专利名称：快速90度旋转双态图象的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字图象处理方法，并且更具体地涉及快速旋转双态图象的方法。
因为双态位图每象素只包含单个二进制位，双态图象(亦称为单色图象)是只具有两种明暗等级(通常为黑和白或者黑和绿)的图象。一个分辨率为1024×1024象素屏幕的全部位图是220位，或者约为128,000字节。
随着在办公室和在家庭办公室日益激增象工作站和个人计算机的小存储器计算机，用计算机存储办公室文件、报告、表格、信件甚至照片正盛行为一种减少物理存储要求和提高共同的办公室文件可访问性的手段。
通常资料是用光学字符阅读机(OCR)扫描、传真或者联机数据传输接收到计算机系统里的。提出的挑战在于要例如通过OCR把资料图象输入到一个系统里并且能够迅速有效地操纵它，使得它能够容易地被最终用户看到。
把双态图象相对于它的输入方位旋转90°、180°和270°是资料图象处理中最常使用的操作。传统的解决方法是一次旋转图象的一个象素，但是这种操作非常消耗时间。
因此，在现有技术中已经提出几种加快旋转图象的方法，特别是加快正或负90°的旋转，因为它们要比180°旋转复杂得多。这是由于图象象素组的内部压缩数据表示法所造成的，在表示法中每个字节包括八个图象象素。旋转后的图象必须占据包含旋转前原有图象的存储器。这样，对于这类型的旋转，因为每个垂直列的各个位由旋转压缩成字节而且输出图象的一个行不能以一个字节的一部分终止，行数必须是8的倍数。从而，必须把位置标志数据值加到不是8的倍数列上。
IBM公司的美国专利号4,627,020公开一种90°旋转图象的方法，由于它同时旋转高达64个象素(8×8的块)，而不只是一个象素，因此，这种方法比传统的方法快得多。一个图象块要被移进临时存储器里(称为查找表)并且划分成可转动尺寸的更小的字节组。然后旋转所有位不具有相同值的各个组。该方法利用了这个事实大部分图象的大区域是背景色彩的(例如白色)，而且只含有一种色彩的图象块或图象图形不需要被转动。这是一种提高，现在被广泛地附加到旋转方法里。但是，如将看到的，因为其对各个旋转字节采用了附加的存储器访问和地址操作，专利4,627,020的方法不如本发明提出的方法那样有效。
同样由IBM公司提出的美国专利号4,658,430针对于旋转编码数据图象的方法，编码数据图象例如是转动90°的倍数后通过电话线发送的。编码数据方位问题，和本发明要对待的数据类型旋转问题是不相同的。
IBM公司的美国专利4,837,845专门处理从原始方位正或负90°旋转二进制图象数据的问题。图象数据首先以部分转置形式存储到包含在8个32位寄存器中的矩阵里。该矩阵被划分成可旋转尺寸的位组(等尺寸的子矩阵)，并且在各组里第一预选位位置和第二预选位位置转置。然后组内的行位和组内的第二行的位交换。
作为现有技术，这些IBM专利的每一个专利讨论一些与和解决图象转动有关的早得多的刊物和文献，这些IBM专利的每一篇的内容，特别它们描述现有技术的章节在本文中引用为对比文件。
除上面所述之外，International Computers Limited公司的美国专利号4,916,746公开利用一种硬件旋转电路，顺时针或逆时针90度旋转图象。该旋转电路由FIFO和移位寄存器组成，在其中每次从FIFO读出一个字的数据，位移一位后写回到FIFO，造成一种螺线数据路径。然后利用位移寄存器装配输出的旋转后的图象数据。
佳能株式会社的美国专利号4,985,849公开一种图象处理系统，用于形成原始图象的倾斜变换图象或者转动变形图象。计算原始数据点和输出数据点的地址位置间的关系，并且把这些计算出的值预先存储到查找表里。然后利用查找表的输出地址信息，转换或复制原始地址位置的图象数据。
Cornell Research Foundation公司的美国专利号5,067,167公开通过采用一种数据处理机对三维图象的原始空间坐标值进行修正，将三维图象旋转90°。
Pitney Bowes公司的美国专利号5,233,168公开抗图象扭斜，包括扫描图象以通过象素映象图象俘获象图，确定映象图象的大小及扭斜，进行一系列区域受限的垂直象素偏移，以及进行一系列区域受限的水平象素偏移。
其它用于快速图象旋转的方法是特殊的硬件解决办法，如IBM公司的美国专利号4,947,344里公开的称为旋转缓冲器的专用硬件装置或Yamaha公司的美国专利4,992,960里公开的专用电路。但是，这些类型的硬件解决办法需要和修改现有硬件相联系的相当大的费用，与其相反用软件实现的解决办法最大地利用现有硬件的存储能力。
