專家教你縮短醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間

圖2.內(nèi)窺鏡塔(系統(tǒng))圖

圖像數(shù)據(jù)通路和相應(yīng)的處理功能可以在邏輯上分成三部分(參見圖3)：視頻處理;視頻后處理;視頻顯示和傳輸。

圖 3. 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)功能圖

攝像頭視頻預(yù)處理

在原始視頻圖像的視頻采集和處理階段，內(nèi)窺鏡攝像頭視頻采用了不同的圖像處理算法。圖像規(guī)劃人員使用高級(jí)軟件工具對(duì)各種算法和結(jié)果進(jìn)行建模。設(shè)計(jì)人員可以使用開放源工具箱進(jìn)行圖像寄存和分段處理。這些工具通過軟件對(duì)圖像應(yīng)用和算法開發(fā)進(jìn)行了優(yōu)化，但并不在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)。Altera 的定點(diǎn)和浮點(diǎn)設(shè)計(jì)方法、在 MATLAB 軟件中開發(fā)的算法，以及Simulink軟件中的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員提供了高效的DSP設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了高性能FPGA。Altera還與業(yè)界經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)公司合作，提供攝像頭處理流水線算法解決方案和預(yù)處理功能。Altera Cyclone V 和 Arria V FPGA 滿足了這一視頻處理級(jí)的設(shè)計(jì)需求：

Cyclone V器件實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最低的系統(tǒng)成本和功耗，其性能水平使得該器件系列成為突出您大批量應(yīng)用優(yōu)勢的理想選擇。

對(duì)于中端應(yīng)用，Arria V FPGA 在成本和性能上達(dá)到均衡，總功耗也是最低的。

視頻后處理

視頻處理非常適合采用FPGA實(shí)現(xiàn)，特別是向1080p HD或者4K分辨率發(fā)展。使用Altera現(xiàn)有的視頻后處理解決方案，設(shè)計(jì)人員可以將精力放在某些目標(biāo)市場的增值功能上。1080p工作臺(tái)可以采用Altera的IP內(nèi)核視頻和圖像處理(VIP)套裝，它提供了在HDL或者 Simulink中開發(fā)的用戶定義的算法。采用Qsys系統(tǒng)集成工具，很容易在設(shè)計(jì)中集成標(biāo)準(zhǔn)流協(xié)議。

視頻顯示、傳送和存儲(chǔ)

Altera的 1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)支持各種視頻和存儲(chǔ)接口，包括，SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和專有標(biāo)準(zhǔn)。作為這一工作臺(tái)的一部分，Altera提供完整的上、下和交叉轉(zhuǎn)換 (UDX)參考設(shè)計(jì)，它具有雙通道視頻處理流水線，您可以迅速啟動(dòng)設(shè)計(jì)。4K分辨率畫面清晰真實(shí)，是必須的視頻增強(qiáng)功能。4K視頻上轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)通過3G-SDI接口接收1080p視頻格式，將其上轉(zhuǎn)換為4K x 2K分辨率，通過四路 3G-SDI接口進(jìn)行輸出。

Altera 的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案

Altera的精度可調(diào)DSP、1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)以及 4k參考設(shè)計(jì)能夠提高設(shè)計(jì)效能，有利于滿足醫(yī)療內(nèi)窺鏡設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。

28 nm 的精度可調(diào) DSP

在任何高級(jí)醫(yī)療成像解決方案中，需要高性能DSP資源和高效的設(shè)計(jì)工具才能滿足系統(tǒng)要求。如圖4 所示，Altera 的 DSP Builder 工具結(jié)合精度可調(diào) DSP 為視頻算法提供了高效的浮點(diǎn)或者定點(diǎn)DSP設(shè)計(jì)。

圖 4. 定制定點(diǎn)或者浮點(diǎn)算法 DSP 解決方案

利用DSP Builder高級(jí)模塊庫，設(shè)計(jì)人員可以在MATLAB/Simulink 設(shè)計(jì)中進(jìn)行高級(jí)Simulink 綜合以及時(shí)序驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。采用 Simulink 等高級(jí)工具，滿足用戶設(shè)定的 fMAX 或者延時(shí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，這一功能在Altera和一些供應(yīng)商工具中是獨(dú)一無二的?；旧希@表明設(shè)計(jì)人員可以設(shè)定一個(gè) “表盤”，為您的系統(tǒng)選擇合適的 fMAX 和延時(shí)，DSP Builder 工具會(huì)完成剩余的工作。工具會(huì)加入寄存器，以提高 fMAX，或者對(duì)某些關(guān)鍵通路進(jìn)行并行處理，以滿足延時(shí)約束要求，避免了花費(fèi)數(shù)星期手動(dòng)處理得到的HDL代碼。

Altera 的 28-nm FPGA 自然支持單精度乘法器，非常適合定點(diǎn)和浮點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。Altera 的Stratix V FPGA 具有獨(dú)特的精度可調(diào) DSP 體系結(jié)構(gòu)，性能高達(dá)每秒萬億次浮點(diǎn)操作(teraFLOPS)。

1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)

提高醫(yī)療設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的效能需要使用高性能工作臺(tái)工具，這一工具應(yīng)使用方便，支持各種功能和IP。雖然其他FPGA供應(yīng)商提供一些單獨(dú)的視頻功能，而Altera是唯一提供包括20個(gè)視頻功能設(shè)計(jì)工作臺(tái)的供應(yīng)商，支持流視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，提供6個(gè)經(jīng)過硬件驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)，以及多種視頻開發(fā)套件。采用 Altera 的 1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)，設(shè)計(jì)人員開始已有的工作設(shè)計(jì)，在常見功能上重新使用經(jīng)過預(yù)驗(yàn)證的IP，例如，縮放、去隔行和合成，加入到定制功能或者 OEM的內(nèi)部IP中，與從頭開發(fā)新設(shè)計(jì)相比，在更短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。

VIP 套裝

1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)的關(guān)鍵組成是IP內(nèi)核 VIP套裝，如圖5 所示，用在各種圖像數(shù)據(jù)通路上。VIP套裝包括20個(gè)常用的構(gòu)建模塊功能，從簡單的顏色空間轉(zhuǎn)換器和alpha混合合成器，到多相縮放和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行等非常復(fù)雜的功能。此外，Altera合作伙伴提供圖像IP幫助您進(jìn)行開發(fā)，以降低噪聲，進(jìn)行邊沿探測和局部處理，使圖像穩(wěn)定，或者旋轉(zhuǎn)圖像。

圖 5. IP內(nèi)核 VIP 套裝

廣播質(zhì)量參考設(shè)計(jì)

可以在現(xiàn)有設(shè)備或者其他供應(yīng)商的老一代視頻路由設(shè)備和醫(yī)療級(jí)監(jiān)視器上安裝新的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。這一設(shè)置要求新內(nèi)窺鏡系統(tǒng)支持新的和已有的視頻標(biāo)準(zhǔn)。Altera的HD參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了隔行和逐行格式視頻標(biāo)準(zhǔn)清晰 (SD)、HD和3-Gbps視頻流的高質(zhì)量UDX設(shè)計(jì)。這些參考設(shè)計(jì)軟件和硬件可配置，支持快速系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)面向典型的廣播應(yīng)用，可以用于醫(yī)療視頻應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)高分辨率顯示、視頻交換機(jī)、多視角查看、轉(zhuǎn)換器以及遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)議等應(yīng)用。請(qǐng)參考圖6。高性能 Stratix IV GX 和低成本 Arria V GX開發(fā)套件都提供這些參考設(shè)計(jì)。