SAYISAL İMGELERDEKİ DÜRTÜ GÜRÜLTÜSÜNÜN GİDERİLMESİ İÇİN CCII TABANLI ANALOG DEVRE TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 SAISAL İMGELERDEKİ DÜRTÜ GÜRÜLTÜSÜNÜN GİDERİLMESİ İÇİN CCII TABANLI ANALOG DEVRE TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Pınar ÇİVİCİOĞLU 1 Mustafa ALÇI 1 Ercies Üniversitesi, Sivil Havacılık üksekokulu, Uçak Elektrik-Elektroniği Bölümü, 38039, Kaseri Ercies Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektronik Mühendisliği Bölümü, 38039, Kaseri 1 e-posta: civici@erciesedutr e-posta: malci@erciesedutr Anahtar söcükler:dürtü Gürültüsü, Analog Ortanca Sügeçler, Akım Taşııcılar ABSTRACT In this paper, a new analog median filter has been proposed for the suppression of impulsive noise in digital images The proposed filter is based on current conveors, which are known as versatile current-mode analog building blocks The impulsive noise suppression capabilit of the proposed filter has been eamined over the Butterfl test image for the impulsive noise densit of 10% In order to evaluate the performance of the proposed filter, it is compared with the analog median filter circuit, which was proposed b Opris and Kovacs The simulation results show that the proposed filter achieves noise suppression and detail preservation ver well and the restoration performance of the proposed filter is better than the performance of the filter proposed b Opris and Kovacs 1 GİRİŞ Gürültü, işaretlerin boulmasına sebep olan istenmeen etkilerdir İmgeler üerinde oluşan gürültü, imgenin kameraa alınması ve kanaldan iletimi sırasında işarete karışır Ölçüm hatası, sensör gürültüsü, film parçalarının dügün olmaması ve atmosferik olalar nedenile oluşan dalgalanmalar gibi çok değişik etkenler gürültüe sebep olurlar [1] Uamsal sügeçler, saısal işaretlerde değişik tiplerdeki gürültülerin süülmesinde başarıla kullanılabilmektedir Uamsal sügeçler, genellikle 33 ten 1111 e kadar olan küçük komşuluklarda çalışırlar Uamsal sügeçlerin gürültü kaldırmada kullanılan başlıca iki çeşidi, sıralı (order) sügeçler ve ortalama (mean) sügeçleridir Sıralı sügeçlerde, komşu pikseller gri-ölçek değerlerine göre küçükten büüğe doğru sıralanırlar ve bu sıra kullanılarak doğru değer seçilir Ortalama sügeçlerinde ise komşu piksellerin gri-ölçek değerlerinin ortalaması alınır Ortalama sügeçleri, Gauss gürültüsü ve dügün dağılımlı gürültünün kaldırılmasında ii sonuç verirken sıralı sügeçler (öellikle ortanca sügeç), tu ve biber gürültüsü, negatif üstel gürültü ve Raleigh gürültüsünün kaldırılmasında başarılıdırlar [] Sıralı sügeçler içerisinde en kullanışlı olanı, ortanca sügeçtir ve dürtü gürültüsünün kaldırılmasında başarılı sonuçlar verir Ortanca sügeç, küçükten büüğe doğru sıralanmış pikseller içerisinden tam ortada bulunanı seçer [1] Ortanca tipi sügeçlerin imge işleme ugulamalarında dürtü gürültüsünün süülmesinde kullanımının artmasıla birlikte eşamanlı ugulamalar için ortanca sügeç apılarının gerçekleştirilme