Giáo trình xử lý ảnh y tế Tập 4 P10 pdf

416

bit địa chỉ từ 5 cho F
k0
~
và 6 cho F
k1
~
và F
k2
~
. Cho các hệ số cố định, có thể dùng
bộ nhớ chỉ đọc (ROM) hoặc bộ nhớ lập trình có khả năng xoá được
(EPROM).
Sơ đồ thực hiện của các khối cho trong hình 16.2. Mạch điện hoạt động như
sau:

1. Đầu vào cho các EPROM là các bit của giá trị đầu vào hiện tại và 8 giá trị
đầu vào trước và tám giá trị giá trị đầu ra rút ra từ mạch điện hình 16.1.
2. Các bit này dùng như địa chỉ đầu vào của ba EPROM của mạch điện hình
16.2.
3. Các giá trị đầu ra từ mỗi EPROM là một giá trị L-bit biểu diễn cho F
k0
~
,
F
k1
~
hoặc F
k2
~

.
4. Nếu L là số các bit biểu diễn dữ liệu vào / ra, thì tại điểm bắt đầu của mỗi
chu kỳ xung nhịp L các phần tử tích luỹ từ ACC1 đến ACC3 được xoá.
5. F
k0
~
, F
k1
~
, và F
k2
~
là giá trị cho k = L.
Chú ý là

00
~
,0
~
1
2
1,0
~
1
2
01
~
1
2
~

) )2.(2 (2),( FFFFmny
KK
I




(16.14)
và tương tự cho y
II
(n,m) và y
III
(n,m).
6. F
k0
~
, F
k1
~
và F
k2
~
được cộng (cộng phần bù hai) với ACC1, ACC2, và ACC3.
7. ACC1, ACC2, và ACC3 được dịch phải 1 bit (một dịch phần bù hai).
8. Các bước 5 và 6 được lặp lại với k = L - 1, L - 2, , 1.
9. Tiếp theo,
F
00
~
,

F
10
~
và
F
20
~
được đọc từ các EPROM và được trừ với ACC1,
ACC2, và ACC3.
10. Các giá trị chứa trong ACC1, ACC2, và ACC3 bây giờ được cộng bit với
bit qua một thanh ghi dịch vào song song ra nối tiếp (PISO) để thành
y(n,m).

Dạng cấu trúc trong sơ đồ hình 16.1 và 16.2 biểu diễn một dạng đơn giản
của chức năng bộ lọc IIR 2  2, 2-D. Cấu trúc yêu cầu L + 1 chu kỳ xung nhịp
để tạo ra một tín hiệu đầu ra. Chu kỳ xung nhịp được điều khiển bởi thời gian
xử lý cho EPROM, thời gian trễ cho các phần tử cộng và trừ, thời gian trễ cho
các thanh ghi dịch, Các yếu tố này có thể giới hạn tốc độ ra thấp hơn tốc độ
video. Vì vậy, các bộ bộ chức năng tốc độ cao có khả năng xử lý đồng thời cho
tất cả các bit đầu vào và đầu ra được đề cập đến ở phần dưới đây.
16.2.3 Xử lý đồng thời
Các thao tác đồng thời có khả năng xử lý song song cho (L+1) đầu vào và
đầu ra tại một thời điểm. Điều này có thể thực hiện dễ dàng bằng cách thay 12
417

thanh ghi dịch (SR1-SR12), là các thanh ghi kiểu vào nối tiếp ra nối tiếp
(SISO) bằng các thanh ghi dịch kiểu vào song song ra song song (PIPO), và
các dây trễ bằng kiểu vào song song ra song song. L + 1 bit dữ liệu vào ra có
thể xử lý đồng thời dùng các phần tử thực hiện dạng song song. Một phần tử
chức năng song song cho y n m

