一種高斯濾波裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高斯濾波裝置，所述裝置包含一個或多個濾波單元，所述濾波單元包含m×n個輸出節點、m×n個中間節點以及m×n個輸入節點，其中：m×n路待處理信號分別從m×n個所述輸入節點輸入，經濾波后分別由m×n個所述輸出節點輸出m×n路濾波結果信號；輸出節點/中間節點間通過第一電阻或第二電阻相連；每個輸出節點對應一個中間節點，相對應的輸出節點與中間節點間通過第三電阻相連；所述第一電阻與所述第三電阻為正電阻，所述第二電阻為負電阻。與現有技術相比，使用本發明的裝置進行高斯濾波處理，不僅大大提高了處理速度，降低了處理能耗，而且提高了處理精度。
【專利說明】
一種高斯濾波裝置
技術領域
[0001 ]本發明涉及聲像技術領域，具體說涉及一種高斯濾波裝置。
【背景技術】
[0002] 高斯濾波是一種線性平滑濾波，適用于消除高斯噪聲，其廣泛應用于信號處理尤 其是圖像處理的減噪過程。在圖像處理領域，高斯濾波就是對整幅圖像進行加權平均的過 程，每一個像素點的值，都由其本身和鄰域內的其他像素值經過加權平均后得到。
[0003] 在當前技術條件下，實現高斯濾波處理通常是基于軟件算法在系統中構造相應的 高斯金字塔多尺度濾波模塊，然后利用高斯金字塔多尺度濾波模塊對信號進行相應的計算 處理。
[0004] 由于高斯濾波算法擁有較大的計算量，因此在上述過程中，構造高斯金字塔多尺 度濾波模塊以及利用高斯金字塔多尺度濾波模塊進行計算處理都造成了巨大的計算消耗。 例如在利用尺度不變特征轉換（Scale-invariant feature transform，SIFT)算法處理圖 像的過程中，構建高斯金字塔多尺度濾波模塊的過程占用了整個算法的約85.63%。
[0005] 數據處理系統的處理能力主要體現在數據處理的實時性以及處理能耗上，處理過 程中的計算消耗勢必導致相應的能耗以及時間損耗。隨著當前待處理數據量的猛增，數據 處理過程中高斯濾波處理所造成能耗以及時間損耗對處理系統整體處理能力的影響越來 越突出。
[0006] 因此，為了提高處理系統的處理能力，需要一種相對于現有技術能耗更小處理速 度更快的高斯濾波裝置。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術中高斯濾波處理存在的問題，本發明提供了一種高斯濾波裝置，所 述裝置包含一個或多個濾波單元，所述濾波單元包含m X η個輸出節點、m X η個中間節點以 及m X η個輸入節點，其中：
[0008] m和η為非0自然數，m和η的具體數值與所述濾波單元的最大并行數據處理量匹配， mXn路待處理信號分別從mXn個所述輸入節點輸入，經濾波后分別由mXn個所述輸出節點 輸出m X η路濾波結果信號；
[0009] 所述輸出節點分為組號為1~m的m組，每組包含編號1~η的η個輸出節點；
[0010 ]所述中間節點分為組號為1~η的η組，每組包含編號1~m的m個中間節點；
[0011] 在組號相同的所述輸出節點/中間節點中，編號相差1的輸出節點/中間節點間通 過一個第一電阻相連，編號相差2的輸出節點/中間節點間通過一個第二電阻相連；
[0012] 每個輸出節點對應一個中間節點，相對應的輸出節點的組號與中間節點的編號一 致，相對應的輸出節點的編號與中間節點的組號一致；
[0013] 相對應的輸出節點與中間節點間通過一個第三電阻相連；
[0014] 每個中間節點通過一個第三電阻與一個輸入節點相連；
[0015] 所述第一電阻與所述第三電阻為正電阻，所述第二電阻為負電阻。
[0016] 在一實施例中，所述第一電阻、所述第二電阻和/或所述第三電阻為等效電阻。
[0017] 在一實施例中，所述濾波單元的濾波帶寬由所述第三電阻的阻值大小所控制。
[0018] 在一實施例中，所述濾波單元還包含圖像信號接收器，所述圖像信號接收器配置 為接收mX η個像素點模擬信號并將每個所述像素點模擬信號分配輸入到一個所述輸入節 點。
[0019] 在一實施例中，所述圖像信號接收器配置為將每個所述像素點模擬信號分配輸入 到一個所述輸入節點，其中：
[0020] 所述mXn個像素點模擬信號為來自同一待處理圖像的采樣信號；
[0021]按照像素點在所述待處理圖像上的相對位置分配所述像素點模擬信號，令所述像 素點的像素行號以及列號與所述中間節點或所述輸出節點的組號以及編號相匹配。
