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医用电子内窥镜彩色图像畸变实时校正硬件系统的研究

作　者: 宋玲玲
导　师: 郁道银
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 医用电子内窥镜 图像畸变 实时校正 视频控制 FPGA
分类号: TH772
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 203次
引　用: 9次
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内容摘要


医用电子内窥镜是当前应用非常广泛的医疗仪器，医生通过内窥镜能直接观察到人体内脏器官的组织形态、体内病变情况，方便地进行诊断。由于医用电子内窥镜广泛采用广角物镜，图像存在严重的畸变。受计算机运算速度的限制，软件只能校正静态图像的畸变，不能对动态图像进行校正，因此本文利用超大规模集成电路的高速性能，设计了硬件畸变校正系统，以达到实时校正的要求。 从数字图像处理的观点来看，图像畸变校正实际上是图像的恢复问题，包括空间位置校正和灰度校正。本文以点阵样板校正方法为基础，将定制的标准点阵样板通过内窥镜的光学系统成像，通过拟合畸变图像和样板图像间的关系确定畸变函数，以此进行空间位置校正。灰度校正采用零阶插值，这是由硬件的访问速度决定的。 用硬件实现畸变校正的方法是先用软件计算出空间位置校正的结果，并转换为电路校正所需的地址，固化在硬件查找表中，然后通过读取查找表中的数据对灰度进行校正。为此需要在软件环境下对硬件校正过程进行模拟，在保证校正图像质量的前提下，尽量减少硬件查找表的存储容量，以减少系统的体积。 硬件系统的功能包括视频信号的解码、畸变图像的校正和校正图像的编码。解码器采用 Philips 公司的视频 A/D 芯片 SAA7111 将视频信号转换为 16bit YUV数字图像输出。编码器采用 Conexant 公司的视频 D/A 芯片 Bt864 将校正的数字图像转换为视频信号输出。电路中采用 SRAM 存储输入和输出图像，EPROM 作为查找表，并用 FPGA 作为视频控制中心，实现对其余芯片的控制。 由于 FPGA 是整个系统的控制中心，负责控制解码、校正和编码等功能，所以 FPGA 程序设计是本文中任务量最大的部分。根据各芯片的功能，详细地介绍了 FPGA 产生外部电路控制逻辑的方法，给出了相关的实验波形图和硬件系统的整体调试结果。 最后，分析了硬件系统的误差来源，比较了畸变校正的效果，总结了系统的特点，提出了改进的措施和方法。本系统工作在 PAL 制式下，场频 50Hz，图像采样频率 13.5MHz，校正图像大小为 702×576，输入信号和输出信号均为标准视频信号，校正图像可直接送入监视器显示。校正前畸变图像的相对畸变是-19.2%，校正图像的相对畸变是-0.7%，系统有效地改善了图像的畸变失真。从畸变图像输入到校正图像输出的延时为 40ms，人眼根本察觉不到，实现了实时性的要求。

全文目录


摘 要  3-4
Abstract  4-9
第一章 绪 论  9-18
  1.1 电子内窥镜发展概述  9-12
    1.1.1 内窥镜发展简介  9-10
    1.1.2 电子内窥镜的成像原理与构成  10-11
    1.1.3 电子内窥镜在临床应用上的优点  11
    1.1.4 电子内窥镜的主要功能  11-12
  1.2 研究图像畸变实时校正系统的目的及意义  12-15
    1.2.1 畸变的产生与校正意义  13-14
    1.2.2 国内外研究动态  14-15
  1.3 论文的主要工作  15-18
第二章 图像畸变校正原理与方法  18-28
  2.1 图像几何运算的一般原理  18-20
    2.1.1 几何运算  18-19
    2.1.2 空间变换的实现  19
    2.1.3 灰度级插值  19-20
  2.2 畸变校正方法的选择  20-24
    2.2.1 已知光学参数求畸变曲线  20-23
    2.2.2 标准样板标定法  23-24
  2.3 点阵样板校正过程  24-26
  本章小结  26-28
第三章 点阵样板校正算法的软件设计与硬件模拟  28-44
  3.1 MATLAB 简介  28-29
  3.2 图像灰度化  29-30
  3.3 图像阈值分割  30-36
    3.3.1 简单直方图分割  31-32
    3.3.2 最佳阈值分割  32-34
    3.3.3 类间方差阈值分割  34-36
  3.4 插值与校正  36-37
  3.5 硬件校正的软件模拟与方法选择  37-43
    3.5.1 RGB 与 YCbCr 的转换和数字视频采样  37-39
    3.5.2 适合硬件校正方法的选择  39-41
    3.5.3 查找表的数据分配  41-43
  本章小结  43-44
第四章 硬件电路设计  44-56
  4.1 整体方案  44
  4.2 硬件系统功能与构成  44-51
    4.2.1 视频解码器  45-47
    4.2.2 帧存储器  47
    4.2.3 线驱动  47-49
    4.2.4 视频处理器 FPGA  49-51
    4.2.5 查找表  51
    4.2.6 视频编码器  51
  4.3 硬件电路的 PCB 设计  51-55
    4.3.1 PCB 设计的一般原则  52-53
    4.3.2 电路抗干扰措施  53-54
    4.3.3 混合信号 PCB 设计原则  54-55
  本章小结  55-56
第五章 FPGA 程序设计  56-84
  5.1 解码器和编码器的I2C寄存器设置  56-63
    5.1.1 I2C总线的基本原理  56-57
    5.1.2 AHDL实现I2C通信  57-61
    5.1.3 解码器与编码器的I2C配置  61-63
  5.2 编码器的同步控制  63-72
    5.2.1 电视制式  63-67
    5.2.2 编码器的同步设计  67-72
  5.3 帧存储器的读/写控制  72-77
    5.3.1 帧存储器的寻址  72-73
    5.3.2 片选及读、写控制信号  73-77
  5.4 线驱动的控制逻辑  77-78
  5.5 YUV 与 YCbCr 的转换  78-80
    5.5.1 CCIR-601 视频标准  78
    5.5.2 YUV 与 YCbCr  78-79
    5.5.3 锁存缓冲设计  79-80
  5.6 查找表的读取  80-81
  5.7 电路整体调试  81-83
    5.7.1 标准彩条信号  81-82
    5.7.2 原图像输入－输出  82
    5.7.3 输出校正图像  82-83
  本章小结  83-84
第六章 误差来源、精度分析与展望  84-92
  6.1 误差来源与精度分析  84-87
  6.2 校正图像的像质评价  87-90
  6.3 结论与展望  90-92
参考文献  92-95
致 谢  95-96
攻读硕士学位期间发表及录用的学术论文  96

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 医药卫生器械 > 医用电气机械
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