专家教你缩短医疗内窥镜系统的开发时间

图2.内窥镜塔(系统)图

图像数据通路和相应的处理功能可以在逻辑上分成三部分(参见图3)：视频处理;视频后处理;视频显示和传输。

图 3. 内窥镜系统功能图

摄像头视频预处理

在原始视频图像的视频采集和处理阶段，内窥镜摄像头视频采用了不同的图像处理算法。图像规划人员使用高级软件工具对各种算法和结果进行建模。设计人员可以使用开放源工具箱进行图像寄存和分段处理。这些工具通过软件对图像应用和算法开发进行了优化，但并不在 FPGA 中实现。Altera 的定点和浮点设计方法、在 MATLAB 软件中开发的算法，以及Simulink软件中的系统级设计为设计人员提供了高效的DSP设计方法，实现了高性能FPGA。Altera还与业界经验丰富的设计公司合作，提供摄像头处理流水线算法解决方案和预处理功能。Altera Cyclone V 和 Arria V FPGA 满足了这一视频处理级的设计需求：

Cyclone V器件实现了业界最低的系统成本和功耗，其性能水平使得该器件系列成为突出您大批量应用优势的理想选择。

对于中端应用，Arria V FPGA 在成本和性能上达到均衡，总功耗也是最低的。

视频后处理

视频处理非常适合采用FPGA实现，特别是向1080p HD或者4K分辨率发展。使用Altera现有的视频后处理解决方案，设计人员可以将精力放在某些目标市场的增值功能上。1080p工作台可以采用Altera的IP内核视频和图像处理(VIP)套装，它提供了在HDL或者 Simulink中开发的用户定义的算法。采用Qsys系统集成工具，很容易在设计中集成标准流协议。

视频显示、传送和存储

Altera的 1080p视频设计工作台支持各种视频和存储接口，包括，SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和专有标准。作为这一工作台的一部分，Altera提供完整的上、下和交叉转换 (UDX)参考设计，它具有双通道视频处理流水线，您可以迅速启动设计。4K分辨率画面清晰真实，是必须的视频增强功能。4K视频上转换格式转换参考设计通过3G-SDI接口接收1080p视频格式，将其上转换为4K x 2K分辨率，通过四路 3G-SDI接口进行输出。

Altera 的内窥镜系统解决方案

Altera的精度可调DSP、1080p视频设计工作台以及 4k参考设计能够提高设计效能，有利于满足医疗内窥镜设备的设计需求。

28 nm 的精度可调 DSP

在任何高级医疗成像解决方案中，需要高性能DSP资源和高效的设计工具才能满足系统要求。如图4 所示，Altera 的 DSP Builder 工具结合精度可调 DSP 为视频算法提供了高效的浮点或者定点DSP设计。

图 4. 定制定点或者浮点算法 DSP 解决方案

利用DSP Builder高级模块库，设计人员可以在MATLAB/Simulink 设计中进行高级Simulink 综合以及时序驱动优化。采用 Simulink 等高级工具，满足用户设定的 fMAX 或者延时来进行设计优化，这一功能在Altera和一些供应商工具中是独一无二的。基本上，这表明设计人员可以设定一个 “表盘”，为您的系统选择合适的 fMAX 和延时，DSP Builder 工具会完成剩余的工作。工具会加入寄存器，以提高 fMAX，或者对某些关键通路进行并行处理，以满足延时约束要求，避免了花费数星期手动处理得到的HDL代码。

Altera 的 28-nm FPGA 自然支持单精度乘法器，非常适合定点和浮点实现。Altera 的Stratix V FPGA 具有独特的精度可调 DSP 体系结构，性能高达每秒万亿次浮点操作(teraFLOPS)。

1080p 视频设计工作台

提高医疗设计团队的效能需要使用高性能工作台工具，这一工具应使用方便，支持各种功能和IP。虽然其他FPGA供应商提供一些单独的视频功能，而Altera是唯一提供包括20个视频功能设计工作台的供应商，支持流视频接口标准，提供6个经过硬件验证的参考设计，以及多种视频开发套件。采用 Altera 的 1080p 视频设计工作台，设计人员开始已有的工作设计，在常见功能上重新使用经过预验证的IP，例如，缩放、去隔行和合成，加入到定制功能或者 OEM的内部IP中，与从头开发新设计相比，在更短的时间内完成设计。

VIP 套装

1080p视频设计工作台的关键组成是IP内核 VIP套装，如图5 所示，用在各种图像数据通路上。VIP套装包括20个常用的构建模块功能，从简单的颜色空间转换器和alpha混合合成器，到多相缩放和运动自适应去隔行等非常复杂的功能。此外，Altera合作伙伴提供图像IP帮助您进行开发，以降低噪声，进行边沿探测和局部处理，使图像稳定，或者旋转图像。

图 5. IP内核 VIP 套装

广播质量参考设计

可以在现有设备或者其他供应商的老一代视频路由设备和医疗级监视器上安装新的内窥镜系统。这一设置要求新内窥镜系统支持新的和已有的视频标准。Altera的HD参考设计实现了隔行和逐行格式视频标准清晰 (SD)、HD和3-Gbps视频流的高质量UDX设计。这些参考设计软件和硬件可配置，支持快速系统配置和设计。设计面向典型的广播应用，可以用于医疗视频应用中，实现高分辨率显示、视频交换机、多视角查看、转换器以及远程医疗会议等应用。请参考图6。高性能 Stratix IV GX 和低成本 Arria V GX开发套件都提供这些参考设计。