[0022] 在一實施例中，所述裝置還包含多個輸入采樣器，所述輸入采樣器配置為對待處 理圖像信號進行預設采樣率的采樣以輸出所述像素點模擬信號，其中：
[0023] 所述裝置包含多個所述濾波單元，所述輸入采樣器連接到所述濾波單元；
[0024] 不同的所述輸入采樣器的預設采樣率不同，所述濾波單元的節點結構配置與其連 接的所述輸入采樣器的預設采樣率匹配。
[0025] 在一實施例中，所述裝置包含多個所述濾波單元，其中：
[0026] 每個所述輸入采樣器連接到一組所述濾波單元中的每一個所述濾波單元；
[0027] 同一組所述濾波單元中不同的濾波單元的節點結構配置相同、濾波帶寬配置不 同。
[0028] 在一實施例中，所述裝置還包含一個輸入采樣器以及多個輸出采樣器，其中：
[0029] 所述輸入采樣器配置為對待處理圖像信號進行最大采樣率的采樣以輸出所述像 素點模擬信號到一個或多個所述濾波單元；
[0030] 所述濾波單元的節點結構配置與所述最大采樣率匹配；
[0031] 每個所述濾波單元連接到多個所述輸出采樣器，所述輸出采樣器配置為按照預設 采樣率對所述濾波單元輸出的信號進行采樣并輸出，對應同一所述濾波單元的不同的所述 輸出采樣器的所述預設采樣率不同。
[0032] 在一實施例中，所述裝置包含多個所述濾波單元，其中：
[0033]所有所述濾波單元的節點結構配置相同、濾波帶寬配置不同；
[0034]不同的所述濾波單元對應的所述輸出采樣器不同。
[0035]與現有技術相比，使用本發明的裝置進行高斯濾波處理，不僅大大提高了處理速 度以及處理精度，而且降低了處理能耗。
[0036]本發明的其它特征或優點將在隨后的說明書中闡述。并且，本發明的部分特征或 優點將通過說明書而變得顯而易見，或者通過實施本發明而被了解。本發明的目的和部分 優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的步驟來實現或獲得。
【附圖說明】
[0037]附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實 施例共同用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中：
[0038] 圖1和圖2分別是根據本發明不同實施例的裝置部分電路結構簡圖；
[0039] 圖3是根據本發明一實施例的裝置結構示意圖；
[0040] 圖4和圖5是分別根據本發明不同實施例的裝置部分電路連線示意圖；
[0041 ]圖6是根據本發明一實施例的裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0042]以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，借此本發明的實施人員 可以充分理解本發明如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現過程并依 據上述實現過程具體實施本發明。需要說明的是，只要不構成沖突，本發明中的各個實施例 以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護范圍之 內。
[0043]傳統的高斯濾波模塊是在處理系統內基于軟件算法構建。不僅其構建過程會帶來 大量計算量，而且在其進行濾波處理時，隨著數據量的增加，其濾波處理的計算量也大幅度 增加。為了提高處理系統的處理能力本發明公開了一種高斯濾波裝置。
[0044] 本發明采用固定電路結構構造高斯濾波裝置。這樣在進行數據濾波處理時可以直 接使用構造好的高斯濾波裝置，從而省去了傳統方法中高斯濾波模塊的構建步驟。
[0045] 在本發明一本實施例中，高斯濾波裝置中執行濾波功能的最小單元是濾波單元 (一個高斯濾波裝置可以只包含一個濾波單元，也可以包含多個濾波單元）。針對任一濾波 單元，濾波單元的基本結構是由多個節點構成的節點網絡。
[0046] 在濾波單元的節點網絡中，節點間通過正電阻R1、R0以及負電阻R2(采用有源電阻 實現)相互連接。如圖1所示，按照節點Xn-2、Xn-l、Xn、Xn+l、Xn+2的順序，在每兩個相鄰節點 間連接電阻R1從而實現由左到右的串聯。然后在每兩個次鄰近節點（次鄰近節點即為按照 串聯順序中間隔了 一個節點的兩個節點，例如，節點Xn-2與Xn、節點Xn-1與Xn+1、節點Xn與 Xn+2)間連接電阻R2。
