bi3 = Xj.2 ^ 2xi., + Xi bi5 = x丨·4 + 2χ“3 + 3x“2 + 2xM + x. bi7 = xN6 + 2x 丨-5 + 3xN4 + 4xN3 + 3x“2 + 2xm + & bi — xN8 十 2\.7 + 3xU6 + 4xi-5 + 5xu4 + 4xi 3 + 3xi_2 十 2Χμ +

Xi 同樣地，在本文件中，將所討論者以狀態變數表示，則 上列公式可重新表達為： bj 丨=XM + Si3 ’ 其中 Si3 =Xi-2 + Xi-i + Xi bi 5 = bM3 + Si5 ，其中 Si5 =Xi-4 + Xi-3 + Xi-2 + Xi-i + Xi b 丨7 = bM5 + Si7 ，其中 Si7 =Xi-6 + Xi-5 + Xi-4 + Xi.3 + Xi-2 + Xi-1 + Xi bi :9 = bM7 + Si9 ，其中 Si9 =Xi-8 + Xi-7 + Xi-6 + Xi-5 + Xi-4 +

Xi-3 + Xi-2 + Xi-l + Xi 如將於下詳述者，仔細檢視圖4將可說明：運算所得之 輸出信號流I、B5、B?、B9等，可利用圖2中描述的具體實 施例作為圖4中顯示的該具體實施例之一部份來產生。 圖5為一表袼，顯示分別由圖2中所產生（並於圖3中可見 更詳細描述），依先後順序排列的狀態變數信號或狀態變數 信號流S2、S3、S4、…S7之序列。同樣地，圖6A及6B之表 格顯示依先後順序排列的經濾波輸出信號流B3、B5、B7等 之序列。如圖4中所示，這些輸出信號流係利用位址（諸如 275、285和295)及延遲時間（諸如270、280和290)所產生。 -9 - 本紙張尺度適用中國阐家標準(CNS) Λ4规格( WO x妁7公货） 1224754 A7 B7

五、發明説明（ 除了提供經濾波之輸出信號流&、B5、B7之外，圖6A和 6B中的表格尚表明了這些經濾波之輸出信號流係於加諸 圖2中所示金字塔式濾波架構之具體實施例時，以時脈先 後順序產生該狀態變數信號樣本流者。如先前所述，輸出 信號流可由信號樣本（諸如輸入信號樣本&及狀態變數信 號樣本Si)產生，以下將詳細說明之。 圖6A及6B顯示b〆係由依據先前公式產生的Si7加上輸入 仏號bi5所產生。該信號b/係被延遲一時脈週期。此係經 由（例如）圖4中之延遲元件或數位延遲單元29〇所達成。因 此，受延遲一個時脈週期的輸出信號樣本b5與狀態變數信 號樣本S?加總，以產生輸出信號樣本b7。同樣地，可利用 數位延遲單元280以產生輸出信號樣本流By另外，可使該 輸入信號樣本流X延遲，並與S3加總以產生金字塔式濾波 輸出信號樣本流B3。 應留意圖2中所顯示之一 rFS架構之具體實施例包含諸 如圖3中所顯示的300之一組件或次組件的具體實施例。圖3 中所顯示之具體實施例300，包括一含有三個延遲單元 3 10、320和330以及一二輸入璋之加法器340的組件。本特 定具體實施例中採用了一三輸入值或三輸入埠的加法 器，以提供高速作業。 在此特定具體實施例中，其延遲單元與加法器係耦合在 一起，以自輸入信號樣本或信號樣本流，和自較低級數經 滤波之狀態變數仏號樣本或信號樣本流，產生較高級數經 •遽波之狀態變數信號樣本或信號樣本流。例如，請參考圖 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公赞）

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!224754 A7 __ B7_____ 五、發明説明（8 ) 3中所顯示之具體實施例，Xi包括輸入信號樣本或信號樣本 流，spk·1包括較低級數RSF過濾之狀態變數信號樣本或信 號樣本流，而Si2k+1則包括較高級數RSF過濾之狀態變數信 號樣本或信號樣本流。因此，在此特定具體實施例中，介 於該較高與較低狀態變數信號樣本或信號樣本流間的級 數差異為2，但本申請之主題重點當然並不限於此方面之 範蜂v 圖4為包含圖2中所示之一 RFS架構具體實施例的一金字 塔式濾波器之一具體實施例原理圖。在圖4中，其RFS架構 具體實施例係以200表示。因此，雖然未顯示於圖4中，200 包含組件或次組件，諸如圖2中所示的210、220或230。應 注意圖4中顯示之該具體實施例係實施於一積體電路400 上，但本申請之主題重點並非限於此方面之範疇。 當然應明瞭，雖然已有如上述之特定具體實施例，但本 申請之主題重點並非限於某一特定具體實施例或實施之 範_。例如，一項具體實施例可為硬體方面，而另一具體 實施例則可為軟體之應用。同樣地，一項具體實施例可為 韌體方面，或（諸如）硬體、軟體或韌體方面的任意組合。 同樣地，雖然本申請之主題重點並不限於此方面之範蜂， 一項具體實施例則可能包括一商品，諸如一儲存媒體。此 一儲存媒體（諸如一 CD-ROM或一磁碟）可於其上儲存指 令j當其被一系統（諸如一電腦系統或平臺，或一成像系統） 執行時，可如前所述地產生一過濾方法或處理一影像或視 訊之具體實施例。例如，一影像處理平臺或一影像處理系 -11 -

