基于高性能处理器的医用X光视频图像采集和处理系统

蒋伟

摘要：采用CCD+高性能处理器采集方式实现了高分辨率X光医学视频图像采集和处理系统。系统包括三大模块，视频图像采集部分、图像处理部分和图像叠加部分。视频图像采集完成对原始图像信号的数字化；图像处理部分完成数字图像的去噪、镜像与负像等数字图像处理功能；图像叠加部分完成图像数字的影像叠加和部分字符功能的显示功能。本文详细介绍了系统的功能实现，在针对系统指标的要求下比较多种方案后完成系统的硬件电路方案的选择和设计，并介绍了软件规划方法。

关键词：图像采集和处理；图像叠加；DSP

中图分类号：TP274.2文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0072-02

在医学上，随着微电子和计算机数字图像处理技术的发展，能够对X射线图像进行量化、传输、存储、显示和处理的数字化X射线成像技术进入了X射线影像领域，具有重大意义和应用前景，是医学影像系统的发展趋势，它能节省大量的胶片，其市场潜力巨大，解决了约占影像学科70%左右的数字化问题，有利于X射线图象的存储、处理、传输和显示，并合适进入图象存储、处理、传输和显示，并适合进入图象存储与通信系统（PACS）及远程医学系统。

有三种方式实现X射线成像的数字化，CR（计算机X射线照相术）、DR（数字X射线照相术）和视频数字采集。CR和DR都是将X光模拟信息转换成数字图象。视频数字采集直接对由X射线探测器产生的视频信号实施模数转化，并且获得单帧图像或图像序列。

跟CR和DR相比，视频数字采集拥有自己独特的优点，因此可以应用在不同场合，视频数字采集适合连续动态X射线透视图象信号的数字化采集，并可以看到器官的动态变化以及设备简单、操作方便、成本低等优点。采集的大量动态视频和图象数据可以储存在外部存储在外部存储内，用在采集后独立的诊断上（普通的荧光透视法诊断与成像必须同时），诊断后这些数据可以根据需要保存或者删除，根本就不需要胶片。

1系统主要性能

系统主要应用于CCD医用X线电视设备的后端视频处理，其相应的系统性能要求和实现功能如下所使示：

①视频输入。CCIR（与PAL兼容的黑白电视信号），75Ω（高阻可选）BNC接口。

②3路视频输出。A输出CCIR视频信号（50场隔行）输出，B、C两路输出100 Hz（逐行、或隔行）视频信号输出；A、B显示与输入信号同步的实时图像，C显示冻结图像、存储图像和DSA图像；75ΩBNC接口，标准视频信号，能驱动3个标准显示设备。

视频信号处理部分。图像分辨率：768×576、720×540、540×540、512×512像素；图像位数：8 bit或10 bit；对输入的视频信号（50 Hz）进行倍频处理，输出100 Hz（隔行场频，或逐行祯频）视频信号；递归滤波数字去噪功能；通过一组外部信号（比如脚踏开关闭合信号）控制，图像冻结，能存储16幅冻结图像；通过另一组信号控制，末位图像冻结；能对图像进行镜像与负像处理；通过键盘或其他方式设置参数，控制“灰度”、“对比度”电平调整；视频通道带宽>8M，8M以上的高频衰减陡，量化噪声<分贝；具有字符叠加功能，键盘输入字符；能采集存储1～2 min实时图像，并对采集图像进行DSA（数字减影）等实时处理；图像采集时间长短根据内存大小可以调整设置，内存大小可以在一定范围扩展；图像±90°、±180°旋转，或任意角度旋转；能进行局部图像放大。

2系统性能分析和方案选择

2.1系统性能分析

①系统所要求采样的视频信号的图象分辨率最大是768×576，这是标准的PAL信号分辨率上限，也就是说我们需要处理的信号是标准的PAL兼容的CCIR信号，且是黑白图象信号，这对于我们处理视频信号更为方便。

②系统要求图像位数是8位或是10位，由于我们的医学应用中图像的清晰度置关重要，我们选择图像位数为10位。

③一般的PAL制信号的场频是50 Hz，但在高清晰视频信号采集的情况下选择100 Hz的场频是合适的，我们在电路中要做好50 Hz的倍频处理。

④视频的灰度调节和对比度调节使视频信号具有可调节性，更符合对于视频信号的可调节性，选择合适的方案后这部分的工作将变的很简单。

⑤系统很好的实现了图像的采集，存储和冻结，这对于医学影像中的处理是很重要的一个功能。这部分的功能实现也是很重要的。

⑥系统需要采集存储1～2 min实时图像，以最大的22 min和最大分辨率来计算。22 min的图像是： 25×120×768×576×16 bit=4 045 M~5 G

⑦系统需要能存储16幅冻结图像。所需要的存储器最大容量是：16×2 M=32 M。

2.2系统方案比较和选择

在系统总体方案的实现实现上选择DSP+ FPGA + ARM9+wince的实现方案。

系统采用两块电路板，一块电路板是协处理器电路，由视频采集电路+DSP+FPGA+视频输出电路+图像存储电路实现视频信号的采集和处理，一块电路板是主处理器电路，由ARM9+wince+人机界面构成，实现系统所要求的增强功能的其他功能和相应的键盘输入。把两块电路分开是系统可以做的很柔性，主处理器部分可以根据需要替换成工控机系统（PC系统），协处理器电路提供了相应的接口。图1为系统原理总体框图。