[0047]將上述串聯的節點(乂11-2、乂11-1、乂1^11+1、乂11+2)作為輸出節點，每個輸出節點通過 電阻R0串聯到一個輸入節點（不同的節點對應不同的輸入節點），如圖1所示，節點Xn-Ι串聯 R0連接到輸入節點Un-Ι，節點Xn串聯R0連接到輸入節點Un，節點Xn+1串聯R0連接到輸入節 點 Un+1。
[0048]圖1中的節點網絡結構可以向左右兩方無限延伸，這樣就獲得了一個多輸入多輸 出的節點網絡，其可以實現最基本的尚斯濾波。
[0049] 這里需要注意的是，圖1所示的結構中R0，R1為正電阻，R2為負電阻（R0、R1以及R2 可以為等效電阻），在沒有引入負阻的情況下，系統函數曲線下降趨勢與電阻R〇，Rl大小有 關，此時電路為一個簡單的純電阻電路。為了補償函數曲線，迫使其逼近高斯曲線，引入負 阻(R2)補償，經過嚴密數學推導，保證R2與R1的比例關系以及R2的接入關系，即可使函數曲 線逼近高斯函數曲線。
[0050] 因此，比例關系R2/R1為一個特定的負數值，R0的大小控制高斯曲線的帶寬，該結 構為對稱結構，可向兩側無限延伸。電壓源給定電壓，待電路穩定之后，輸出節點的電壓值 即為高斯濾波后的結果。
[0051] 依靠將圖1所示的節點結構橫向無限延伸，理論上可以實現任意濾波處理數據量 需求。但是圖1所示的節點結構屬于一維線性結構，其濾波處理精度并不理想。為了提高濾 波處理精度，在本發明一實施例中，基于圖1所示的節點結構，構造了更為復雜的2維節點結 構。
[0052]節點網絡分為頂層網絡與底層網絡。頂層網絡由多個圖1所示的一維線性結構構 成，頂層網絡的一維線性結構相互間并不做連接;底層網絡同樣由多個圖1所示的一維線性 結構構成，底層網絡的一維線性結構相互間并不做連接。
[0053]頂層網絡與底層網絡的節點為一一對應關系(節點數相同，頂層網絡中不同的輸 入/輸出節點對應底層網絡中不同的輸入/輸出節點）。頂層網絡的一維線性結構的數目和 底層網絡中單個一維線性結構中輸出節點的數目相同，其中：
[0054]頂層網絡的每個輸入節點連接到底層網絡的一個輸出節點，頂層網絡的不同的輸 入節點連接到底層網絡的不同的輸出節點；
[0055] 頂層網絡中同一一維線性結構的多個輸入節點分別連接到底層網絡中不同的一 維線性結構上。
[0056] 將頂層網絡的輸出節點作為輸出節點，底層網絡的輸入節點作為輸入節點，那么 整個節點網絡就可以作為一個多輸入多輸出的濾波單元。
[0057] 進一步的，將上述描述中的節點結構中頂層網絡的輸入節點和與其相連的底層網 絡的輸出節點合并為一個節點，命名為中間節點。那么，整個節點網絡結構可以作如下描 述。
[0058] 節點網絡(濾波單元)包含m X η個輸出節點、m X η個中間節點以及m X η個輸入節 點，其中：
[0059] m和η為非0自然數，m和η的具體數值與節點網絡的最大并行數據處理量匹配，mXn 路待處理信號分別從m X η個輸入節點輸入，經濾波后分別由m X η個輸出節點輸出m X η路濾 波結果信號；
[0000] 輸出節點分為組號為1~m的m組，每組包含編號1~η的η個輸出節點；
[0061 ]中間節點分為組號為1~η的η組，每組包含編號1~m的m個中間節點；
[0062] 在組號相同的輸出節點/中間節點中，編號相差1的輸出節點/中間節點間通過一 個第一電阻(R0)相連，編號相差2的輸出節點/中間節點間通過一個第二電阻(R2)相連；
[0063] 每個輸出節點對應一個中間節點，相對應的輸出節點的組號與中間節點的編號一 致，相對應的輸出節點的編號與中間節點的組號一致；
[0064] 相對應的輸出節點與中間節點間通過一個第三電阻(R1)相連；
[0065]每個中間節點通過一個第三電阻與一個輸入節點相連；
[0066] 第一電阻與第三電阻為正電阻，第二電阻為負電阻（可以部分為等效電阻或全部 為等效電阻）。進一步的，在本發明一實施例中，利用有源電路實現負電阻，利用負電阻和普 通電阻一起實現高斯濾波電路網絡。高斯電路網絡利用純電阻器件實現近似高斯函數曲 線，從而實現濾波應用。
[0067]接下來，為了更加形象的描述節點網絡的結構，將節點網絡中每個節點的固定分 配位置，用不同的位置指代相應的節點，從而進行節點相互連接方式的描述。這里需要指出 的是，在實際應用中，在節點網絡中每個節點的位置并不做精確限定，只要能滿足本發明所 述的節點連接方式的節點位置結構均屬于本發明的保護范圍。