类似于以前公开的IBM专利(′020、′430和′845)，本发明仍旧同时处理图象数据的64象素块，以加速从输入方位向90°或270°方位的图象旋转。但是，因为本发明的方法所需对存储器的访问比现有技术的方法要少，已经发现在基于Intel(英特尔公司)的带有32位寄存器的IBM个人计算机上本发明要快15％至30％，这种个人计算机是本发明主要针对的环境。
从而，本发明在32位操作系统下提供一种90°旋转带有8行乘8列象素数据位的双态图象数据块的方法。本方法包括这些计算机实现的步骤产生一个8行×8列象素数据位的中间矩阵，其中来自该数据块的各行被一分为二并且平移到一对四位列内，在中间矩阵成对的四位列里块内相隔的行被横置排列并且块内的较低阶行被排列到相邻较高阶行的上面。并且把中间矩阵的行顺序地保存到第一和第二32位寄存器里。然后把第一32位寄存器复制到第三32位寄存器里和把第二32位寄存器复制到第四32位寄存器里。第一和第二寄存器按相反的方向各移动一位并且来自第四寄存器的相隔位动态地覆盖到第一寄存器里，同时来自第三寄存器的相隔位动态地覆盖到第四寄存器里。
本发明目的还在于一种带有完成本计算机实现方法的装置的系统。
现在将结合附图详细说明本发明的实施方式，附图是
图1是实施本发明的典型操作系统的示意图；图2和图3表示个人计算机或工作站的显示屏幕，表示方位相差90°的资料；以及图4是一个流程图，表示顺时针或逆时针方向90°旋转图象的计算机实现步骤。
本发明运行在32位编程操作系统环境下，如IBM的OS/2系统，Posix的Unix系统或Microsoft的系统NT。
在图1中示意表示这种类型的操作系统的部件，并且一般包括带有32位存储寄存器的主处理机12，图象存储器14，显示终端16，接收图象的数据装置如OCR图象扫描仪18以及打印机20。其它把图象数据接收到操作系统里的手段可以包括数据传输和传真。显示终端16、图象扫描仪18和打印机20各具有不同的读出或者表示资料或图象的要求。因此，将要求处理机12连同图象存储器14处理图象数据以满足外围设备16、18和20各自的表示要求。
例如，一张照相图象可经过扫描仪18扫描到该系统里，并且如图2中所示，最终作为计算机显示器24上的水平显示图象22。为了使最终用户能以任何有意义的方式使用这个显示图象，这个图象的方位必须顺时针地旋转90°以达到图3所示的计算机显示器24上的位置22a。
本发明方法的步骤表示在图4的流程图里。如前面所讨论的那样地本发明按8×8象素块段旋转图象数据。这样，从整个图象的已存储数据中选出的8×8象素块段(图4中的方块50)可由下表A中所示的64位矩阵所表示。
表A
其中A0、A1……、H6、H7分别代表构成该矩阵的双态象素。
顺时针90°旋转表A的矩阵使该矩阵沿其边转动，使行1变成8位的右边列，并且象素A0在底处。逆时针90°旋转该矩阵使行1变成8位的左边列，并且A0象素在顶处。由此而产生的这两个数据表示法显示在本说明书里的表D和表F里。
根据本发明为了达到顺时针方向和逆时针方向两种旋转应用了相同的一般原理和相同的函数。但是，如下面详细讨论的那样，在许多情况下为了达到逆时针方向的旋转，而不是顺时针方向的旋转，函数是相反的。
变换图象数据的工作区是处理机里的32位寄存器，变换后的数据从工作区移回到存储器里以供显示或打印。64位的矩阵可被存储在两个32位寄存器里。
本发明是在四个主要步骤里执行的。首先，生成一个中间矩阵以建立一个把该矩阵划分成两个各为4字节的寄存器尺寸的行组。中间矩阵存储到两个目标32位寄存器里，然后再复制到另外一对32位寄存器里。接着处理这四个寄存器里的数据，并且最终把四个寄存器分拆回到原始的两个寄存器里，使这两个寄存器含有旋转后的的数据图象。
自始至终，只需要对每个字节进行三次存储器访问(或者每块24次)，第一次为在把该字节读入处理机寄存器时，接着为了产生中间矩阵利用该值去访问一个查找表时，而最后的存储器访问是把旋转好的数据保存回到存储器里。
这一点意味着比起现有技术中第二快的旋转方法(其需要对每字节四次存储器访问或者对整个块32次存储器访问)本方法减少25％的存储器访问，也就是本发明提高速度的原因。
根据本发明的最佳实施方式，选出的图象数据的8×8象素矩阵或图象数据块被变换到一个中间矩阵里去(方块52)，中间矩阵是以一种方式重新布置的，从而开始重新排列象素的过程，使得象素位置更接近完成旋转时的位置。在预期顺时针方向90°旋转的情况下，中间矩阵是按表B布置的表B