I
~
( , ) được cho trong hình 16.3. Các phần tử chức
năng cho y n m
II
~
( , ) và y n m
III
~
( , ) được phát triển một cách tương tự. Chú ý là
tần số xung nhịp được điều khiển bằng khoảng thời gian trễ lớn nhất, dẫn L bit
đến đầu ra. Tất cả các cấu trúc này quá tốn kém cho thực hiện, và tất cả có thể
là không thực tiễn. Vì vậy, một cấu trúc chức năng khác, mà chúng ta đề cập
đến ở phần cuối, sẽ yêu cầu ít phần cứng hơn và cho ta một tốc độ đáp ứng
nhanh hơn.
Hình 16.3 Cấu trúc song song cho
),(
~
mny
I
.
Thực hiện bộ lọc FIR. Một hàm truyền đạt của bộ lọc FIR 2-D được cho
bởi


 


N
i

N
j
ji
ij
zzazzH
0 0
2121
),( (16.15)
Cho bộ lọc có kích thước 10  10 mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được
cho bởi
418



 

10
0
10
0
),(),(
i j
ij
jminxamny (16.16)
mà có thể viết thành




10

0
),(),(
i
i
mnymny (16.17)
Ở đây



10
0
),(),(
j
iji
jminxamny
(16.18)
Thực hiện của bộ lọc bậc 10 được giới thiệu trong hình 16.4. Hoạt động của
bộ lọc này giống như hoạt động của bộ lọc IIR. 11 bảng tra cứu trong khối xử
lý giới thiệu trong hình 16.5 có kích 2048  L bit. Trong hình 16.4 có cả mạch
điện của các khối trong bảng tra cứu. Mạch điện cho tổng quát cho bảng tra
cứu được giới thiệu trong hình 16.6, và hoạt động của nó được trình bày ở
phần tiếp theo.
Hình 16.4 Bộ lọc 2-D kích thước 10.
Chức năng tạo bảng tra cứu là tạo ra tất cả các giá trị có thể của F
ik
~






10
0
~~
),(
j
k
ijik
jminxaF (16.19)
ở đây x
k
(n-i,m-j) có thể là 0 hoặc 1, và i = 0, 1, 2, , 10.
419

Để tạo F
k0
~
các hệ số {a
00
, a
01
, a
02
, , a
0,10
} được nạp ban đầu vào 11 thanh
ghi L bit, bộ đếm 11 bit được xoá sạch, và dòng
R
W
/

trong bảng nhớ tra cứu
được xoá về 0 (viết). Bộ đếm 11 bit, được đánh địa chỉ 2k  L R/W bộ nhớ
(bảng tra cứu) và 11 cổng AND, được tăng tốc độ f/L, ở đây f là tần số xung
nhịp. Các thanh ghi chứa các hệ số { a
00
, a
01
, a
02
, , a
0,10
} được dịch ra nối
tiếp tại tốc độ f bit/sec.
Mạch điện này hoạt động như sau:

1. Khi bộ đếm tăng lên 1 nó đánh địa chỉ trong bảng tra cứu. a
00
chỉ là hệ
số mà cho phép đưa qua mảng cổng AND vào bộ cộng 11 bit nối tiếp, và
qua thanh ghi SIPO được đặt trên đường vào/ra của bộ nhớ R/W, và
chứa trong bộ nhớ thứ hai.
2. Bộ đếm tiếp theo được tăng lên 2 (000 10 trong hệ nhị phân), và được
đánh địa chỉ trong vùng nhớ thứ 3 trong bảng tra cứu, và tương tự như
bước trên a
01
được chứa vào vùng thứ ba.
3. Bộ đếm được tăng lên 3 (000 11 trong hệ nhị phân). a
00
và a
01

bị lấy ra
khỏi bộ cộng 11 bit, được cộng và chứa vào thanh ghi dịch SIPO để
chứa vào vùng thứ tư của bộ nhớ R/W.
4. Tiếp tục cho đến khi bộ đếm trở về 0, là vào lúc này bảng tra cứu sẽ
chứa tất cả các tổ hợp của F
k0
~
.
5. Tiếp theo dây
R
W
/
được đặt bằng 1 nên F
k0
~
có thể đọc từ bộ nhớ R/W.
Hình 16.5 Đơn vị xử lý cho bộ lọc FIR của hình 16.4

420

Bài tập 16.1 Phát triển một chương trình C cho phép tạo ra các phần tử
của bảng tra cứu cho các hệ số của một bộ lọc IIR hoặc là FIR.