[0068] 如圖2所示，節點網絡分為頂層網絡與底層網絡，底層網絡位于頂層網絡下方。頂 層網絡以及底層網絡的一維線性結構均并行排列且底層網絡的一維線性結構的排列方向 與頂層網絡的一維線性結構的排列方向垂直。
[0069] 在線性結構中，每個一維線性結構中相鄰的兩個輸出節點間通過一個第一電阻 (正電阻）串聯;相隔一個輸出節點的兩個輸出節點間通過一個第二電阻（負電阻）串聯;相 對應的輸出節點與輸入節點之間通過一個第三電阻(正電阻）串聯。為了便于描繪，在圖2所 示結構中，只繪制了各個節點通過第一電阻以及第三電阻串聯的情況，并未繪制第二電阻 的連接情況。
[0070] 頂層網絡的每個輸出節點正下方是其對應的輸入節點，頂層網絡的每個輸出節點 正下方是一個底層網絡的輸出節點，底層網絡的輸出節點正下方是是其對應的輸入節點。
[0071] 頂層網絡的每個輸入節點與其正下方的底層網絡的輸出節點相連(直接相連，并 不是通過電阻串聯，因此可以看作一個節點，中間節點）。
[0072] 在現有技術中的數字濾波系統中，完成濾波任務需要使用濾波模塊來掃描輸入數 據，卷積計算(本質上就是乘加計算)得到的結果作為輸出。處理方法非常耗時，同時，如此 多的乘加運算將會帶來較大的能耗。相較于現有技術，本實施例中的基于純電阻器件所構 建的高斯濾波網絡在處理數據過程中的能耗以及耗時都大大降低。
[0073]進一步的，由于采用了二位的節點網絡結構，本發明的濾波裝置(濾波單元）的濾 波精度大大提尚。
[0074]進一步的，基于本發明的濾波裝置(濾波單元)節點網絡結構，本發明提出了一種 針對圖像處理的高斯濾波裝置。在本發明一本實施例中，高斯濾波裝置中執行濾波功能的 最小單元是濾波單元(一個高斯濾波裝置可以只包含一個濾波單元，也可以包含多個濾波 單元）。任一濾波單元的基本結構是由多個節點構成的節點網絡。
[0075]在現有技術中，圖像處理的第一步通常是先將待處理圖像的光信號轉換為模擬信 號。由于現有技術是采用軟件算法進行高斯濾波處理，因此在現有的圖像處理系統中需要 將圖像模擬信號（電壓幅度信號)轉變為數字信號。在對圖像的數字信號進行高斯濾波時， 首先要針對具體的處理要求利用軟件算法構建高斯濾波模塊，構建高斯濾波模塊的過程不 可避免的產生了大量的計算。為了減少計算量，本發明沒有采用軟件算法來進行高斯濾波 處理。而是采用有源電阻構建高斯濾波網絡，利用高斯濾波網絡直接對圖像模擬信號（電壓 幅度信號進行處理），從而實現高斯濾波。
[0076]通常圖像信號是由多個像素點信號構成的，在本實施例中，基于需要處理的圖像 信號的像素分辨率構造濾波單元的節點網絡結構，即，對應像素個數構造包含相應數目的 輸入節點/輸出節點的節點網絡結構。多個像素點信號分別輸入到節點網絡的多個輸入節 點中，并由多個輸出節點分別輸出多個處理后的像素點信號。
[0077]具體的，在本發明一實施例中，濾波單元還包含圖像信號接收器，圖像信號接收器 配置為接收mXn個像素點模擬信號并將每個像素點模擬信號分配輸入到一個輸入節點。進 一步的：
[0078] mXn個像素點模擬信號為來自同一待處理圖像的采樣信號；
[0079]按照像素點在待處理圖像上的相對位置分配像素點模擬信號，令像素點的像素行 號以及列號與中間節點或輸出節點的組號以及編號相匹配。
[0080] 也就是說，從空間的角度上，像素點在待處理圖像中的排列方式與輸入節點的排 布方式保持一致。這樣，輸出節點輸出的信號的排布方式就保持了待處理圖像中像素點的 排布方式。從而使得可以比較方便的利用處理后的像素點信號構成新的圖像。
[0081] 理論上，本發明的高斯濾波單元可以在橫軸和縱軸上無限復制擴展，從而實現任 意輸入/輸出節點數目（實現任意數據量的并行處理）。進一步的，高斯濾波單元中的兩個正 電阻(第一電阻與第三電阻）的比例關系將決定高斯濾波單元的濾波帶寬。那么，不同濾波 尺度的高斯濾波單元的差異本質上即為高斯濾波單元中電阻比例關系不同。
[0082] 基于上述分析，本發明進一步提出了一種高斯濾波裝置。在本發明一實施例中，高 斯濾波裝置包含多個不同的濾波單元組(每組包含一個或多個濾波單元），每個濾波單元組 的最大并行數據處理量不同。具體的，每個濾波單元組對應一種待處理圖像的分辨率。這樣 濾波裝置就可以同時對多個不同的分辨率的待處理圖像進行處理。