<p>用于旋转的部分重新布置实际上把每行划分成并且移动成一对四位列。中间矩阵的前四行包含从原始数据块中横向排列的奇数行(即，行A、C、E和G)移动得到的成对的4位列。在顺时针方向旋转的情况下，横置排列是从右向左的，并且各个半行的较高阶位布置在较低阶位的上面。对于逆时针方向的旋转，从表E中可以看出，横置排列是从左向右的，并且各个半行的较低阶位布置在较高阶位的上面。中间矩阵的下面四行包含按上面四行类似排列的原始数据块的偶数行(即行B、D、F和H)。
在本发明的最佳实施方式中，中间矩阵是利用四个查找表生成的，这四个查找表放在构成本公开的一部分的附录部分中。
四个查找表的每个表负责变换8×8象素矩阵中的两行。对于顺时针旋转，附录中的表1用于变换行1和行2，表2用于行3和行4，表3用于行5和行6，并且表4用于行7和行8，且行是相隔地变换的(即，行1、3、5和7，然后行2、4、6和8)。对于逆时针旋转，查找表是按相反的次序使用的，表1用于变换行8和行7，表2用于行G和行5，表3用于行4和行3，并且表4用于行2和行1。
在最佳实施方式里，通过用刚刚保存在两个32位处理机寄存器的结果进行动态覆盖来生成中间矩阵。
通过下面的例子，从表C中用二进制记数法表示的双态8×8象素矩阵开始，可说明使用查找表进行90°的旋转。
表C
首先，对行1，利用查找表1的表目15****查找表1行从二进位表示 到二进位表示15000011110000 0001 00000001 00000001 00000001在寄存器R1里保存的32位值为字节3字节2字节1 字节0R1 00000001 00000001 0000000100000001接着，对于行3，利用查找表2的表目20行从二进位表示 到二进位表示200001010000000000 00000100 00000000 00001000该值和行1的4字节值进行逻辑“或”运算，或者动态地进行覆盖，在其中二个4字节行中的任何“1”值替代“0”值。第一32位寄存器的修正结果是字节3字节2 字节1字节0R1 00000001 00000101 00000001 00001001接着，对于行5，利用查找表3 的表目48****查找表3行 从二进位表示 到二进位表示48 00110000 00000000 00000100 00100000 00100000当该4字节值和R1的内容逻辑“或”时，产生下述寄存器值字节3字节2 字节1 字节0R1 00000001 00000101 00100001 00101001最后，对行7，利用查找表4的表目46****查找表4行 从二进位表示 到二进位表示46 00101110 01000000 0100000 11000000 00000000和在该值逻辑“或”之后，寄存器R1含有字节3字节2字节1字节0R1 01000001 01000101 11100001 00101001对行2、4、6和8，分别利用查找表1、2、3和4重复相同的过程，在R2里保存的结果为字节3 字节2字节1字节0R1 00010000 00110100 11000001 00101101
这样完成中间矩阵的生成处理。为了阐明这些结果，R1和R2的内容可以以一种矩阵型的格式把高位字节放在低位字节之上显示如下R1字节301000001R1字节201000101R1字节111100001R1字节000101001R2字节300010000R2字节200110100R2字节111000001R2字节000101101这样，回到原始的一般性例子，中间矩阵的前四行(或前四字节行)保存到图4的第一位32位寄存器R1里(方块54)，而中间矩阵的另外四行(或后四字节行)保存到第二32位寄存器R2里(方块56)。这样，在一种32位的环境下，中间矩阵以下面的表示法保持在两个32位寄存器R1里和R2里
寄存器R1和R2的内容然后分别复制到另外两个32位寄存器R3和R4里(方块58)以达到下列表示法
当旋转为顺时针90°旋转时(方块60)，把R1和R4的偶数位置为零(方块62)和把R2和R3的奇数位置为零(方块64)，以造成寄存器里的下述改变
接着把R1的内容向右移一位和把R2的内容向左移一位(方块66)，这样四个寄存器的内容如下所示
然后R1和R4进行逻辑“或”运算(方块74)并且R2和R3进行逻辑“或”运算(方块76)以获得寄存器R1和R2的下述内容<
现在，在矩阵格式下，R1和R2包含旋转后的8×8象素矩阵表DR1<
R2
<p>在32位的环境下，上述中间矩阵可用下述表示法保持在两个32位寄存器R1和R2里(方块54和56)<
