利用賽靈思FPGA輕松應對內窺鏡系統(tǒng)架構挑戰(zhàn)

攝像機控制單元

CCU通過DVI或者SDI接口從攝像頭接收RGB或YUV格式的圖像數據，然后執(zhí)行可增強圖像質量的任意組合的處理步驟。專用圖像處理器件通常用于在最低延遲水平下以高分辨率提供優(yōu)化的圖像質量。

圖3典型CCU的功能方框圖

第一階段的圖像增強特性一般包括：(1)降噪;(2)邊緣增強;(3)寬泛的動態(tài)范圍校正。

在圖像增強階段之后是用戶控制的圖像調整，一般包括：(1)數字縮放;(2)視頻轉換器;(3)靜態(tài)圖像捕獲。

通常情況下，不僅可將處理器用來管理數據流和控制CCU的算法和功能，而且還能監(jiān)控至攝像頭、圖像管理單元和顯示器的通信。

降噪：保持視頻的清晰對內窺鏡系統(tǒng)而言至關重要。在CCU中使用降噪算法，以實現(xiàn)進一步的改進。在使用較低幀速率的小型應用中，降噪算法在提升圖像質量方面發(fā)揮著關鍵性的作用。時間降噪即基于運動的降噪技術通常最適合于需要解決運動問題的內窺鏡應用。如，在某些特定應用領域，我們可采用空間降噪技術。在空間降噪中，可對噪聲進行逐幀檢測和糾正，但這項技術會降低圖像的清晰度，因此可能需要混合采用空間/時間濾波器。

邊緣增強

對于內窺鏡而言，邊緣增強是一種非常重要的圖像處理技術，因為其能幫助醫(yī)生更全面地查看組織中的非正常現(xiàn)象。內窺鏡可充分利用各種邊緣增強技術。索貝爾算子和雙邊濾波器是兩種最常用的實現(xiàn)方案。

寬動態(tài)范圍校正

寬動態(tài)范圍(WDR)是指影像系統(tǒng)在各影像內明暗度差別很大的情況下提供清晰影像的能力。由于內窺鏡一般采用的設置是在亮前景和暗背景下采集圖像。WDR處理算法構成了系統(tǒng)的關鍵性組件。WDR處理器模塊越接近傳感器，對最終圖像質量的影響就越大。但是為了克服攝像頭在功耗和器件密度方面受到的制約，設計人員需要考慮將WDR處理放置在CCU中。

數字縮放

在內窺鏡系統(tǒng)中，縮放功能是一項非常重要的功能，可以讓醫(yī)生更加清晰地查看對象。數字縮放會以犧牲部分分辨率為代價而增大圖像的尺寸。

視頻轉換器

視頻轉換器的作用是把視頻流映射為對接收設備適合的深度位寬比和分辨率。如圖3所示，CCU可將視頻流輸出到本地顯示器和圖像管理單元。本地顯示器的分辨率和深度位寬比可以比原始視頻格式低得多，這樣視頻轉換器就可以根據顯示設備的要求相應調整視頻，并將視頻流直接傳輸至圖像管理單元。

靜態(tài)圖像捕獲

醫(yī)生使用靜態(tài)圖像能夠迅速捕獲并共享對象組織的圖像。內置于某些圖像傳感器中的傳感器控制電路包含一個靜態(tài)圖像捕獲電路。在其他系統(tǒng)中，這項功能通常由下游執(zhí)行，即在執(zhí)行圖像增強功能之后進行。靜態(tài)圖像捕獲功能既可用硬件、也可用軟件執(zhí)行，圖像一般在由醫(yī)生保存到磁盤上之前都保存在本地存儲器中。

攝像機控制單元的設計挑戰(zhàn)

在內窺鏡手術中，醫(yī)生眼疲勞是需要納入考慮范圍的一個問題。因此需要可減少視頻滯后和實現(xiàn)最高幀速率的高速圖像處理功能，來提供流暢的視頻。

內窺鏡供應商常常會在CCU中采用獨特的圖像增強功能來實現(xiàn)產品的差異化，而且不斷地提升處理功能，在不犧牲處理速度的情況下交付新的圖像增強方案。CCU也受到功耗預算、上市進程以及成本的限制。而將FPGA用作主圖像處理器能夠在性價比、功耗以及開發(fā)周期之間實現(xiàn)最佳平衡。同時，還可將多個接口集成到單個器件中以提供接口橋接，從而既可減少組件數量，又能降低系統(tǒng)的成本和功耗。

圖像管理

在內窺鏡系統(tǒng)中，圖像管理單元功能很多，如：圖像文件管理、網絡連接及后處理圖像增強功能等。在緊湊型系統(tǒng)中，可將圖像管理功能融合成CCU的一個單元;在大型系統(tǒng)中，則可以用作獨立單元。圖像管理單元一般采用PC風格的架構，基于處理器系統(tǒng)而構建。該單元可采用如Windows或Linux等操作系統(tǒng)，同時為內窺鏡提供定制的GUI。其可有多路視頻輸入，以從不同角度或者用不同縮放水平同時顯示圖像。此外，該單元還可以通過鼠標和鍵盤進行控制，并擁有自己的監(jiān)控器。

圖4 圖像管理單元

高端系統(tǒng)，特別是采用高清視頻的系統(tǒng)，往往會把視頻接口和視頻處理任務交由賽靈思FPGA執(zhí)行。在這種情況下，圖像管理的各種功能均由FPGA硬件處理，而非由處理器中的軟件執(zhí)行。該架構能確保視頻流僅由高性能邏輯電路處理，從而生成不會給同步運行在處理器中的其他進程造成影響的低滯后視頻。此外，系統(tǒng)設計人員還可充分利用FPGA提供的高引腳數和多功能I/O接口標準來實現(xiàn)數據、網絡、存儲和用戶接口，從而有助于減少系統(tǒng)的總器件數。