下面就主要的一些电路方案的比较和选择论述如下。

2.2.1视频采集电路

无论是摄像头信号的输出，视频信号的存储，视频信号的叠加、综合，还是DSP的算法实现，系统时基信号在系统的各个环节中都起着非常重要的作用。

系统的输入的是标准制式的电视信号，它是一种复合视频信号（简称CVBS），主要包括两个主要的信号，一是反映当前视场信息的视频信号，另一个是用于视频信号的接收以及同步扫描的同步信号。视频信号的采集、存储、处理和综合都需要知道复合视频信号中有用的视频信号何时开始何时结束，因此就需要产生代表这些信息的系统时基信号，包括行同步信号（简称HS）、场同步信号（简称VS）和像素时钟信号。随着技术的发展，在我们的系统中采用了另一种方案来实现内同步，即选用集成解码芯片结合视频分离电路来得到上面所说的两种视频信息。

2.2.2视频输出电路和倍频电路实现

现在的PAL标准信号使用的是50 Hz频率，在高清晰的电视处理中目前广泛的采用的100 Hz的场频，所以有必要在电路中实现50 Hz的倍频电路，传统的倍频电路是PLL+分频器，这样做不仅需要额外的电路实现而且成本高，我们在系统中也是选用合适的编码芯片，合适的编码芯片同时带有倍频电路，这样同步时序还是由FPGA产生，同步信号经过编码芯片倍频结合编码输出完成视频信号的输出。

2.2.3存储器选择

方案中冻结图像的存储器选择SRAM，SRAM的操作简单，速度快，适合实时存储。存储图像的要求是实时性，要求掉电不丢失的能力，在考虑到所要保存图片的最大容量，采用乒乓NVRAM+硬盘的方式。硬盘用来存储1-2分钟的图像，而NVRAM存储冻结图像。

2.2.4冻结图像和存储图像输

出

方案中采用了FPGA+VHDL

+存储器的方案。

系统有两路动态图像输出，设计成一路经DSP直接处理后送DA直接输出，另一路是要输出冻结图像，存储的图像。它的设计原理如下：

当系统的C路输出不需要输出时，即不需要输出冻结图像和存储的图像时，DSP处理好的图像数据不送入C路的存储部分，存储器的总线与DSP总线是断开的，与DA总线是连在一起的。当有图像冻结命令时，总线切换使得DSP总线处理好的图像送入冻结SRAM，连续保存，并在FPGA中做好索引，当图像冻结命令解除后，有FPGA中的总线切换开关断开DSP与存储器的连接，有与DA相连，有外部信号控制FPGA中的索引单元查找所要查开对像的地址，然后由相应的地址开始输出冻结的图像，地址不断循环，只要有新的控制命令。

显示存储和DSA的图像的原理与显示冻结图像的原理相同，不同的是因为要存储的实时图像的容量较大，所以选用IDE硬盘，IDE硬盘是挂在ARM9上的，如果直接操作速度是个瓶颈，所以考虑用NVRAM+硬盘的方式，NVRAM是掉电数据不丢失存储器，它有与SRAM相同的速度。我们采用乒乓存储的方式作为两者间的缓冲。采集数据放入到NVRAMa保存后,通过FPGA切换把采集的数据放到NVRAMb后，同时a中的数据转移到硬盘中，显示数据时也是采用相同的方法。

2.2.5字符产生

字符显示也是系统人机接口的重要部分，它以字符的形式在监视器的屏幕上实时显示出系统的工作状态和相关数据信息，以此提示系统的操控者实施相应的动作。

从字符叠加的工作方式及本身电路的构成来看，字符叠加技术可以有以下三种方法来实现。

第一种是“图解显示控制”即GDC 方法。它是利用中小规模数字集成电路来实现各部分所要求的严格的时序关系，将形成的字符信号与视频信号在预定的时间关系上混合并显示在屏幕上。

第二种是用CRT 控制器这一类专用集成电路的方法。常用的有8350、8275、MC6845等。它将“图解显示控制方式”中的中小规模集成器件构成的电路集成化。字符或图形等以点阵方式存储在外围的ROM或RAM 中。它使电路大为简化，因而使用较为方便。

第三种是单片“屏幕显示”（OSD）器件方法：因为在与电视有关的产品上并不需要显示很多的字符或图形，因此将以上CRT控制器中的外部存储器与其集成在一起而形成所谓专用字符叠加芯片。常见的有NEC公司的uPD6453字符叠加芯片以及富士通公司的MB90092字符、图形叠加芯片。

本文设计的系统中需要显示的字符量比较少，为了降低开发的成本，合理利用系统的资源，我们采用上述的第二种方案，但字符叠加控制器是由可编程逻辑器件编程实现。

3结语

本文的高性能X光视频图象采集和处理系统实现了对视频信号的实时采集、处理和存储，为信号的实时处理提供了方便。文章讨论的方案的比较与选择对于不同的系统要求都有借鉴意义，对医学视频图象数字化采集与处理方面作了一定的探讨，具有一定的应用价值。

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