接着把R1和R2的内容分别复制到另外两个32位寄存器R3和R4里(方块58
>
对于逆时针方向的旋转(方块60)，把R1和R4的奇数位置为零(方块68)并把R2和R3的偶数位置为零(方块70)。这样把四个寄存器的内容改变为
把R1的内容向左移一位和把R2的内容向右移一位(方块72)，这样现在4个寄存器显示为
R1和R4进行逻辑“或”运算(方块74)，并且R2和R3进行逻辑“或”运算(方块76)。然后，前二个寄存器具有如下的表示<
现在R1和R2包含着从原始方位逆时针方向旋转90°后的8×8象素矩阵。若按矩阵格式表示，数据显示如下表FR1
R2<
在IBM32位计算机上实现的最佳实施方式里，本发明的方法运行快得多，并且在32位的平台上本方法的开销要比所知以前的方法要少。
测试结果表明在基于Intel的IBM PC计算机上本方法要快30％，如果使用超高速缓冲存储器这个结果还会更好。
在附属权利要求书的范围内熟练的技术人员可对这里所说明的最佳实施方式进行明显的修改。
查找表1表目从二进制表示 到二进制表示000000000 00000000 00000000 00000000 00000000100000001 00000000 00000000 00000000 00000001200000010 00000000 00000000 00000001 00000000300000011 00000000 00000000 00000001 00000001400000100 00000000 00000001 00000000 00000000500000101 00000000 00000001 00000000 00000001600000110 00000000 00000001 00000001 00000000700000111 00000000 00000001 00000001 00000001800001000 00000001 00000000 00000000 00000000900001001 00000001 00000000 00000000 000000011000001010 00000001 00000000 00000001 000000001100001011 00000001 00000000 00000001 000000011200001100 00000001 00000001 00000000 000000001300001101 00000001 00000001 00000000 000000011400001110 00000001 00000001 00000001 000000001500001111 00000001 00000000 00000001 000000011600010000 00000000 00000000 00000000 000000101700010001 00000000 00000000 00000000 000000111800010010 00000000 00000000 00000001 000000101900010011 00000000 00000000 00000001 000000112000010100 00000000 00000001 00000000 000000102100010101 00000000 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权利要求
1.在32位操作系统下，一种90°旋转含有8行×8列象素数据位的双态图象数据块的方法，包括下述计算机实现步骤生成一个含有8行×8列象素数据位的中间矩阵，其中该块的各行被分割和平移成一对四位列，横置地排列该块的相隔行，并且在该中间矩阵的该对四位列里该块的较低阶行被置于较高阶行之上；把该中间矩阵的各行顺序地保存到第一和第二32位处理机寄存器里；把该第一32位寄存器复制到第三32位处理机寄存器里和把该第二32位寄存器复制到第四32位处理机寄存器里；沿相反方向把该第一和第二寄存器各移位一位；以及把该第四寄存器的相隔位覆盖到该第一寄存器上和把该第三寄存器的相隔位覆盖到该第二寄存器上。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于生成中间矩阵的步骤包括生成一个中间矩阵，在其中相隔的行从右至左横置排列，并且各个被分割行的较高阶位放置在较低阶位的上面。