利用赛灵思FPGA轻松应对内窥镜系统架构挑战

　　作者：赛灵思公司Jon Alexander

　　本文将对赛灵思FPGA进行全面论述，介绍其如何帮助内窥镜制造商克服复杂的设计约束，生产出极具竞争优势的产品；如何帮助他们成功构建外形小巧的低功耗内窥镜摄像头、高性价比的摄像机控制单元（CCU），以及多功能、低成本的图像管理设备。

　　内窥镜系统介绍

　　在某些疾病的诊断中，内窥镜拥有当今其他技术不可匹敌的卓越性能，如在结肠和溃疡息肉或消化道真菌的检查中。采用内窥镜诊断不仅可以避免辐射，而且对患者造成的痛苦也是最少的。由于具备这些与生俱来的固有优势，医生纷纷采用内窥镜技术，并不断要求实现技术的改良创新，以进一步提升成像能力。这种需求促使供应商采用窄带成像（Narrow Band Imaging）、自体荧光成像（Auto fluorescence Imaging）以及多带成像等最新技术。

　　通过实现微创手术技术，内窥镜极大地提高了患者的护理质量。医疗机构一直在寻求能以更高效率和更低成本进行手术治疗的创新途径。医生希望设备具有尺寸小、灵活性好、重量轻等优异特性，这样他们就能在摆放设备的时候在尽量长的时间里既让患者感到舒适，又不会让手术操作人员感到疲倦。在诊断和手术内窥操作中，医生需要通过小切口插入内窥镜，以获得可用的目标图像。在使用纤维内窥镜的诊断过程中，医生需要手持内窥镜一段时间。在手术过程中，虽然可将设备安装在机械装置上，但需要在狭小的空间里同时使用多个腹腔镜和手术工具，这给手术的安排带来了难度。

　　由于系统尺寸小，电子产品的发热量必须低，因为可用于热耗散的空间非常小，而且手持产品的外壳耐热性也非常低。这就要求供应商既要最大限度地缩小电子系统的机械尺寸，同时又要克服低功耗设计约束带来的更大挑战。

　　内窥镜系统架构

　　典型的内窥镜系统拥有五大组件（图1）。

　　

　　图1 内窥镜系统组件

　　摄像头

　　摄像头是一套物理设备，其内置CCD或CMOS图像传感器、预处理电子系统、光源接线以及水管、空气、真空和活组织检查工具等各种机械构件。

　　在纤维内窥镜中，图像传感器位于插管的远端；而在硬管内窥镜中，传感器位于插管的近端，往往就在摄像头的内部。可通过向摄像头输送电力和在两个单元之间传输数据的电缆将该摄像头连接至摄像头的控制单元。

　　摄像头的主要设计难题之一是要最大限度地缩小机械外形和电子线路的尺寸，以实现更高的易用性。为了进一步缩小外形尺寸，系统设计人员还可以减少摄像头所执行处理功能的数量，这就需要将绝大多数的图像处理功能让CCU来承担。图2显示了内窥镜摄像头典型的系统级功能方框图。

　　

　　图2 内窥镜摄像头方框图

　　可在CMOS/CCD图像传感器上生成原始图像，随后再传输到下游的图像处理链中，最后传输给CCU。图像传感器采用标准的拜尔模板，通过镜头阴影和失真模块来最大程度地减少噪声并实现均匀一致的图像。色彩过滤器阵列（CFA）能够完成像素之间的插补，并将拜尔图像转换到RGB色域。随后再用RGB图像对自动曝光、增益、白平衡以及对焦等其他参数自动进行控制。

　　摄像头设计挑战

　　内窥镜所用图像传感器和模拟电路系统的电源噪声容限较低。虽然电源是通过CCU的长电缆输送到摄像头上的，但摄像头中另安排有电源稳压和滤波电路，以保持摄像头系统实现无尖峰的稳定供电。电源稳压必须精心设计，因为电流通过长电缆所产生的阻抗会自动产生电压尖峰。在典型的系统中，电压尖峰可通过稳压来减轻，方法是在PCB板上安置大电容和在PCB板上增加大电容和旁路电容。此外，增加电容量还有助于减少逻辑器件等板载本地开关电路产生的噪音。但是，在内窥镜摄像头这样的小型系统中，在PCB上安置大电容显然不适合，也没有足够的空间在组件周边安置更多的电容。

　　最小化电源噪声的最佳解决方案是和减少摄像头中逻辑器件消耗的电量，这样就能限制电源突波和流经电源电缆中开关电流的大小，从而降低系统的本地噪声。

　　在选择内窥镜摄像头中采用的中央图像处理器时，一种解决方案需要实现多个ASSP和/或DSP处理器才能支持这些功能；但是，该些实现方案难以充分利用PCB板的板面布局。但单芯片解决方案是更好的解决方案，FPGA技术能以最佳的性价比为内窥镜系统的开发人员提供低功耗的单芯片解决方案。

　　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。

　　光源

　　光源通过光缆连接到摄像头，而光则随后通过另一组光缆传输到内窥镜的另一端，在采用内窥镜进行检查和治疗的过程中进行对象照明。

　　部分光源可通过以太网或者其他通信协议连接到图像管理单元，因而能够由使用图像管理接口的操作人员进行远程控制。FPGA可用单芯片解决方案来满足所有的用户接口和通信要求。Artix-7等小尺寸、低功耗FPGA由于优化组合了低功耗、高性能和高度的互连灵活性优势，非常适用于管理光源中的逻辑要求。