Claims (1)

1. I2f4 修

   月（〇9ψ 5914號專利申請案 筝利範圍替換本(92年11月) A BCD ΨΜ

   變 明 f考 是月 P it ?之 5、申請專利範圍 1. 一種包括一金字塔式濾波器的積體電路， 遠金字塔式濾波器包括一滾動總和濾波器。 2. 如申請專利範圍第1項之積體電路，其中該滾動總和濾波 器包括一序列之串聯單元，每一該種單元產生一不同級 數之狀態變數信號樣本流。 3. 如申請專利範圍第2項之積體電路，其中該單元包括無乘 法器之單元。 4. 如申請專利範圍第3項之積體電路，其中至少該無乘法器 之單兀其中之一包括三個延遲單元及一加法器，該延遲 單元及加法器係耦合在一起，以自一輸入信號樣本流和 一較低級數狀態變數信號樣本流產生一較高級數狀態變 數信號樣本流。 5. 如申請專利範圍第4項之積體電路，其中該加法器包括一 個三輸入之加法器。 6·如申請專利範圍第4項之積體電路，其中介於該較高與較 低級數狀態變數信號樣本流之間的級數差為2。 7· —種金字塔形濾波器，其包括： 二個延遲單元及一加法器，該延遲單元及加法器係耦 合在一起，以自一輸入信號樣本流和一較低級數狀態變 數信號樣本流產生一較高級數狀態變數信號樣本流。 8·如申請專利範圍第7項之濾波器，其中介於該較高與較低 級數狀態變數信號樣本流之間的級數差為2。 9.如申請專利範圍第7項之濾波器，其中該加法器包括一個 三輸入之加法器。

   10·如申請專利範圍第7項之遽波器，其中該遽波器係以一組 態耦合，以形成一滾動總和濾波器。 11 · 一種產生一第一級數經濾波狀態變數信號樣本流之方 法，其包括： 使一第二級數經濾波狀態變數信號樣本流延遲，該第 二級數係低於該第一級數； 將該延遲之狀態變數信號樣本流，和一輸入信號樣本 流與遠輸入#號樣本流之一延遲版本加總。 12·如申請專利範圍第11項之方法，其中該第一與第二級數 之間的差為2。 13.如申請專利範圍第11項之方法，其中該延遲之狀態變數 信號流係受延遲兩個時脈週期，且該輸入信號樣本流之 受延遲版本係受延遲一個時脈週期。 14·一種電腦可讀取之儲存媒體，該儲存媒體所儲存者為指 令’當其被執行時將產生一第一級數經濾波狀態變數信 號樣本流，其係利用： 使一第二級數經濾波狀態變數信號樣本流延遲，該第 二級數係低於該第一級數； 將該延遲之狀態變數信號樣本流，和一輸入信號樣本 流與該輸入信號樣本流之一延遲版本加總。 15. 如申請專利範圍第14項之電腦可讀取之儲存媒體，其中 當該指令執行時，進一步使該第一與第二級數之間的差 成為2。 16. 如申請專利範圍第14項之電腦可讀取之儲存媒體，其中 -2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

   裝

   成扣令執行時，進一步使該延遲之狀態變數信號流受 遲兩個時脈週期，且該輸入信號樣本流之受延遲版本 係受延遲一個時脈週期。 17，〜種影像處理系統，其包括： :影像處理單元，以濾波器掃描得之彩色影像； 々影像處理單元至少包含一金字塔式濾波器； A ^ iy 金i塔式滤波器包括一滾動總和遽波器。 18.如申請專利範圍第17項之影像處理系統，其中該滾動總 和/慮波器包括一序列之串聯單元，每一該種單元產生一 不同級數之狀態變數信號樣本流。 19·如申請專利範圍第18項之影像處理系統，其中該單元包 括無乘法器單元。 20·如申請專利範圍第19項之影像處理系統，其中至少該無 乘法器單元其中之一包括三個延遲單元及一加法器，該 延遲單元及加法器係耦合在一起，以自一輸入信號樣本 流和一較低級數狀態變數信號樣本流產生一較高級數狀 態變數信號樣本流。 21·如申請專利範圍第20項之影像處理系統，其中該加法器 包括一個三輸入之加法器。 22·如申請專利範圍第2〇項之影像處理系統，其中介於該較 高與較低級數狀態變數信號樣本流之間的級數差為2。 -3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)