基于双线性插值的GQIR量子图像的缩小与放大方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双线性插值的GQIR量子图像缩放线路的缩小与放大方法。从量子存储方式来看，它能表示任意尺寸的图像。从插值方法来看，它的缩放效果优于最近邻域插值方法。本发明专利技术适用于很多实际的图像处理应用领域，例如量子图像水印，都需要高效的量子图像缩放技术，并对量子计算理论完善和应用有重大意义。本发明专利技术同时披露了基于双线性插值的GQIR量子图像缩放线路的设计方法，以及实现它的量子线路设计图。设计图使用基本的量子比特门(包括量子比特受控门和单量子比特门)实现线路。

Reduction and amplification of GQIR quantum images based on bilinear interpolation

The invention discloses a narrowing and amplifying method of GQIR quantum image scaling circuit based on bilinear interpolation. In terms of quantum storage, it can represent any size of an image. From the interpolation method, the scaling effect is better than the nearest neighbor interpolation method. The invention is suitable for many practical image processing applications, such as quantum image watermarking, and requires efficient quantum image scaling technology, and has great significance for the perfection and application of the quantum computing theory. The invention also discloses the design method of the GQIR quantum image scaling circuit based on bilinear interpolation, and the quantum circuit design diagram of realizing the quantum image. The design uses the basic quantum gate (including qubit controlled gate and single qubit gate) to realize the circuit.

【技术实现步骤摘要】
基于双线性插值的GQIR量子图像的缩小与放大方法
本专利技术涉及量子图像处理，具体涉及一种基于双线性插值的GQIR量子图像的缩小与放大方法。
技术介绍
在计算机图像处理和计算机图形学中，图像缩放是指对数字图像的大小进行调整的过程。图像缩放是一种非平凡的过程，需要在处理效率以及结果的平滑度和清晰度上做一个权衡。当一个图像的大小增加之后，组成图像的像素的可见度将会变得更高，从而使得图像表现得“软”。相反地，缩小一个图像将会增强它的平滑度和清晰度。图像缩放有很多种算法。最简单的方法为邻域插值，这种方法在放大图像的同时保留了所有的原图像的所有信息，但是会产生锯齿现象。双线性插值的效果较邻域插值来得平滑，但是却使得图像变得模糊而且仍然会有一部分锯齿现象。双三次插值更好比双线性插值更好。量子图像缩放是将经典图像缩放与量子计算相结合。已经有一些论文对量子图像缩放进行了研究。2015年，SangJianzhi等人在论文Quantumrealizationofthenearest-neighborinterpolationmethodforFRQIandNEQR中提出了基于最近邻域的量子图像缩放，其中量子图像以FRQI或NEQR表示方式存储。2014年，JianNan等人在论文Quantumimagescalingusingnearestneightborinterpolation中提出了基于最近邻域的量子图像缩放，其中量子图像以INEQR表示方式存储；2015年，JiangNan等人在论文Quantumimagescalingupbasedonnearest-neighborinterpolationwithintegerscalingratio中提出了基于最近邻域的量子图像缩放，其中量子图像以GQIR表示方式存储；2017年，ZhouRigui等人在论文Quantummultidimensionalcolorimagescalingusingnearest-neighborinterpolationbasedontheextensionofFRQI中提出了基于最近邻域插值方法的量子图像缩放，其中量子彩色图像以MCQI表示方式存储。2017年，ZhouRigui等人在论文QuantumrealizationofthebilinearinterpolationmethodforNEQR中提出了基于双线性插值方法的量子图像处理，其中量子图像以NEQR方式存储。使用最近邻域插值方法虽然使得图像缩放速度快，但是图像缩放后的效果不如双线性插值方法。FRQI，MCQI等量子图像表示方式只能表示图像大小为2n×2n的图像，而且颜色信息以角度的形式存储，不便于重新获取颜色信息。NEQR量子图像表示方式虽然存储颜色信息的方式有所改进，便于重新获取颜色信息，但是它仍然只能表示图像大小为2n×2n的图像。在实际的图像处理中，常常需要处理H×W(H,W为任意正整数)的图像。
技术实现思路
本专利技术的目的是，设计一种基于双线性插值方法的GQIR量子图像的缩小与放大方法。同时并实现量子线路设计图。设计图使用基本的量子比特门(包括量子比特受控门和单量子比特门)。实现本专利技术目的的指导思想是，本专利技术充分发挥量子并行性和量子叠加性等量子计算的独特性能，利用量子线路来实现量子图像缩放。本专利技术的技术方案是，本专利技术将量子计算与经典图像缩放技术相结合，采用GQIR表示方式存储量子图像，使用双线性插值方法实现量子图像缩放。本专利技术的量子图像放大线路具体设计方案和步骤为：1.将双线性插值放大后的图像定义为目标图像，被双线性插值放大的图像定义为原图像。目标图像的空间坐标与原图像的空间坐标存在映射关系：其中H′×W′定义量子目标图像的尺寸，H×W定义量子原图像的尺寸。|Y′X′〉＝|Y′〉|X′〉＝|y0y1...yh-1〉|x0x1...xw-1〉,yi,xi∈{0,1}定义量子目标图像的空间坐标。|YX〉＝|Y〉|X〉＝|y0y1...yh-1〉|x0x1...xw-1〉,yi,xi∈{0,1}定义量子原图像的空间坐标。ry定义空间Y轴的缩放比例，rx定义空间X轴的缩放比例。2.量子可逆除法器对应的酉算子定义为UD。UD作用到|Y′〉,|ry>，可以推出其中表示空间Y轴的相对偏移量。同理，可以推出表示空间X轴的相对偏移量。3.目标图像中坐标(Y′,X′)的亮度定义为|CY′,X′>，亮度|CY′,X′>是由原图像中空间坐标(Y,X),(Y,X+1),(Y+1,X),(Y+1,X+1)对应的像素值以及步骤(2)中的相对偏移量决定的。其计算公式如下：其中，公式中的算术操作使用量子可逆线路，例如，减法操作使用量子可逆减法器实现，乘法操作使用量子可逆乘法器，除法操作使用量子可逆除法器操作。本专利技术的量子图像缩小线路具体设计方案和步骤为：1.将双线性插值缩小后的图像定义为目标图像，被双线性插值缩小的图像定义为原图像。目标图像的空间坐标与原图像的空间坐标存在映射关系：其中H′×W′定义量子目标图像的尺寸，H×W定义量子原图像的尺寸。|Y′X′>＝|Y′>|X′>＝|y0y1...yh-1>|x0x1...xw-1>,yi,xi∈{0,1}定义量子目标图像的空间坐标。|YX>＝|Y>|X>＝|y0y1...yh-1>|x0x1...xw-1>,yi,xi∈{0,1}定义量子原图像的空间坐标。ry定义空间Y轴的缩放比例，rx定义空间X轴的缩放比例。2.量子可逆除法器对应的酉算子定义为UD。UD作用到|Y>,|ry>，可以推出其中表示空间Y轴的相对偏移量。同理，可以推出表示空间X轴的相对偏移量。3.目标图像中坐标(Y′,X′)的亮度定义为|CY′,X′>，亮度|CY′,X′>是由原图像中空间坐标(Y,X),(Y,X+1),(Y+1,X),(Y+1,X+1)对应的像素值以及步骤(2)中的相对偏移量决定的。其计算公式如下：其中，公式中的算术操作使用量子可逆线路，例如，减法操作使用量子可逆减法器实现，乘法操作使用量子可逆乘法器，除法操作使用量子可逆除法器操作。本专利技术与现有方法比较的有益效果是：本专利技术的图像缩放适用于任意尺寸大小的量子图像，缩放比例可以是任意正整数。附图说明图1是n量子比特自加一线路；图2是n量子比特多个受控非门线路；图3是n量子比特加法器线路；图4是n量子比特减法器线路；图5是n量子比特乘法器线路；图6是n量子比特除法器线路；图7是黑箱操作线路；图8是量子图像放大线路；图9是量子图像缩小线路；具体实施方式为了简化量子图像缩放线路，封装一些具有特殊功能的量子线路。图1是n量子比特自加一线路，其实现功能是当输入的n量子比特a0×a1×…×an-1≠1情况下，n量子比特执行加一操作，否则不执行操作。单个加一模块的量子代价是O(2n+1)。图2是n量子比特多个受控非门线路，其实现功能是将输入的n量子比特yn-1yn-1…y0的信息复制到初始态全为|0>辅助量子比特。图3是n量子比特加法器线路，其实现功能是两个输入的n量子比特执行加法操作，单个加法器模块的量子代价是8n-4。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双线性插值的GQIR量子图像缩放线路的放大方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将双线性插值放大后的图像定义为目标图像，被双线性插值放大的图像定义为原图像；目标图像的空间坐标与原图像的空间坐标存在映射关系：