[0083] 進一步的，濾波裝置可以對同一待處理圖像的多個不同分辨率的采樣圖像進行濾 波處理。具體的，在一實施例中，濾波裝置還包含多個輸入采樣器，輸入采樣器配置為對待 處理圖像信號進行預設采樣率的采樣以輸出像素點模擬信號，其中：
[0084] 裝置包含多個濾波單元，輸入采樣器連接到濾波單元；
[0085] 不同的輸入采樣器的預設采樣率不同，濾波單元的節點結構配置與其連接的輸入 采樣器的預設采樣率匹配。
[0086]例如，在一具體應用實例中，待處理圖像分辨率為1024*1024。濾波裝置設置成包 含三個輸入采樣器A、B以及C，分別對應分辨率1024*1024(輸入采樣器A)、512*512(輸入采 樣器B)以及256*256(輸入采樣器C)。相應的，連接到輸入采樣器A的濾波單元具有1024* 1024個輸入節點（輸出節點）；連接到輸入采樣器B的濾波單元具有512*512個輸入節點（輸 出節點）；連接到輸入采樣器C的濾波單元具有256*256個輸入節點(輸出節點）。經濾波裝置 濾波，可以同時獲取待處理圖像在三個分辨率采樣下的濾波結果。
[0087] 進一步的，由于濾波單元的濾波尺度(濾波帶寬）是可以預先設置的。在本發明一 實施例中，在同一濾波裝置中構造多個具有不同濾波尺度濾波單元，這樣就可以實現同時 在不同的濾波尺度上進行濾波處理。
[0088] 具體的，濾波裝置中構造有一組或多組濾波單元。每組濾波單元對應一個輸入采 樣器，每個輸入采樣器連接到其對應的一組濾波單元中的每一個濾波單元。同一組濾波單 元中不同的濾波單元的節點結構配置相同、濾波帶寬配置不同。
[0089]綜合上述結構，在本發明一實施例中，濾波裝置的基本結構如圖3所示。光流探測 器301包含多個像素單元302、303、304、…。像素單元為光照傳感器，其感受光流信號，并將 光流信號轉換為電壓幅度信號。光流探測器301中的每個像素單元針對待處理圖像中的一 個像素，其將待處理圖像中的每個像素上的光流信號轉變為像素點模擬信號（電壓幅度信 號）。所有像素點模擬信號共同構成圖像模擬信號發送到濾波裝置300。
[0090] 濾波裝置300包含輸入采樣器310、320、330、…，每個輸入采樣器對應一種分辨率 (米樣率）。
[0091] 每個輸入采樣器連接到多個高斯濾波單元。例如輸入采樣器310連接到高斯濾波 單元311、312、313、一；輸入采樣器320連接到高斯濾波單元321、322、323、一；輸入采樣器 330連接到高斯濾波單元331、332、333、…。
[0092] 連接到同一輸入采樣器的所有高斯濾波單元具有相同的節點網絡結構(輸入/輸 出節點數配置相同）以及不同的濾波帶寬。例如，高斯濾波單元311、312、313的節點網絡結 構相同，其輸入節點數與輸入采樣器310的采樣率匹配，但是高斯濾波單元311、312、313分 別具有不同的濾波帶寬。
[0093] 在一般情況下，濾波裝置的輸入采樣器的最大采樣率與待處理圖形的最大分辨率 是一致的。因此，濾波裝置中包含一個與待處理圖形的最大分辨率匹配的輸入采樣器(命名 為第一輸入采樣器），其輸出端口與待處理圖形的像素數量保持一致。第一輸入采樣器接收 待處理圖形信號并輸出像素信號(每個輸出端口輸出一個像素信號）。
[0094] 進一步的，在濾波裝置中，除第一輸入采樣器之外的所有輸入采樣器的采樣率均 小于待處理圖形的最大分辨率。其輸出為第一輸入采樣器的采樣輸出的降采樣。
[0095]以圖3所示的結構為例，假設待處理圖形為256X256的圖形，輸入采樣器310(第一 輸入采樣器)的采樣率就為256 X 256(由于光流探測器301輸出的就是256 X 256個像素點信 號，那么輸入采樣器310可以簡化為256 X 256根信號連線，每根連線接收一個像素點信號）。 [0096]高斯濾波單元311、312、313均構造有256X256個輸入節點，每個輸入節點連接輸 入采樣器310的一根信號連線。
[0097] 輸入采樣器320以及330為輸入采樣器310的降采樣，同時，也可以認為，輸入采樣 器330為輸入采樣器320的降采樣。
[0098]假設在本實施例中，采樣率需求從最高采樣率開始，每個采樣率級別相對于上一 采樣率級別降低一半的采樣率，即從256X256降到128X256。那么輸入采樣器320的采樣率 為128 X 256，輸入采樣器330的采樣率為64 X 256。
