二维DFT域全相位数字滤波器实现方法技术

二维DFT域全相位数字滤波器实现方法。包括：将处理尺寸为M×L的二维图像分解成U×V个尺寸为N×N的子块，且满足M＝U×N和L＝V×N；子块内采用移动数据起始位置的方式实现数据元素更新，每计算完一个子块，同行的数据起始位置在列方向上前移下一个元素空间，将本次计算得到的N个数据相加得到行处理的结果，同时将最右端单位列延迟得到的N×N的子块输出暂存在buffer中，接着进行下一子块的滤波，如此循环往复直到行处理完毕。最后，将行和列方向上的输出相加得到第一行的输出结果。本发明专利技术综合考虑算法实现的时间和空间需求，特别适合处理速度的实现方式，既保证滤波器计算中数据的快速更新操作，又降低了运算时间成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于二维数字滤波器设计及数字图像处理

技术介绍
全相位概念被提出来以后，因其在设计系统传输特性时有效地弱化吉布斯现象， 并通过加窗而极大地减少频谱泄露等良好性能，在数据内插、谱分析、自适应信号处理等领 域不断得到应用。各种正交变换在不同变换域具有不同的物理意义，如DFT表达了信号空 间频率成分，DCT和DWT表达了信号基频分解，在压缩领域得到较广泛的应用。全相位与正 交变换相结合，已设计出傅立叶、余弦和沃尔什变换域的全相位数字滤波器并较好地改善 滤波器性能，如降低频率取样误差，基本消除一维信号分段及二维图像分块带来的截断误 差等。 目前对全相位的研究主要集中在一维信号，而在二维信号处理方面研究较少。目 前文献只对二维全相位进行了初步探究，而对于二维全相位的实现及特性没有进行系统分 析，且建立过程都是从行列两方向分别应用一维全相位来形成二维处理的方式。这种方法 的一个明显缺点是未考虑二维信号在斜向上的相关性，虽然保持了行和列向上的频率分 布，但无法处理斜向上的细节内容。
技术实现思路
本专利技术目的是解决二维全相位信号处理物理实现的问题，首次提出基于公式的算 法的物理实现方法，提供一种二维DFT域全相位数字滤波器设计与实现方法。 本专利技术在一维全相位信号处理方法的基础上， 1.理论推导出无窗、单窗和双窗模式下传输函数表达式； 2.设计出二维全相位处理的系统实现框图，并对算法复杂度进行了优化分析； 3.对二维全相位信号处理的性质进行了分析。 本专利技术提供的二维DFT域全相位数字滤波器实现方法的具体步骤是： 第1步、将处理尺寸为MXL的二维图像分解成为UXV个尺寸为NXN的子块，且 要求满足M = UXN和L = VXN，其中U，V为整数，N为子块长度； 第2步、将第一行的起始N个子块分别经过α变换（本专利技术具体为DFT变换），乘 以系统传输特性Η，及反变换后依此存储在N个列延迟器Ζ。中，缓存器buffer及列延迟器 Z。的初始状态均为0 ; 第3步、将起始N个数据块相加得到第一行第一个子块的输出y(0, 0)，并将最后帧 的运算结果存储到buffer中； 第4步、行方向上向前移动一个像素并重复第2步和第3步的运算直到达到行最 右边的元素，这样，依此得到M+N-1个帧的输出以及第一行M个子块的输出y (0, V); 第5步、在行方向上向前移动一个像数，重复第2步~第4步，得到第二行M个子 块的输出y(l, V)，在列方向上重复此过程计算N个列方向上的输出结果，求和y(i, V)，i = 1，2,…，N得到第一行的全相位滤波器输出； 第6步、舍去第一行的结果，将第二行的结果存储在第一行位置，将第三行的结果 存储在第二行位置……，计算第N+1行，得到输出后重复第2步~第5步得到第二行的全相 位滤波器输出，依此重复，从而得到整体输入图像的二维全相位滤波器处理的输出结果。 第2步至第6步所述的子块内部数据元素的动态更新的具体操作是：行方向上将 前面处理的数据帧存储到大小为VXNX (M+N-1)中，列方向上延迟（M+N-1)列后，buffer内 容由前向后临近更新，实现了数据的逐次移动。 此外，本实现方法也提供了一种计算方法的优化。对于同行的相邻点'^Pxli ]+1， 对应输出Y1, j和y ^+1具有如下关系。（A μ是全相位变换基） 即相邻像素全相位处理输出差分正比于对应输入块X的差分。同一行的任意点输 出等于， 对于同列相邻点Xli j和X 1+li j，对应输出yii j和y 1+li j具有如下关系。 上式（3)表明，隔行的输出由两部分组成，第一部分是新增行对于全相位基行的 差分与x(1+1'])加权和，第二部分是上一行元素全相位基与X (1'])加权求和后除去第一行。其 中第二部分已经在上一行处理中计算出来，因此可重复利用。 本专利技术的优点和积极效果： 本专利技术首次实现了二维全相位信号实时处理方法，对于连续的输出可以产生连输 的输出；具有可扩展性，本专利技术是基于DFT域，对于其他变换域只需要调整正交变换单元即 可；具有级联性，对于三维、四维等更高维度的信号处理，借助本专利技术的成果，可以通过串联 的方式实现。 计算方面的优化，二维全相位处理实质上是通过滑动数据来对准某像素& ,后即 得到对应输出yu。考虑到图像信号的空间相关性以及为充分利用相邻行或列的重复部分， 可做进一步优化处理。使得计算量降低2/3。【附图说明】 图1是二维全相位行信号处理框图。 图2是二维全相位行信号处理封装模块。 图3是二维全相位信号处理系统图。 图4是二维全相位滤波器实现系统特性图。【具体实施方式】 本专利技术所述的二维DFT域全相位数字滤波器实现方法，参见附图1~3所示，具体 包括以下步骤： 步骤1 :将处理尺寸为800X800的二维图像分解成为100X 100个尺寸为8X8的 子块，8为子块长度； 步骤2、将第一行的起始8个子块分别经过DFT变换，乘以系统低通传输特性H，及 反变换后依此存储在8个列延迟器中，缓存器buffer及列延迟器Z。的初始状态均为0 ;传 统特性H如下定义： 步骤3、将起始8个数据块相加得到第一行第一个子块的输出y (0, 0)，并将最后帧 的运算结果存储到buffer中； 步骤4、行方向上向前移动一个像素并重复上述过程直到达到行最右边的元素，这 样，依此得到807个帧的输出以及第一行800个子块的输出y (0, V)。 将此过程用原理图来表示，参考附图1。并将此过程封装成子系统，参考附图2。其 中，符号ap2Ff表示图1对应的二维DFT全相位行处理子系统，输入是8个尺寸大小为8 X 8 的子块，输出是行处理结果y (i，V)，i表示行号；缓存器的输入和输出是通过级联的方式实 现列处理结果的替换和更新，其中"缓存器ιη"是前面临近的行处理结果，"缓存器是本 子系统处理结果； 步骤5 :在行方向上向前移动一个像数，重复2步骤2~步骤4,得到第二行800个 子块的输出y(l, V)，在列方向上重复此过程计算N个列方向上的输出结果，求和y(i, V)，i =1，2,…，N得到第一行的全相位滤波器输出； 步骤6、舍去第一行的结果，将第二行的结果存储在第一行位置，将第三行的结果 存储在第二行位置……，计算第9行，得到输出后重复步骤2~步骤5得到第二行的全相位 滤波器输出，依此重复，从而得到整体输入图像的二维全相位滤波器处理的输出结果。 借助图2实现步骤3,如图3。其中，Χ(1·ν)是（i = 1，2,…，8)8行输入信号，Z。是 单位列延迟器，每经过807Ζ。后，buffer的数据得到更新； 按照本专利技术实现的全相位数字滤波器得到的特性曲面如图4。可看出，全相位处理 幅频特性主瓣能量更加集中且旁瓣分布大幅减少，全相位谱幅值恒为正。【主权项】1. 二维DFT域全相位数字滤波器实现方法，其特征在于提供了二维全相位数字滤波器 的物理实现；该方法的具体步骤是： 第1步、将处理尺寸为MXL的二维图像分解成为UXV个尺寸为NXN的子块，且要求 满足M=UXN和L=VXN，其中U，V为整数，N为子块长度； 第2步、将第一行的起始N个子块分别经过a变换，乘以系统传输特性H，及反变换后 依此存本文档来自技高网...