gereksinimi ortaa çıkmıştır [3, 4] Son amanlarda ortanca sügeçlerin dijital olarak gerçekleştirilmesi için çeşitli çalışmalar apılmıştır, ancak analog ortanca sügeç üerinde apılan çalışmalar çok adır Dijital ortanca sügeçler oldukça popüler olmalarına rağmen, eşamanlı olarak gerçekleştirilmeleri pahalıdır çünkü bu tip sügeçler, ortanca değer bulunurken her piksel için bir sıralama işlemi gerektirirler ve dolaısıla ihtiaç dudukları devre, oldukça karmaşık bir apıa sahiptir [5] Osa analog ortanca sügeç apılarında işlem hıı daha faladır ve gereken silikon alanı daha adır Arıca, analog ortanca sügeçler üksek hıa sahip pahalı A/D ve D/A konvertörlerin kullanımına gereksinim duma Tek bir kırmık üerine entegre edilebilirler ve daha a güç harcarlar [6, 7] Bütün bu sebeplerden dolaı,

2 analog ortanca sügeç apıları dijital ortanca sügeç apılarına tercih edilebilir [8, 9] Bu çalışmada, CCII tabanlı eni bir analog ortanca sügeç apısı tasarlanmış ve bu devrenin imgelerdeki dürtü gürültüsünü süme işleminde gösterdiği performans incelenmiştir Tanıtılan devrenin imgelerde bulunan dürtü gürültüsünü giderme başarısı, literatürde Opris ve Kovacs tarafından tanıtılmış olan analog ortanca devrenin gösterdiği başarı ile kıaslanmıştır Devre apılarının benetiminden elde edilen onarım sonucu, MSE (Karesel Ortalama Hata), Corr (Pearson Korelason Katsaısı) ve PSNR (Tepe Sinal-Gürültü Oranı) performans ölçütleri kullanılarak hesaplanmıştır Kullanılan PSNR ölçütü şöle tanımlanır: OPRIS VE KOVACS TARAFINDAN TANITILAN ANALOG ORTANCA SÜZGEÇ DEVRESİ Opris ve Kovacs tarafından tanıtılan analog ortanca sügeç devresi [10], Şekil-1 de verilmiştir Devrede, üç adet diferansiel kuvvetlendirici, M 1 -M 6 nmos transistörlerinden oluşan ortanca değeri seçici devre ile geri beslemeli olarak bağlanmıştır Şekil- de, tanıtılan devrenin arıntısı verilmiştir Devrede, sadece bir adet diferansiel kuvvetlendirici ve bir adet sıra seçici kol gösterilmiştir Tamamen simetrik bir apı elde etmek için her bir sıra seçici kol, 4 adet nmos transistörü (M 11 -M 1 ve M 1 -M ) kullanılarak gerçekleştirilmiştir Şekil-1 deki devrei elde etmek için Şekil- deki devreden üç adet kullanmak gerekmektedir PSNR= Ima 10 log 10 db (1) MSE V in1 A 1 A V out I ma değeri, referans imgenin en büük gri-ölçek değeridir Karesel ortalama hata değerinin (MSE) hesaplanmasında, V in A B M 1 M M 3 M 4 M 5 M 6 MSE= 1 ( i j Si j MN,, ) i= 1 j= 1 () V in3 A 3 C ifadesi kullanılır Burada M imgenin ata boutundaki, N ise dike boutlundaki toplam piksel saısıdır S i, j orijinal imge pikselleri, i, j ise süülmüş imge pikselleridir [8] Şekil-1 Opris ve Kovacs tarafından tanıtılan analog ortanca sügece ait devre [10] Pearson korelason katsaısı değeri Corr, ( S Corr = ( S S ) ( ) (3) S ) ( ) 100 A µ I bias 10 ma V in1 M 101 M 10 ile verilir Burada, M 103 M 104 M 109 S = S ve = (4) bias M 105 M 106 A R C M 11 C C 0 k 35 pf Ω M V out kullanılarak hesaplanır S orijinal imge pikselleri, ise süülmüş imge pikselleridir M 110 B M 1 M 1 M 107 M 108 Şekil- Şekil-1 de verilen devrenin arıntılı şeması