[0099]在圖3所示實例中，每個輸入采樣器均直接接收光流探測器301的輸出信號并對其 進行采樣。在本發明一實施例中，為了簡化結構，除第一輸入采樣器之外的所有輸入采樣器 均利用簡單的信號連線構造，其連接到第一輸入采樣器的輸出上，直接采樣第一輸入采樣 器的輸出。
[0?00]以一具體應用實例為例，如圖4所不，410為第一輸入米樣器輸出端口的一部分， 420為第一輸入米樣器的1/2降米樣輸入米樣器的輸出端口的一部分。
[0101 ]圖4中，每個黑點代表一個輸出端口（像素點信號輸出端口）。410上擁有5 X 3個像 素點信號輸出端口，輸入411、412、413、414以及415分別代表五排像素點信號輸出端口。
[0102] 420的采樣率為410的一半，因此，420的每一排上的輸出端口和410的每隔一排上 的輸出端口對應連接。即420上擁有3 X 3個像素點信號輸出端口。相較410上擁有的5 X 3個 像素點信號輸出端口，其采樣率為1/2。
[0103] 進一步的，為盡量縮短互連線的數量，本實施例的裝置通過類似總線的方式在輸 入采樣器與多個高斯濾波單元間互聯。在電阻網絡之間的物理位置為層內網絡在橫軸方向 延伸，采用類似總線互連的結構，從輸入采樣器每個像素對應的信號輸出端引出各自的信 號總線，將對應于該輸入采樣器的各個高斯濾波單元的電阻網絡對應節點的輸入端掛載在 總線上。如圖5所示，510與520分別為本實施例中對應同一輸入采樣器的任意兩個高斯濾波 單元輸入端口的一部分。510以及520分別包含對應9個像素點模擬信號的九個輸入端口。 510與520中的每個輸入端口對應相連，共同連接到輸入米樣器的一個像素點模擬信號輸出 上。
[0104] 進一步的，在本發明一實施例中，采用其他的結構實現多采樣率的信號的同時處 理。首先，通常情況下濾波器的濾波輸出是多個采樣率下的濾波結果的混合。其中包含一個 最大采樣率的濾波輸出，除此以外的輸出均是這個最大采樣率濾波輸出的降采樣。因此，在 本發明一實施例中，高斯濾波裝置包含一個濾波單元組(每組包含一個或多個濾波單元）， 濾波單元組的最大并行數據處理量(最大采樣率)即為待處理圖像的最大分辨率。
[0105] 濾波單元組的濾波結果就是最大采樣率下的濾波結果。將最大采樣率下的濾波結 果做降采樣處理，就可以得到多個不同采樣率下的濾波結果。即，濾波裝置還包含一個輸入 采樣器以及多個輸出采樣器，其中：
[0106] 輸入采樣器配置為對待處理圖像信號進行最大采樣率的采樣以輸出像素點模擬 信號到一個或多個濾波單元(濾波單元組）；
[0107] 濾波單元的節點結構配置與最大采樣率匹配；
[0108] 每個濾波單元連接到多個輸出采樣器，輸出采樣器配置為按照預設采樣率對濾波 單元輸出的信號進行采樣并輸出，對應同一濾波單元的不同的輸出采樣器的預設采樣率不 同。
[0109] 例如，在一具體應用實例中，待處理圖像分辨率為1024*1024。濾波裝置設置成包 含輸入采樣器A(對應分辨率1024*1024)以及輸出采樣器B(對應分辨率1024*1024)、C(對應 分辨率512*512)、D(對應分辨率256*256)。相應的，連接到輸入采樣器A的濾波單元具有 1024* 1024個輸入節點(輸出節點）。
[0110]連接到輸入采樣器A的濾波單元濾波后輸出1024*1024個像素點的濾波結果，輸出 采樣器B、C、D均連接到濾波單元，其對濾波單元的輸出結果進行采樣，分別輸出分辨率 1024*1024、分辨率512*512、分辨率256*256三個分辨率采樣下的濾波結果。
[0111] 進一步的，由于濾波單元的濾波尺度(濾波帶寬）是可以預先設置的。在本發明一 實施例中，在同一濾波裝置中構造多個具有不同濾波尺度濾波單元，這樣就可以實現同時 在不同的濾波尺度上進行濾波處理。
[0112] 具體的，濾波裝置中構造有一組濾波單元。每個濾波單元均連接到輸入采樣器，不 同的濾波單元的節點結構配置相同、濾波帶寬配置不同。
[0113] 綜合上述結構，在本發明一實施例中，濾波裝置的基本結構如圖6所示。光流探測 器601包含多個像素單元602、603、604、一。像素單元為光照傳感器，其感受光流信號，并將 光流信號轉換為電壓幅度信號。光流探測器601中的每個像素單元針對待處理圖像中的一 個像素，其將待處理圖像中的每個像素上的光流信號轉變為像素點模擬信號（電壓幅度信 號）。所有像素點模擬信號共同構成圖像模擬信號發送到濾波裝置600。