【技术保护点】
二维DFT域全相位数字滤波器实现方法，其特征在于提供了二维全相位数字滤波器的物理实现；该方法的具体步骤是：第1步、将处理尺寸为M×L的二维图像分解成为U×V个尺寸为N×N的子块，且要求满足M＝U×N和L＝V×N，其中U,V为整数，N为子块长度；第2步、将第一行的起始N个子块分别经过α变换，乘以系统传输特性H，及反变换后依此存储在N个列延迟器Zc中，缓存器buffer及列延迟器Zc的初始状态均为0；第3步、将起始N个数据块相加得到第一行第一个子块的输出y(0,0)，并将最后帧的运算结果存储到buffer中；第4步、行方向上向前移动一个像素并重复第2步和第3步的运算直到达到行最右边的元素，这样，依此得到M+N‑1个帧的输出以及第一行M个子块的输出y(0,v)；第5步、在行方向上向前移动一个像数，重复第2步～第4步，得到第二行M个子块的输出y(1,v)，在列方向上重复此过程计算N个列方向上的输出结果，求和y(i,v),i＝1,2,…,N得到第一行的全相位滤波器输出；第6步、舍去第一行的结果，将第二行的结果存储在第一行位置，将第三行的结果存储在第二行位置……，计算第N+1行，得到输出后重复第2步～第5步得到第二行的全相位滤波器输出，依此重复，从而得到整体输入图像的二维全相位滤波器处理的输出结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏飞，段宇翔，陈强，潘璐，于嘉诚，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12