[发明专利]硬件实现导向滤波的优化系统和方法

权利要求书

1.一种硬件实现导向滤波的优化方法，其特征在于，导向滤波中的均值滤波模块采用偶数滤波窗口，且满足滤波窗口W＝2²ⁿ，其中n＝{1，2，3}，硬件实现导向滤波包括有如下步骤：

(1)利用均值滤波模块的局部图像缓存单元产生输入图像的局部图像：本发明采取流水线设计，在系统时钟和数据有效使能信号的控制下，把输入图以串行方式输入局部图像缓存单元I_Buf，将产生大小为N*N局部图像，N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

(2)同步输入图像数据：将局部图像缓存单元最后一级FIFO的输出端数据写入数据同步器FIFO1；

(3)运用右移位运算的除法特性通过所述均值滤波模块完成均值滤波并通过方差计算模块计算方差σ²：将输入图像作为导向滤波中的导向图，运用右移位运算的除法特性完成均值滤波中的除法运算，并计算方差，方差计算的具体步骤：

(3.1)计算局部图像均值的平方对局部图像中所有像素求和，并右移2n位得到平均值，n＝{1，2，3}，然后将平均值写入数据同步器FIFO2，并对作平方运算得到局部图像均值的平方

(3.2)计算局部图像平方的平均值对局部图像进行平方运算，得到一个大小为N*N的矩阵I²，对该矩阵中所有元素求和，并右移2n位得到局部图像平方的平均值其中N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

(3.3)根据局部图像均值的平方以及局部图像平方的平均值计算方差σ²；

(4)基于一次项系数计算模块和常数项计算模块，根据方差σ²以及一个确定的平滑系数ε求解导向滤波中一次项系数a及常数项b：首先采用分段一次函数拟合方式逼近a系数曲线，然后基于多路选择器和移位加法器完成分段一次函数的硬件实现，最终通过输入方差即可得到导向滤波中一次项系数a，最后通过数据同步器FIFO2输出的局部图像的平均值与a系数算出常数项b；

(5)基于一次项系数均值滤波模块和常数项均值滤波模块，对一次项系数a及常数项b均值滤波：将a，b数据分别输入到系数缓存器a_Buf，b_Buf，缓存器结构与I_Buf相同，在系统时钟和数据有效使能信号的控制下，将产生两个大小为N*N系数矩阵，分别存放于a_Buf和b_Buf的滤波窗口中，分别对滤波窗口中所有元素求和，运用右移位运算的除法特性，右移2n位算出对应的出平均值与其中N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

(6)利用输出级计算模块，计算输出结果q完成导向滤波：根据数据同步器FIFO1输出的数据与一次项系数a及常数项b的局部平均值得到导向滤波输出结果q；

采取流水线设计，添加系统时钟和数据有效使能信号进行控制，上述步骤完成一个像素的计算，在第一个输出结果之后，每一个数据有效时钟周期输出一个计算结果，在系统时钟和数据有效使能信号进行控制下，最终完成整张图像的导向滤波。

2.根据权利要求1所述的硬件实现导向滤波的优化方法，其特征在于，步骤3.2中所述的计算局部图像平均值的公式如下：

步骤3.3中计算局部图像平方图的平均值的公式如下所示：

其中，W为滤波窗口大小，I_i,j表示在滤波窗口中第i行第j列像素值，表示在滤波窗口中第i行第j列像素值的平方，N为局部滤波窗口宽度，N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’为右移位运算符，局部图像为滤波窗口中的图像。

3.根据权利要求1所述的硬件实现导向滤波的优化方法，其特征在于，采用分段一次函数拟合方式逼近导向滤波中求解一次项系数a的曲线，表达式如下所示：

s为分段函数段数，k_i表示第i段的斜率，b_i表示第i段的截距，ε为平滑系数，x为图像数据位宽，σ²为局部图像的方差。

4.根据权利要求1所述的硬件实现导向滤波的优化方法，其特征在于，一次项系数a及常数项b均值滤波公式如下所示：

其中，W为滤波窗口大小，为均值滤波输出结果，a_i,j，b_i,j分别表示在滤波窗口中第i行第j列一次项系数a的值和常数项b的值，N为滤波窗口宽度，N＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’为右移位运算符。