[0114] 濾波裝置600包含輸入米樣器605，輸入米樣器605對應最大分辨率。輸入米樣器 605連接到多個高斯濾波單元610、620、630、'"。高斯濾波單元610、620、630、一具有相同的 節點網絡結構，但是各個濾波單元的濾波帶寬不同。
[0115] 每個高斯濾波單元的輸出連接到多個輸出采樣器。例如，高斯濾波單元610連接到 輸出采樣器611、612、613、'"；高斯濾波單元620連接到輸出采樣器621、622、623、'"；高斯濾 波單元630連接到輸出采樣器631、632、633、···。連接到同一高斯濾波單元的輸出采樣器具 有不同的采樣率。
[0116] 在一般情況下，濾波裝置的輸出采樣器的最大采樣率與待處理圖形的最大分辨率 是一致的。因此，每個高斯濾波單元均連接到一個與待處理圖形的最大分辨率匹配的輸出 采樣器(命名為第一輸出采樣器）。在與同一高斯濾波單元連接的輸出采樣器中，除第一輸 出采樣器之外的所有輸出采樣器的采樣率均小于待處理圖形的最大分辨率。其采樣率為第 一輸出米樣器的降米樣。
[0117]以圖6所示的結構為例，假設待處理圖形為256X256的圖形，輸出采樣器611(第一 輸出采樣器)的采樣率就為256 X 256(由于高斯濾波單元610輸出的就是256 X 256個像素點 信號，那么輸出米樣器611可以簡化為256 X 256根信號連線，每根連線接收一個像素點信 號)。
[0118] 輸出米樣器612以及613為輸入米樣器611的降米樣，同時，也可以認為，輸出米樣 器613為輸出米樣器612的降米樣。
[0119] 假設在本實施例中，采樣率需求從最高采樣率開始，每個采樣率級別相對于上一 采樣率級別降低一半的采樣率，即從256X256降到128X256。那么輸出采樣器612的采樣率 為128 X 256，輸出采樣器613的采樣率為64 X 256。
[0120] 在圖6所示實例中，每個輸出采樣器均直接接收高斯濾波單元的輸出信號并對其 進行采樣。在本發明一實施例中，為了簡化結構，除第一輸出采樣器之外的所有輸出采樣器 均利用簡單的信號連線構造，其連接到第一輸出采樣器的輸出上，直接采樣第一輸出采樣 器的輸出。
[0121]接下來基于一具體的仿真應用驗證本發明的具體效果。選擇Spectre工具對電路 進行仿真，高斯金字塔在模擬域完成對輸入原始數據的多尺度濾波任務，處理時間即為電 路的建立時間。一般而言，若電路中無電容，電路可以極快達到穩定，其建立時間幾乎可以 忽略。但實際中的電路存在寄生電容，金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0S)的層間電容 等，因此在仿真過程中需要將這些因素考慮進來。對不同大小的寄生電容，其RC常數值不 同，電路所需的建立時間也不一樣，基于對電路寄生電容的實際估計，對幾種不同大小電容 環境下的電路建立時間進行仿真，其建立時間均為納秒級別。
[0122] 對電路能耗的影響起著重要作用的因素為濾波帶寬的大小，通過實驗驗證，濾波 帶寬和能耗成反相關，帶寬越大，能耗越低。以256x256像素的圖像為例，如果建立3層金字 塔，每層金字塔有5個不同尺度的二維電阻網絡，仿真統計每個像素的平均能耗以及整個高 斯金字塔的能耗與濾波帶寬的關系，金字塔最底層尺寸為256 X 256，中間一層為128 X 128， 最上層為64X64。對上述搭建的高斯金字塔進行計算時間和能耗的統計，整個金字塔建立 穩定時間（計算時間）為1 〇〇ps，總能耗為25.3p J。
[0123] 進一步的，對濾波電路(節點網絡，濾波單元）系統函數計算誤差統計與濾波帶寬 的關系的仿真結果如表1所示。
[0125] 表1
[0126] 綜合上述仿真結果可以看出，采用純模擬信號處理方式，充分利用器件特性和網 絡拓撲結構完成近高斯濾波效果，整個處理過程所需時間在納秒級別，其功耗約為幾十到 幾百皮焦，能耗極低;并且，其系統誤差(處理精度)也具有相當理想的表現。綜上，與現有技 術相比，使用本發明的裝置進行高斯濾波處理，不僅大大提高了處理速度，降低了處理能 耗，而且提高了處理精度。