Bài tập 16.2

1. Dùng chương trình phát triển trong cuốn sách thiết kế một bộ lọc 2 x2
xấp xỉ bộ lọc thông cao tuần hoàn đối xứng có điểm cắt tần số là 1 rad/sec.
Dùng đặc tuyến của hàm Butterword bậc 1.
2. Cắt bớt các hệ số thành 11 bit, và in đáp ứng biên độ và đáp ứng pha.
So sánh với bộ lọc chưa bị sửa đổi.

3. Tạo ra bảng tra cứu cho kiến trúc nối tiếp và cung cấp một ví dụ cho
hoạt động của mạch điện.

Bài tập 16.3 Thiết kế một sơ đồ mạch điện tạo ra bảng tra cứu cho một
bộ lọc IIR 2  2.


Hình 16.6 Bộ tạo bảng tra cứu cho bộ nhớ R/W
Kiến trúc chúng ta nghiên cứu được phát triển ban đầu bởi Peled và Liu cho
trường hợp 1 chiều, và được mở rộng ra hai chiều bởi tác giả. Một cấu trúc
tương tự nhưng kém đơn giản được phát triển bởi Jaggernauth và một số người
khác cho thực hiện bộ lọc IIR 2  2 và được thực hiện bằng phần cứng. Giá
của phần cứng này là trên $2000, và thiết kế này không có khả năng cho tốc độ
video thời gian thực.
421

Tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc pipeline, một cấu trúc mà đã trở
nên thông dụng hơn cấu trúc mà chúng ta mới xem xét vừa rồi. Trước khi
chúng ta xem xét cấu trúc này, một phân tích về ứng dụng của hệ thống
pipeline thông dụng nhất trong công nghiệp được trình bày ở đây.
16.3 Xử lý pipeline
Xử lý pipeline tương tự như ý tưởng dây chuyền sản xuất của Henry Ford
cho sản xuất ô tô. Chức năng của dây chuyền sản xuất này là tìm cách sản xuất
ra nhiều nhất số ôtô có thể trong một công việc chuyển động. Để bạn có thể có
thể hình dung công việc này như thế nào, chúng tôi sẽ mô tả một hệ thống
pipeline tự động. Việc sản xuất ra một chiếc ôtô được chia ra làm nhiều công
đoạn. Mỗi công đoạn này chiếm một thời gian xấp xỉ nhau trong sản xuất. Các
công đoạn này do người và máy tiến hành tại một vị trí trên dây truyền gọi là
ngăn. Và bây giờ hình dung các công đoạn sau.
Tại nơi bắt đầu của một dây chuyền sản xuất một khung trống được đưa

vào. Trong ngăn đầu tiên các bộ phận đầu tiên được lắp ghép vào, và trong
thuật ngữ kỹ thuật nó gọi là phần cơ khí (xem hình 16.7). Trong ngăn tiếp theo
một bộ phận khác được lắp ráp, và dây chuyền cứ như vậy tiếp tục chuyển
động. Nó tiếp tục chuyển động cho đến cuối dây chuyền. Tại ngăn trước ngăn
cuối cùng, nắp sau của xe được lắp vào. Tại ngăn cuối cùng của công đoạn
hoàn thiện, các khung cửa xe được lắp ráp. Tại cuối dây chuyền một chiếc xe
được lắp ráp hoàn thiện và cứ tiếp tục như vậy. Nhìn vào sự sắp xếp của dây
chuyền lắp ráp ô tô chúng ta nhận thấy nếu mỗi ngăn gây trễ một phút, và dây
chuyền có khả năng sản xuất một chiếc xe trong một phút thì có 60  8 = 480
xe dịch chuyển.

Hình 16.7 Dây chuyền lắp ráp ô tô tự động.