利用赛灵思FPGA轻松应对内窥镜系统架构挑战

摄像机控制单元

CCU通过DVI或者SDI接口从摄像头接收RGB或YUV格式的图像数据，然后执行可增强图像质量的任意组合的处理步骤。专用图像处理器件通常用于在最低延迟水平下以高分辨率提供优化的图像质量。

图3典型CCU的功能方框图

第一阶段的图像增强特性一般包括：(1)降噪;(2)边缘增强;(3)宽泛的动态范围校正。

在图像增强阶段之后是用户控制的图像调整，一般包括：(1)数字缩放;(2)视频转换器;(3)静态图像捕获。

通常情况下，不仅可将处理器用来管理数据流和控制CCU的算法和功能，而且还能监控至摄像头、图像管理单元和显示器的通信。

降噪：保持视频的清晰对内窥镜系统而言至关重要。在CCU中使用降噪算法，以实现进一步的改进。在使用较低帧速率的小型应用中，降噪算法在提升图像质量方面发挥着关键性的作用。时间降噪即基于运动的降噪技术通常最适合于需要解决运动问题的内窥镜应用。如，在某些特定应用领域，我们可采用空间降噪技术。在空间降噪中，可对噪声进行逐帧检测和纠正，但这项技术会降低图像的清晰度，因此可能需要混合采用空间/时间滤波器。

边缘增强

对于内窥镜而言，边缘增强是一种非常重要的图像处理技术，因为其能帮助医生更全面地查看组织中的非正常现象。内窥镜可充分利用各种边缘增强技术。索贝尔算子和双边滤波器是两种最常用的实现方案。

宽动态范围校正

宽动态范围(WDR)是指影像系统在各影像内明暗度差别很大的情况下提供清晰影像的能力。由于内窥镜一般采用的设置是在亮前景和暗背景下采集图像。WDR处理算法构成了系统的关键性组件。WDR处理器模块越接近传感器，对最终图像质量的影响就越大。但是为了克服摄像头在功耗和器件密度方面受到的制约，设计人员需要考虑将WDR处理放置在CCU中。

数字缩放

在内窥镜系统中，缩放功能是一项非常重要的功能，可以让医生更加清晰地查看对象。数字缩放会以牺牲部分分辨率为代价而增大图像的尺寸。

视频转换器

视频转换器的作用是把视频流映射为对接收设备适合的深度位宽比和分辨率。如图3所示，CCU可将视频流输出到本地显示器和图像管理单元。本地显示器的分辨率和深度位宽比可以比原始视频格式低得多，这样视频转换器就可以根据显示设备的要求相应调整视频，并将视频流直接传输至图像管理单元。

静态图像捕获

医生使用静态图像能够迅速捕获并共享对象组织的图像。内置于某些图像传感器中的传感器控制电路包含一个静态图像捕获电路。在其他系统中，这项功能通常由下游执行，即在执行图像增强功能之后进行。静态图像捕获功能既可用硬件、也可用软件执行，图像一般在由医生保存到磁盘上之前都保存在本地存储器中。

摄像机控制单元的设计挑战

在内窥镜手术中，医生眼疲劳是需要纳入考虑范围的一个问题。因此需要可减少视频滞后和实现最高帧速率的高速图像处理功能，来提供流畅的视频。

内窥镜供应商常常会在CCU中采用独特的图像增强功能来实现产品的差异化，而且不断地提升处理功能，在不牺牲处理速度的情况下交付新的图像增强方案。CCU也受到功耗预算、上市进程以及成本的限制。而将FPGA用作主图像处理器能够在性价比、功耗以及开发周期之间实现最佳平衡。同时，还可将多个接口集成到单个器件中以提供接口桥接，从而既可减少组件数量，又能降低系统的成本和功耗。

图像管理

在内窥镜系统中，图像管理单元功能很多，如：图像文件管理、网络连接及后处理图像增强功能等。在紧凑型系统中，可将图像管理功能融合成CCU的一个单元;在大型系统中，则可以用作独立单元。图像管理单元一般采用PC风格的架构，基于处理器系统而构建。该单元可采用如Windows或Linux等操作系统，同时为内窥镜提供定制的GUI。其可有多路视频输入，以从不同角度或者用不同缩放水平同时显示图像。此外，该单元还可以通过鼠标和键盘进行控制，并拥有自己的监控器。

图4 图像管理单元

高端系统，特别是采用高清视频的系统，往往会把视频接口和视频处理任务交由赛灵思FPGA执行。在这种情况下，图像管理的各种功能均由FPGA硬件处理，而非由处理器中的软件执行。该架构能确保视频流仅由高性能逻辑电路处理，从而生成不会给同步运行在处理器中的其他进程造成影响的低滞后视频。此外，系统设计人员还可充分利用FPGA提供的高引脚数和多功能I/O接口标准来实现数据、网络、存储和用户接口，从而有助于减少系统的总器件数。