一種用于紅外圖像處理的可配置多功能數據路徑結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于圖像處理技術領域，更具體地，涉及一種用于紅外圖像處理的可 配置多功能數據路徑結構。
【背景技術】
[0002] 現有的空域濾波類操作都是基于模板或窗口的圖像處理操作，因此，這類操作也 可以被稱為基于窗口的處理操作。這類操作廣泛應用于紅外自動目標識別系統的中低層處 理算法中，例如中值、均值和高斯濾波，用于特征匹配的相關性估計、用于提取背景的圖像 差分等操作都可以用基于窗口的處理操作來描述。基于窗口的處理操作可用如下計算模型 表不：
[0003] s = Fe(Fs(A(x, y),B(x, y)))
[0004]M(x,y) =Fs(A(x,y),B(x,y))
[0005] 其中，A(x，y)和B(x，y)表示輸入的兩個圖像操作數；s表示標量結果；FK表示縮 減函數；?5表示標量函數;M(x,y)表示一個圖像結果（矩陣）。
[0006] 這樣，基于窗口的處理操作只需要指定三個參量：
[0007] 窗口模板：模板大小與從輸入圖像中提取出的窗口大小一致；
[0008] 縮減函數FK:應用于從輸入圖像中提取出的窗口，將生成的中間結果窗口縮減到 一個輸出結果；
[0009] 標量函數Fs:作用于每個像素的基本的灰度值。標量函數Fs通常是一組算術邏輯 操作，可以采用一個算術邏輯部件進行執行。即在兩個圖像之間或一個給定圖像上，重復地 執行專門的計算，例如加法、乘法、取絕對值或最大（小）值。
[0010] 雖然空域濾波類操作的數學表達式很簡單，但是其實現過程具有巨大的運算量和 存儲器訪問量，對以執行串行指令方式工作的處理器造成很大的計算負荷。以其中最常見 的二維卷積運算為例，以大小為7X7的窗口模板與一個512X512的圖像進行卷積運算，大 約需要2千5百萬次的算數運算和1千萬次對原始圖像數據的訪問。若要對30幀/秒的 圖像序列進行實時處理，該二維卷積運算要求處理器計算能力超過每秒1G次操作。這種計 算量使得當前普遍使用處理器運行軟件進行計算的方式遇到了速度瓶頸。同時，現有的紅 外圖像預處理應用往往只針對單一某種算法，缺少對不同算法的硬件復用解決方案。 【實用新型內容】
[0011] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供一種用于紅外圖像處理的 可配置多功能數據路徑結構，采用專用硬件電路實現窗口操作，滿足高性能紅外自動目標 識別算法對于實時性的需求。本實用新型對廣泛應用于圖像信息處理中的空域濾波類操作 的計算模型進行了分析，可對紅外圖像進行線性和非線性濾波，形態學濾波、分割等預處理 操作。在此基礎上，實現了一種可配置的基于該類操作的VLSI架構，該架構極大地實現片 上運算電路的可配置性，能夠進行不同的標量函數和縮減函數運算，能夠支持常見圖像處 理應用中的不同窗口運算操作，從SoC(SystemonChip,片上系統）角度考慮能夠更好地 滿足不同的圖像處理應用。
[0012] 本實用新型提供一種用于紅外圖像處理的可配置多功能數據路徑結構，包括控 制參數寄存器、中心控制邏輯、模板參數寄存器組、總線接口、差分運算單元、延遲線組、像 素選擇陣列、標量函數運算單元、縮減函數運算單元、輸出生成單元以及閾值分割單元，其 中：
[0013] 所述控制參數寄存器組，用于存儲控制工作方式的參數值；
[0014] 所述中心控制邏輯，用于控制所述數據路徑結構中各模塊，使其按照配置的方式 進行圖像處理操作；
[0015] 所述模板參數寄存器組，用于存儲窗口運算所用的模板參數值，并將存儲的參數 傳輸到所述標量函數運算單元和所述縮減函數運算單元進行運算；
[0016] 所述總線接口，用于和外部通過總線交互控制信息；
[0017] 所述差分運算單元，用于對輸入數據A和輸入數據B進行差分運算，其中，所述輸 入數據A為實時被處理的圖像數據，所述輸入數據B為用于差分運算的參考圖像數據；
[0018] 所述延遲線組，用于對圖像數據進行緩存，為窗口運算做準備；
[0019] 所述像素選擇陣列，用于完成圖像邊緣鏡像操作和窗口運算的像素選擇操作，并 將選擇出的像素數據送入所述標量函數運算單元；
[0020] 所述標量函數運算單元，用于預處理運算中的標量函數運算步驟；
[0021] 所述縮減函數運算單元，用于預處理運算中的縮減函數運算步驟；
[0022] 所述輸出生成單元，用于產生特定格式的輸出數據，所述特定格式包括幀起始信 號、數據有效信號和圖像像素數據；
