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专利号: 202210275478X
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于背景差分法的量子图像分割方法,其特征在于,包括:获取包含目标的灰度数字图像和所述目标背景的灰度数字图像,并制备相应的NEQR量子图像;

获取两幅NEQR量子图像每个像素的灰度值,并通过预设的比较器进行一次比较;

通过预设的减法器对两幅NEQR量子图像每个像素的灰度值进行减法运算,并根据一次比较结果保证减法运算的被减数大于等于减数;

将减法运算得到的每个像素的灰度值差值作为每个像素的灰度值生成待分割量子图像;

通过预设的比较器将待分割量子图像的每个像素的灰度值与阈值进行二次比较;

根据二次比较结果通过预设的分割电路对待分割量子图像进行分割;

其中,所述预设的减法器为:

a=a‑b

式中,a和b分别为减法器输入,减法器结果从a输出;

所述减法器从二进制的低位到高位逐个进行减法运算:第一位:

若第一位二进制数a0b0为00和10时,输出相减结果为0和1;

若第一位二进制数a0b0为11时,输出相减结果为0;

若第一位二进制数a0b0为01时,向a1进行借位,通过Toffoli门标记a1的借位信息,通过CNOT门输出相减结果为0;

第二位:

判断a0是否存在借位信息,若无,则按照第一位方法执行;若有,则按照以下方法执行:若第二位二进制数a1b1为10时,输出相减结果为0;

若第二位二进制数a1b1为00和01时,向a2进行借位,通过Toffoli门标记a1的借位信息,通过CNOT门输出相减结果为1和0;

若第二位二进制数a1b1为11时,向a2进行借位,通过Toffoli门标记a2的借位信息,通过CNOT门输出相减结果为0;

剩余位按照第二位方法依次执行直至所有位相减完成;

其中,所述根据一次比较结果保证减法运算的被减数大于等于减数包括:若被减数大于等于减数,则将减数和被减数输入减法器;

若被减数小于减数,则通过CSWAP门将减数和被减数进行位置互换,然后将位置互换后的减数和被减数输入减法器。

2.根据权利要求1所述的一种基于背景差分法的量子图像分割方法,其特征在于,所述n n q灰度数字图像的尺寸为2×2,灰度范围为[0,2‑1];所述灰度数字图像需要2n+q个量子比特进行存储,则所述NEQR量子图像的表达式为:其中, 表示量子图像灰度值,k=q‑1,q‑2,…,0; |XY>=|Y>|X>=|Yn‑1,Yn‑2…Yi…Y0>|Xn‑1,Xn‑2…Xi…X0>表示量子图像的位置,Yi,Xi∈{0,1}。

3.根据权利要求1所述的一种基于背景差分法的量子图像分割方法,其特征在于,所述预设的比较器为:其中,a和b为比较器输入,y为比较器的输出;

所述一次比较包括:将两幅NEQR量子图像每个像素的灰度值由十进制转换为二进制,并将二进制的灰度值输入预设的比较器;

所述二次比较包括:将待分割量子图像的每个像素的灰度值和阈值由十进制转换为二进制,并将二进制的灰度值和阈值输入预设的比较器。

4.根据权利要求3所述的一种基于背景差分法的量子图像分割方法,其特征在于,所述比较器从二进制的低位到高位逐个进行比较:第一位:将第一位二进制数a0b0输入比较器,并将输出y0赋值给辅助量子位h2;

第二位:将第二位二进制数a1b1输入比较器,并将输出y1赋值给辅助量子位h1;对第一位和第二位的比较结果进行分析:若辅助量子位h1为1时,则将辅助量子位h1作为输出y1;

若辅助量子位h1为0时且a1b1非10时,通过CNOT门和Toffoli门组合输出辅助量子位h1,具体为:通过CNOT门连接辅助量子位h1h0,若辅助量子位h1为0时,辅助量子位h0为1;

若辅助量子位h1为1时,辅助量子位h0为0;

通过Toffoli门连接辅助量子位h2h0,若辅助量子位h2h0为11,对辅助量子位h1进行异或处理,将处理结果作为输出y1;

若辅助量子位h1为0时且a1b1为10时,通过Toffoli门输出辅助量子位h1,具体为:对辅助量子位h0进行异或处理;

通过Toffoli门连接辅助量子位h2h0,若辅助量子位h2h0为11,对辅助量子位h1进行异或处理,将处理结果作为输出y1;并对辅助量子位h2h0进行复位操作;

剩余位按照第二位方法依次执行直至所有位比较完成。

5.根据权利要求1所述的一种基于背景差分法的量子图像分割方法,其特征在于,所述根据二次比较结果通过预设的分割电路对待分割量子图像进行分割包括:通过预设的分割电路将待分割量子图的灰度值大于等于阈值的像素的灰度值的量子位置1;具体为:

对灰度值的量子位进行逐位变换,若灰度值任一量子位为0时,使用CNOT门对辅助量子位置1;

若存在两个辅助量子位均为1时,使用Toffoli门对所述量子位进行异或操作;

当灰度值当前量子位变换完成后,将辅助量子位置0;

重复上述步骤直至灰度值每个量子位变换完成;

通过预设的分割电路将待分割量子图的灰度值小于阈值的像素的灰度值的量子位置

0;具体为:

对灰度值的量子位进行逐位变换,若灰度值任一量子位为1时,使用CNOT门对辅助量子位置1;

若存在两个辅助量子位均为1时,使用Toffoli门对所述量子位进行异或操作;

当灰度值当前量子位变换完成后,将辅助量子位置0;

重复上述步骤直至灰度值每个量子位变换完成。

6.一种基于背景差分法的量子图像分割装置,其特征在于,所述装置用于执行权利要求1‑5任一项所述方法的步骤,所述装置包括:图像制备模块,用于获取包含目标的灰度数字图像和所述目标背景的灰度数字图像,并制备相应的NEQR量子图像;

一次比较模块,用于获取两幅NEQR量子图像每个像素的灰度值,并通过预设的比较器进行一次比较;

减法运算模块,用于通过预设的减法器对两幅NEQR量子图像每个像素的灰度值进行减法运算,并根据一次比较结果保证减法运算的被减数大于等于减数;

图像生成模块,用于将减法运算得到的每个像素的灰度值差值作为每个像素的灰度值生成待分割量子图像;

二次比较模块,用于通过预设的比较器将待分割量子图像的每个像素的灰度值与阈值进行二次比较;

图像分割模块,用于根据二次比较结果对待分割量子图像进行分割。

7.一种基于背景差分法的量子图像分割装置,其特征在于,包括处理器及存储介质;

所述存储介质用于存储指令;

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1‑5任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现权利要求1‑5任一项所述方法的步骤。