【技术特征摘要】
1.一种基于双线性插值的GQIR量子图像缩放线路的放大方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将双线性插值放大后的图像定义为目标图像，被双线性插值放大的图像定义为原图像；目标图像的空间坐标与原图像的空间坐标存在映射关系：其中H′×W′定义量子目标图像的尺寸，H×W定义量子原图像的尺寸；|Y′X′>＝|Y′>|X′>＝|y0y1...yh-1>|x0x1...xw-1〉,yi,xi∈{0,1}定义量子目标图像的空间坐标；|YX〉＝|Y〉|X〉＝|y0y1...yh-1〉|x0x1...xw-1〉,yi,xi∈{0,1}定义量子原图像的空间坐标；ry定义空间Y轴的缩放比例，rx定义空间X轴的缩放比例；(2)量子可逆除法器对应的酉算子定义为UD；UD作用到|Y′〉,|ry〉，可以推出其中表示空间Y轴的相对偏移量；同理，可以推出表示空间X轴的相对偏移量；(3)目标图像中坐标(Y′,X′)的亮度定义为|CY′,X′〉，亮度|CY′,X′〉是由原图像中空间坐标(Y,X),(Y,X+1),(Y+1,X),(Y+1,X+1)对应的像素值以及步骤(2)中的相对偏移量决定的；其计算公式如下：其中，公式中的算术操作使用量子可逆线路，即减法操作使用量子可逆减法器实现，乘法操作使用量子可逆乘法器，除法操作使用量子可逆除法器操作。2.一种基于双线性插...

【专利技术属性】
技术研发人员：周日贵，刘兴奥，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31