3 3 DÜRTÜ GÜRÜLTÜSÜNÜN GİDERİLMESİ İÇİN TASARLANAN ANALOG ORTANCA SÜZGEÇ DEVRESİ Akım taşııcıların büük band genişliği, üksek hı ve doğruluk gibi sağlamış oldukları üksek performans öelliklerinden dolaı, dürtü gürültüsünün giderilmesinde kullanılmak üere tasarlanan devre apıları, akım taşııcılar kullanılarak tasarlanmaa çalışılmıştır Devre tasarımında sağlamış oldukları esneklikler sebebile CCII lar tercih edilmiştir Giriş işaretlerinin ortancasını bulmak üere tasarlanan devre apısı, Şekil-3 te verilmiştir Giriş işaretleri V A, V B ve V C olarak gösterilmiştir Devrenin çalışması şu şekilde gerçekleşmektedir: Devrenin girişinde kullanılan kıaslaıcı (komparator) lar, giriş ucula giriş ucu arasındaki işaretleri kıaslamaktadır girişteki işaret, girişteki işaretten büük olduğunda kıaslaıcının çıkışından 13 V, küçük olduğunda ise 13 V elde edilir Bu durumda, toplama devresinin girişindeki işaretler 3 V a da 3 V olur devresinin diğer girişi sabit 3 V luk kanağa bağlı olduğundan, ve düğümlerindeki gerilim işaretleri 6 V vea 0 V olur devresi, girişlerindeki işaretlerin farkını alarak doğrultucu devresinin girişine vermektedir ani, doğrultucu devrelerin girişlerindeki işaretler, 0 V, -6 V, vea 6 V tur Daha sonra doğrultucu devreler fark işaretlerinin mutlak değerini alırlar ve çıkış işareti olarak a 0 V a da 6 V üretirler lardan birinin çıkışı, Q1 transistörüne bağlanmıştır Bu transistörün görevi, girişindeki işareti 0 V ise bunu 6 V a, 6 V ise 0 V a çevirmektir Q A, Q B ve Q C transistörlerinin kollektörleri, giriş işaretlerine bağlanmıştır Devrenin çıkış işareti V 0 ise bu transistörlerin emiter ucundan alınmaktadır Bu üç transistörden alnıca bir tanesinin bei poitif değer alacağından (ani 6 V olacağından) transistörlerden alnıca bir tanesi iletime geçer ve kollektöründeki işareti çıkışa aktarır Şekil-4 te, tanıtılan analog ortanca sügeç devresinde kullanılmak üere tasarlanan toplaıcı/çıkarıcı devre apısı verilmiştir Bu devrenin toplaıcı olarak kullanılması durumunda numaralı akım taşııcı devree CCII- olarak, çıkarıcı olarak kullanılması istendiğinde ise CCII olarak bağlanmalıdır Şekil-3 te kullanılan doğrultucu devresi Şekil-5 te verilmiştir [11] Giriş geriliminin poitif alternansında D ve D 4 diotları iletimdedir ve akım D üerinden R direncine ulaşır Negatif alternansta ise D 1 ve D 3 diotları iletimdedir ve akım D 3 üerinden R direncine akarak devrini tamamlar Bölece V i giriş gerilimi doğrultulmuş olarak R direncinin uçlarından elde edilir V A QA Kıas R1 R - - RBA 6V RC1 5K RBB QB V B Kıas R3 R4 - - RB1 Q1 V C Vo (çıkış işareti Ro Kıas R5 R6 - - RBC QC V A V B V C 3V Şekil-3 Tasarlanan analog ortanca sügeç devresi