[0023] 所述閾值分割單元，用于接收所述輸出生成單元的結果，并在所述中心控制邏輯 的控制下生成二值輸出數據。
[0024] 總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有 益效果：
[0025] (1)本實用新型由于使用了流水線的數據處理方式，數據處理速度大大增加，數據 吞吐率得到很大改善；
[0026] (2)本實用新型在數據路徑結構中實現最大程度的硬件資源的復用，可配置的特 性使得用最少資源增加了硬件的靈活性和應用范圍，同時應用流水線的結構使得數據路徑 的計算能力大大提升。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本實用新型用于紅外圖像處理的可配置多功能數據路徑結構的結構框圖；
[0028] 圖2為本實用新型差分運算單元的結構示意圖；
[0029] 圖3為本實用新型圖像邊緣鏡像的示意圖；
[0030] 圖4為本實用新型邊緣鏡像實現的硬件結構示意圖；
[0031] 圖5為本實用新型窗口中心像素處于第一行時的行鏡像示意圖；
[0032] 圖6為本實用新型窗口中心像素處于第一列時的列鏡像示意圖；
[0033] 圖7為本實用新型標量函數運算單元的具體結構示意圖；
[0034] 圖8為本實用新型縮減函數運算單元的示意圖；
[0035] 圖9為本實用新型縮減函數運算單元的內部結構圖；
[0036] 圖10為本實用新型每行5個元素求最大/最小和中值的單個排序網絡的結構示 意圖；
[0037] 圖11為本實用新型5X5窗口 25個元素求最大/最小和中值的排序網絡的結構 示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所 涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0039] 圖1所示為本實用新型用于紅外圖像處理的可配置多功能數據路徑結構的整體 結構框圖，其整個結構可分為兩大部分：控制邏輯和數據處理邏輯。其中，控制邏輯用于 存儲工作參數和控制數據路徑結構的工作模式和工作過程，并通過總線接口與外部進行交 互。數據處理邏輯，用于圖像預處理的計算。
[0040] 如圖1所示，控制邏輯包括：控制參數寄存器組、中心控制邏輯模板、參數寄存器 組以及總線接口。
[0041] 其中，控制參數寄存器組，用于存儲控制工作方式的參數值，包括工作方式寄存 器，用于存儲當前工作方式；變換參數寄存器和最大最小值參數寄存器，用于存儲卷積運算 線性變換參數；閾值寄存器，用于存儲閾值分割的所用閾值；像素個數寄存器，用于存儲當 前處理圖像的像素個數。控制參數寄存器組可由外部通過總線接口進行讀寫，其內各寄存 器組的值輸出到中心控制邏輯用于輔助控制數據處理；
[0042] 中心控制邏輯，用于控制數據路徑結構中各模塊，使其按照配置的方式進行特定 的圖像處理操作，中心控制邏輯的控制信號可控制數據處理邏輯的像素選擇陣列、標量函 數運算單元、縮減函數運算單元、輸出生成單元和閾值分割單元，同時也通過總線接口接收 到的輸入數據和控制參數寄存器組的值改變控制模式；
[0043]模板參數寄存器組，用于存儲窗口運算所用的模板參數值，在本實用新型實施例 中，寄存器組由7X7 (理論上可以選擇n為大于等于3的奇數，例如3X3、5X5,n越大則 性能越好，但是硬件資源消耗越多，選擇7可以滿足算法的精度要求并且將硬件資源消耗 保持在可以承受的范圍）個寄存器組成，寄存器組中的模板參數可由外部通過總線接口進 行讀寫，存儲的模板參數可輸出到數據處理邏輯的標量函數運算單元用于7X7(能保證精 度）的窗口運算，也可以輸出到數據處理邏輯的縮減函數運算單元用于5X5(能保證精度 時選擇小窗口減少硬件資源開銷）的窗口運算；
[0044] 總線接口，用于和外部通過總線交互控制信息。總線接口包括總線地址端口，讀數 據端口，寫數據端口。總線接口可以對控制參數寄存器組和模板參數寄存器組進行讀寫。在 本實用新型實施例中，外部總線的連接方式遵循wishbone總線協議。
[0045] 如圖1所示，數據處理邏輯包括：差分運算單元、延遲線組、像素選擇陣列、標量函 數運算單元、縮減函數運算單元、輸出生成單元以及閾值分割單元。
[0046] 其中，差分運算單元，其被配置用于對輸入數據A和輸入數據B進行差分運算，在 本實用新型實施例中，輸入數據A為實時被處理的圖像數據，輸入數據B為用于差