專家教你縮短醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)時間

圖2.內(nèi)窺鏡塔(系統(tǒng))圖

圖像數(shù)據(jù)通路和相應的處理功能可以在邏輯上分成三部分(參見圖3)：視頻處理;視頻后處理;視頻顯示和傳輸。

圖 3. 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)功能圖

攝像頭視頻預處理

在原始視頻圖像的視頻采集和處理階段，內(nèi)窺鏡攝像頭視頻采用了不同的圖像處理算法。圖像規(guī)劃人員使用高級軟件工具對各種算法和結果進行建模。設計人員可以使用開放源工具箱進行圖像寄存和分段處理。這些工具通過軟件對圖像應用和算法開發(fā)進行了優(yōu)化，但并不在 FPGA 中實現(xiàn)。Altera 的定點和浮點設計方法、在 MATLAB 軟件中開發(fā)的算法，以及Simulink軟件中的系統(tǒng)級設計為設計人員提供了高效的DSP設計方法，實現(xiàn)了高性能FPGA。Altera還與業(yè)界經(jīng)驗豐富的設計公司合作，提供攝像頭處理流水線算法解決方案和預處理功能。Altera Cyclone V 和 Arria V FPGA 滿足了這一視頻處理級的設計需求：

Cyclone V器件實現(xiàn)了業(yè)界最低的系統(tǒng)成本和功耗，其性能水平使得該器件系列成為突出您大批量應用優(yōu)勢的理想選擇。

對于中端應用，Arria V FPGA 在成本和性能上達到均衡，總功耗也是最低的。

視頻后處理

視頻處理非常適合采用FPGA實現(xiàn)，特別是向1080p HD或者4K分辨率發(fā)展。使用Altera現(xiàn)有的視頻后處理解決方案，設計人員可以將精力放在某些目標市場的增值功能上。1080p工作臺可以采用Altera的IP內(nèi)核視頻和圖像處理(VIP)套裝，它提供了在HDL或者 Simulink中開發(fā)的用戶定義的算法。采用Qsys系統(tǒng)集成工具，很容易在設計中集成標準流協(xié)議。

視頻顯示、傳送和存儲

Altera的 1080p視頻設計工作臺支持各種視頻和存儲接口，包括，SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和專有標準。作為這一工作臺的一部分，Altera提供完整的上、下和交叉轉(zhuǎn)換 (UDX)參考設計，它具有雙通道視頻處理流水線，您可以迅速啟動設計。4K分辨率畫面清晰真實，是必須的視頻增強功能。4K視頻上轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換參考設計通過3G-SDI接口接收1080p視頻格式，將其上轉(zhuǎn)換為4K x 2K分辨率，通過四路 3G-SDI接口進行輸出。

Altera 的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案

Altera的精度可調(diào)DSP、1080p視頻設計工作臺以及 4k參考設計能夠提高設計效能，有利于滿足醫(yī)療內(nèi)窺鏡設備的設計需求。

28 nm 的精度可調(diào) DSP

在任何高級醫(yī)療成像解決方案中，需要高性能DSP資源和高效的設計工具才能滿足系統(tǒng)要求。如圖4 所示，Altera 的 DSP Builder 工具結合精度可調(diào) DSP 為視頻算法提供了高效的浮點或者定點DSP設計。

圖 4. 定制定點或者浮點算法 DSP 解決方案

利用DSP Builder高級模塊庫，設計人員可以在MATLAB/Simulink 設計中進行高級Simulink 綜合以及時序驅(qū)動優(yōu)化。采用 Simulink 等高級工具，滿足用戶設定的 fMAX 或者延時來進行設計優(yōu)化，這一功能在Altera和一些供應商工具中是獨一無二的。基本上，這表明設計人員可以設定一個 “表盤”，為您的系統(tǒng)選擇合適的 fMAX 和延時，DSP Builder 工具會完成剩余的工作。工具會加入寄存器，以提高 fMAX，或者對某些關鍵通路進行并行處理，以滿足延時約束要求，避免了花費數(shù)星期手動處理得到的HDL代碼。

Altera 的 28-nm FPGA 自然支持單精度乘法器，非常適合定點和浮點實現(xiàn)。Altera 的Stratix V FPGA 具有獨特的精度可調(diào) DSP 體系結構，性能高達每秒萬億次浮點操作(teraFLOPS)。

1080p 視頻設計工作臺

提高醫(yī)療設計團隊的效能需要使用高性能工作臺工具，這一工具應使用方便，支持各種功能和IP。雖然其他FPGA供應商提供一些單獨的視頻功能，而Altera是唯一提供包括20個視頻功能設計工作臺的供應商，支持流視頻接口標準，提供6個經(jīng)過硬件驗證的參考設計，以及多種視頻開發(fā)套件。采用 Altera 的 1080p 視頻設計工作臺，設計人員開始已有的工作設計，在常見功能上重新使用經(jīng)過預驗證的IP，例如，縮放、去隔行和合成，加入到定制功能或者 OEM的內(nèi)部IP中，與從頭開發(fā)新設計相比，在更短的時間內(nèi)完成設計。

VIP 套裝

1080p視頻設計工作臺的關鍵組成是IP內(nèi)核 VIP套裝，如圖5 所示，用在各種圖像數(shù)據(jù)通路上。VIP套裝包括20個常用的構建模塊功能，從簡單的顏色空間轉(zhuǎn)換器和alpha混合合成器，到多相縮放和運動自適應去隔行等非常復雜的功能。此外，Altera合作伙伴提供圖像IP幫助您進行開發(fā)，以降低噪聲，進行邊沿探測和局部處理，使圖像穩(wěn)定，或者旋轉(zhuǎn)圖像。

圖 5. IP內(nèi)核 VIP 套裝

廣播質(zhì)量參考設計

可以在現(xiàn)有設備或者其他供應商的老一代視頻路由設備和醫(yī)療級監(jiān)視器上安裝新的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。這一設置要求新內(nèi)窺鏡系統(tǒng)支持新的和已有的視頻標準。Altera的HD參考設計實現(xiàn)了隔行和逐行格式視頻標準清晰 (SD)、HD和3-Gbps視頻流的高質(zhì)量UDX設計。這些參考設計軟件和硬件可配置，支持快速系統(tǒng)配置和設計。設計面向典型的廣播應用，可以用于醫(yī)療視頻應用中，實現(xiàn)高分辨率顯示、視頻交換機、多視角查看、轉(zhuǎn)換器以及遠程醫(yī)療會議等應用。請參考圖6。高性能 Stratix IV GX 和低成本 Arria V GX開發(fā)套件都提供這些參考設計。