　　显示

　　显示设备是一个关键性的组件，能够影响内窥镜系统的诊断准确性。医用显示器具有独特的专用需求，如：异的灰阶和黑阶性能、厂内和现场校准、与可实现诊断和校准的PC通信、可将多台监控器连接在一起显示单幅图像、长线缆情况下可进行图像增强、抗强光、低反射，以及支持多路同步输入等。显示监控器必须符合严格的医疗安全和质量标准。该显示监控器可连接至CCU或者图像管理单元。另一种常见的情况是一套系统使用多台显示监控器，其中一台或者数台连接至CCU，以供医生或者助理观察之用，同时将另外的监控器连接到图像管理单元，以供其他人进行观察或者控制。图5显示了典型的方框图。

　　

　　图5 医疗显示器方框图

　　多种不同的技术解决方案可以满足显示监控器的逻辑要求。只有FPGA能够提供可用于整个产品线的低成本且上市进程快的可扩展解决方案。此外，它们不仅能够支持显示器中多种多样的接口标准，而且还能执行所需的图像增强、伽玛校正、降噪处理功能，从而构成协调一致的整体。

　　如何降低内窥镜系统功耗？

　　对于内窥镜系统的设计来说，如何降低功耗是一个重大的挑战。在医疗系统中，这项要求源自必须遵从的非常严格的安全和质量规定。为了符合安全和质量要求，电源设计的成本和复杂性会随功耗的上升而大幅度增加。系统设计人员一直努力采用最新的技术和设计方法，以期在不牺牲性能的情况下将功耗保持在最低水平。

　　热量是另一个推动功耗降低的因素。集成了大量系统门的半导体器件在以高时钟频率工作时，产生的热量必须尽快从系统中散出，才能使组件的温度保持在规定的范围内。为了高效散热，必须对散热片、风扇、封装以及PCB进行精心设计。热量管理系统会增加系统的总体重量、大小和成本，而增加风扇的转速也会进一步增加功耗。

　　接口

　　内窥镜系统采用多种不同类型的逻辑器件来处理各种各样的互联和处理任务。每个器件都具有独特的接口要求，这就需要多样化的互联解决方案。内窥镜系统对高带宽的需求来自多个方面，其中包括高分辨率图像传感器、大型显示器以及通过电线在系统组件之间传输串行数据等。图6显示了用于内窥镜系统中的通用接口。

　　

　　图6 内窥镜系统的通用接口

　　在解决复杂接口问题时，FPGA能够在合理的价格水平中提供最高数量的I/O，并支持大多数接口标准。因此，普遍将其用于处理内窥镜系统面临的接口难题。根据所采用FPGA的大小，系统架构师可以准确判定，为USB等最复杂的功能提供专用的接口器件是最具性价比的做法。

　　赛灵思FPGA在内窥镜中的应用

　　赛灵思FPGA不仅仅是一个芯片器件，更是一个设计生态系统，其配套提供设计工具和全面的IP库，能帮助用户迅速开展设计工作。由于该芯片器件是赛灵思设计的，故对系统设计人员来说，无NRE和生产成本，只需开发设计，下载设计文件到器件，就能完成特定设计的配置工作。

　　赛灵思FPGA的功耗优势

　　高功耗要求会增加内窥镜系统的成本、尺寸和噪声，同时影响可靠性和性能。赛灵思已经生产出高性能、低功耗FPGA，非常适用于内窥镜摄像头、CCU和显示器。

　　通过利用最先进的工艺，赛灵思实现了功耗、性能、成本和特性的最佳平衡。赛灵思赋予了客户持续推动每个产品系列的技术节点进步，轻松将芯片器件升级到新一代工艺技术的能力。

　　赛灵思FPGA采用的高速DSP模块可以充分发挥专用高性能处理Slice的优势，从而稳固赛灵思的性能领先地位。赛灵思FPGA还提供了局部存储器和逻辑资源，能够充分满足内窥镜应用的性能要求。同时结合嵌入式处理、标准化I/O和业经验证的软IP生态系统，为客户提供了一条降低产品开发风险、成本，缩短开发周期的捷径。

　　采用可扩展设计实现成本节约

　　赛灵思Artix-7、Kintex-7和Virtex-7三大7系列FPGA产品采用近乎相同的逻辑架构。这样实现了跨器件的IP移植性，系统设计人员可以上/下扩展设计，通过单个基础设计就能高效实现整条产品线。对内窥镜系统来说，这样做非常有价值，因为具有不同特性集和图像分辨率的不同系统往往采用各自专有的图像处理IP或功能。赛灵思的通用器件架构较将RTL从一个FPGA架构移植到另一个FPGA架构的典型做法，让系统设计人员在重新编码的成本和时间上均实现了显著的节约。

　　总结

　　FPGA理想适用于要求小尺寸、低功耗和高性能的内窥镜系统。赛灵思Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA除了提供与ASIC相媲美的卓越性能外，同时还具有低偶生工程总成本（NRE）、大幅缩短产品上市时间、可扩展设计和高I/O数量的优势。另外，赛灵思的定制低功耗工艺，结合先进的功耗优化工具，较同类竞争解决方案实现了功耗的大幅降低。所有这些优势综合在一起，让内窥镜系统开发人员能够在预算和功耗约束范围内迅速部署采用最先进技术的系统，从而改善患者的护理。