[0127] 雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本發明而采 用的實施方式，并非用以限定本發明。本發明所述的方法還可有其他多種實施例。在不背離 本發明實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變或變 形，但這些相應的改變或變形都應屬于本發明的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高斯濾波裝置，其特征在于，所述裝置包含一個或多個濾波單元，所述濾波單元 包含m X η個輸出節點、m X η個中間節點以及m X η個輸入節點，其中： m和η為非0自然數，m和η的具體數值與所述濾波單元的最大并行數據處理量匹配，m X η 路待處理信號分別從mXn個所述輸入節點輸入，經濾波后分別由mXn個所述輸出節點輸出 m X η路濾波結果信號； 所述輸出節點分為組號為1~m的m組，每組包含編號1~η的η個輸出節點； 所述中間節點分為組號為1~η的η組，每組包含編號1~m的m個中間節點； 在組號相同的所述輸出節點/中間節點中，編號相差1的輸出節點/中間節點間通過一 個第一電阻相連，編號相差2的輸出節點/中間節點間通過一個第二電阻相連； 每個輸出節點對應一個中間節點，相對應的輸出節點的組號與中間節點的編號一致， 相對應的輸出節點的編號與中間節點的組號一致； 相對應的輸出節點與中間節點間通過一個第三電阻相連； 每個中間節點通過一個第三電阻與一個輸入節點相連； 所述第一電阻與所述第三電阻為正電阻，所述第二電阻為負電阻。2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一電阻、所述第二電阻和/或所述第三 電阻為等效電阻。3. 如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述濾波單元的濾波帶寬由所述第三電 阻的阻值大小所控制。4. 如權利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述濾波單元還包含圖像信號接 收器，所述圖像信號接收器配置為接收mXn個像素點模擬信號并將每個所述像素點模擬信 號分配輸入到一個所述輸入節點。5. 如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述圖像信號接收器配置為將每個所述像素 點模擬信號分配輸入到一個所述輸入節點，其中： 所述mXn個像素點模擬信號為來自同一待處理圖像的采樣信號； 按照像素點在所述待處理圖像上的相對位置分配所述像素點模擬信號，令所述像素點 的像素行號以及列號與所述中間節點或所述輸出節點的組號以及編號相匹配。6. 如權利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包含多個輸入采樣器，所述輸 入采樣器配置為對待處理圖像信號進行預設采樣率的采樣以輸出所述像素點模擬信號，其 中： 所述裝置包含多個所述濾波單元，所述輸入采樣器連接到所述濾波單元； 不同的所述輸入采樣器的預設采樣率不同，所述濾波單元的節點結構配置與其連接的 所述輸入采樣器的預設采樣率匹配。7. 如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述裝置包含多個所述濾波單元，其中： 每個所述輸入采樣器連接到一組所述濾波單元中的每一個所述濾波單元； 同一組所述濾波單元中不同的濾波單元的節點結構配置相同、濾波帶寬配置不同。8. 如權利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包含一個輸入采樣器以及多 個輸出采樣器，其中： 所述輸入采樣器配置為對待處理圖像信號進行最大采樣率的采樣以輸出所述像素點 模擬信號到一個或多個所述濾波單元； 所述濾波單元的節點結構配置與所述最大采樣率匹配； 每個所述濾波單元連接到多個所述輸出采樣器，所述輸出采樣器配置為按照預設采樣 率對所述濾波單元輸出的信號進行采樣并輸出，對應同一所述濾波單元的不同的所述輸出 采樣器的所述預設采樣率不同。9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置包含多個所述濾波單元，其中： 所有所述濾波單元的節點結構配置相同、濾波帶寬配置不同； 不同的所述濾波單元對應的所述輸出采樣器不同。
【文檔編號】G06T5/00GK106097265SQ201610405989
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】李義, 喬飛, 魏琦, 楊興華, 劉哲宇, 楊華中
【申請人】清華大學