4 V 1 V Vi R1 I 1 R 1 I R CCII 1 Z CCII Z I Z1 I 3 CCII Z 3 I Z3 R Z Şekil-4 Tasarlanan toplaıcı/çıkarıcı devre Vo D D3 CCII Z D1 R D4 CCII Z Şekil-5 Kullanılan doğrultucu devre [11] V 0 Devrenin girişlerinden ugulanan işaretler [0 55] sahasındaki gri-ölçek değerleridir, ancak devrenin çalışma sahası 0 V-56 V arasında olduğu için devrenin girişinden ugulanan işaretler [0;56] arasına ölçeklenmiştir Şekil-6(a) da, bu çalışmada kullanılan Kelebek test imgesi, Şekil-6(b) de ise %10 oranında dürtü gürültüsüne sahip Kelebek imgesi verilmiştir Devrelerin dürtü gürültüsünü sümede gösterdikleri performansı görsel olarak değerlendirebilmek amacıla, Opris ve Kovacs tarafından tanıtılan devrenin kullanılmasıla elde edilen onarılmış Kelebek imgesi Şekil-6(c) de, tanıtılan devrenin kullanılmasıla elde edilen onarılmış Kelebek imgesi ise Şekil-6(d) de verilmiştir Benetimlerde PSPICE programından ararlanılmıştır Şekil-6 dan görüldüğü gibi tasarlanan akım taşııcılı analog devrenin dürtü gürültüsünü giderme performansı, Opris ve Kovacs ın tanıttığı devree göre çok daha üksektir Opris ve Kovacs ın tanıttığı devre, renklerin koulaşmasına sebep olmaktadır Osa tanıtılan devrede bu tip bir etki ortaa çıkmamıştır ve dürtü gürültüsünü giderme başarısı çok daha üksektir 4 KIAS DEVESİ VE TASARLANAN DEVRE İÇİN GERÇEKLEŞTİRİLEN BENZETİMLER Opris ve Kovacs tarafından tanıtılan analog ortanca sügecin [10] ve tasarlanan analog ortanca sügecin dürtü gürültüsünün süülmesinde gösterdiği başarı, %10 oranında dürtü gürültüsüne sahip [5656] piksel boutlarındaki Kelebek imgesi üerinde sınanmıştır İmge, [31] lik kaan pencerelere arılarak işlenmiştir (a) (b) Opris ve Kovacs tarafından tanıtılan devrenin girişlerinden ugulanan işaretler [0 55] sahasındaki gri-ölçek değerleridir, ancak devrenin çalışma sahası 05 V-40 V arasında olduğu için devrenin girişinden ugulanan işaretler [05;40] arasına ölçeklenmiştir =5 V, V bias =3 V değerleri kullanılmıştır Şekil- de kullanılan transistörlerin W/L oranları şöledir: M 11-1, M 1- transistörleri için W/L = 400 µm / µm M , M 110 transistörleri için W/L = 00 µm / µm M , M 109 transistörleri için W/L = 40 µm / µm Tasarlanan analog ortanca sügecç devresinin benetiminde CCII apısı için Analog Devices firması tarafından üretilen AD844 tümdevresinin ine Analog Devices firması tarafından tanımlanan makromodeli kullanılmıştır CCII- devresini elde etmek içinse iki adet AD844 kaskad bağlanmıştır (c) (d) Şekil-6 (a) Orijinal Kelebek imgesi (b) %10 oranında dürtü gürültüsüne sahip Kelebek imgesi (c) %10 oranında dürtü gürültüsüne sahip Kelebek imgesinin Opris ve Kovacs, tarafından tanıtılan sügeç devresi [10] ile süülmesile elde edilen imge (d) %10 oranında dürtü gürültüsüne sahip Kelebek imgesinin tasarlanan ortanca sügeç devresi ile süülmesile elde edilen imge