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于把该第一和第二寄存器接相反方向各移位一位的步骤包括把该第一寄存器向左移一位和把该第二寄存器向右移一位。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于覆盖间隔位的步骤进而包括这些步骤把该第一和第四寄存器的所有奇数位置为零以及把该第二和该第三寄存器的所有偶数位置为零，并且对该第一和该第四寄存器进行逻辑“或”运算以及对该第二和该第三寄存器进行逻辑“或”运算。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于生成一个中间矩阵的步骤包括生成一个中间矩阵，其中自左向右横置排列相隔的行，并且各个被分割行的较低阶位放在较高阶位的上面。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于把该第一和第二寄存器按相反方向各移位一位的步骤包括把该第一寄存器向右移一位和把该第二寄存器向左移一位。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于覆盖间隔位的步骤进一步包括这些步骤把该第一和该第四寄存器的所有偶数位以及把该第二和该第三寄存器的所有奇数位置为零，并且对该第一寄存器和该第四寄存器进行逻辑“或”运算以及对该第二寄存器和该第三寄存器进行逻辑“或”运算。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于生成一个中间矩阵的步骤包括为该块的各个奇数行从至少一个查找表里获得第一组4字节值并且动态地把所述第一组4字节值覆盖到该第一32位寄存器上；并且为该块的各个偶数行从所述至少一个查找表里获得第二组4字节值并且动态地把所述第二组4字节值覆盖到该第二32位寄存器上。
9.在32位操作系统下，一种90°旋转双态图象的方法，包括下述计算机实现步骤；a)从该图象数据中选择未旋转的8×8象素矩阵；b)生成一个含有8行×8列象素数据位的中间矩阵，其中该块的各行被分割和平移成一对四位列，横置地排列该块的间隔行，并且在该中间矩阵的该对4位列里较低阶行被置于较高阶行的上面；c)把该中间矩阵的各行顺序地保存到第一和第二32位寄存器里；d)把该第一32位寄存器复制到第三32位寄存器里和把该第二32位寄存器复制到第四32位寄存器里；e)把该第一和该第二寄存器沿相反的方向各移一位；f)把该第四寄存器的间隔位覆盖到该第一寄存器上和把该第三寄存器的间隔位覆盖到该第二寄存器上；以及g)重复a)至f)的步骤，直至完成该图象的旋转。
10.一种用来旋转含有8行×8列象素数据位的双态图象数据块的32位操作系统，包括用于从该块生成一个含有8行×8列象素数据位的中间矩阵的装置，其中该块的各行被分割和平移成一对四位列，横置地排列该块的相隔行，并且在该中间矩阵的该对四位列里该块的较低阶行置于较高阶行之上；至少第一、第二、第三和第四32位处理机寄存器，该第一和该第三寄存器用于重复地保存该中间矩阵的前四行而该第二和该第四寄存器用于重复地保存该中间矩阵的另外四行；把该第一和该第二寄存器沿相反的方向各移一位的装置；以及把该第四寄存器的间隔位覆盖到该第一寄存器上和把该第三寄存器的间隔位覆盖到该第二寄存器上的装置。
11.根据权利要求10的系统，其特征在于该生成一个中间矩阵的装置包括至少一个查找表。
12.根据权利要求11的系统，其特征在于所述至少一个查找表包括多个查找表，每个查找表适用于为该块的至少一行生成一个4字节值。
13.根据权利要求10的系统，其特征在于用来生成一个中间矩阵的装置包括四个查找表，每个查找表适用于为该块的至少两个行生成4字节值；以及用于动态地把该块的间隔行的4字节值覆盖到所述寄存器中的一个上的装置。
全文摘要
正负90°旋转双态图象数据的方法。选出8×8象素块进行旋转，利用查找表动态地生成一个中间矩阵并且存储到处理机的两个32位寄存器里。中间矩阵的生成达到部分的旋转，奇数行存储到第一和第三32位寄存器里，偶数行存储到第二和第四32位寄存器里。第一和第二寄存器沿相反方向移位一位，分别与第四和第三寄存器进行逻辑“或”运算这样偶数位放在一个寄存器里而奇数位放在另一个寄存器里。对所有剩余的图像数据块重复这些步骤。
文档编号G09G5/36GK1121224SQ95103578
公开日1996年4月24日 申请日期1995年3月24日 优先权日1994年4月15日
发明者阿尔伯特·Z·赵 申请人:国际商业机器公司