5 Devrelerin dürtü gürültüsünü gidermede gösterdiği başarıı saısal olarak değerlendirebilmek amacıa MSE, Corr ve PSNR imge kalite ölçütlerinden ararlanılmıştır Bu ölçütlere ait elde edilen değerler, Tablo 1 de verilmiştir Tablodan görüldüğü gibi tanıtılan devre, imge kalite ölçütlerinin üçüne göre de daha başarılı sonuçlar vermektedir Tanıtılan devre kullanılarak MSE hata değeri Opris ve Kovacs ın tanıttığı devree göre oldukça fala oranda düşürülürken Corr değeri ve PSNR değerleri istenildiği şekilde daha üksek olarak elde edilmiştir Tablo 1 Elde edilen imge kalite ölçütlerine (İKÖ) ait değerler MSE Corr PSNR Gürültülü Kelebek imgesi Opris ve Kovacs ın devresine ait İKÖ değerleri Tanıtılan devree ait İKÖ değerleri SONUÇ Bu çalışmada, imgelerde dürtü gürültüsünü eş amanlı olarak bastırmak için eni bir devre apısı tanıtılmıştır Tasarlanan devrenin apısında sadece CCII lar, op-amp lar, transistörler, diotlar ve dirençler kullanılmıştır Tanıtılan devrenin başarısı, Opris ve Kovacs tarafından tanıtılan devrenin başarısı ile kıaslanmıştır Bu amaçla, Kelebek test imgesi kullanılmış ve devrelerin gürültü süme başarısı hem görsel olarak hem de nicel olarak değerlendirilmiştir Benetim sonuçları göstermektedir ki tanıtılan devre, hem görsel olarak hem de nicel olarak kıas devresinden daha başarılı sonuçlar vermektedir ve dürtü gürültüsünün eş amanlı olarak bastırılmasında başarılı bir şekilde kullanılabilmektedir KANAKLAR [1] Umbaugh SE Computer Vision and Image Processing, Prentice Hall Inc, London, pp , 1998 [] Çivicioğlu P Alçı M, Görüntülerdeki Gauss Gürültüsünü Gidermek için Akım Taşııcılı Ortalama Alıcı Sügeç nin Tasarımı, ELEKTRİK ELEKTRONİK - BİLGİSAAR MÜHENDİSLİĞİ SEMPOZUMU, ELECO 00, Elektronik ve Bilgisaar Bildiri Kitabı, pp 70-73, Bursa, 18- Aralık 00 [3] Vlassis S, Siskos S, CMOS Analogue Median Circuit, ELECTRONICS LETTERS, Vol 35, Iss 13, pp , 1999 [4] Tse CK, Chun KC, Design of a Switched- Current Median Filter, IEEE TRANS ON CIRCUITS AND STSTEMS-II: ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING, Vol 4, Iss 5, pp , 1995 [5] Dia-Sanche A, Ramire-Angulo J, Lope- Martin A, Sanche-Sinencio E, A Full Parallel CMOS Analog Median Filter, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SSTEMS II: EPRESS BRIEFS, Vol 51, Iss 3, pp , 004 [6] Vlassis S, Siskos S, Current-Mode Analogue Median Filter, THE 6TH IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRONICS, CIRCUITS AND SSTEMS, ICECS '99, Vol 3, pp , 5-8 Sept 1999 [7] Liu BD, Tsa CS, Chen CH, Lu EH, Laih CS, An Analog Median Filter with Linear Compleit for Real-Time Processing, IEEE INTERNATIONAL SMPOSIUM ON CIRCUITS AND SSTEMS, Vol 5, pp , 1991 [8] Çivicioğlu P, Alçı M, Noise Sensitive Median Filter: An Analog Approach, ND INTERNATIONAL SMPOSIUM ON ELECTRICAL, ELECTRONIC AND COMPUTER ENGINEERING, Proc NEU- CEE 004, Nicosia, KKTC, pp 3-37, March 004 [9] Çivicioğlu P, Alçı M, Saısal İşaretlere Karışan Dürtü Gürültüsünün Bastırılmasında Akım Taşııcılı Analog Devrenin Kullanımı, KASERİ V HAVACILIK SEMPOZUMU, Kaseri, pp , Maıs 004 [10] Opris IE, Kovacs GTA, A High-Speed Median Circuit, IEEE JOURNAL OF SOLID- STATE CIRCUITS, Vol 3, Iss 6, pp , 1997 [11] Toumau C, Lidge FJ, Chattong S, High Frequenc Current Conveor Precission Full- Wave Rectifier, ELECTRONICS LETTERS, Vol 30, Iss 10, pp , 1994