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基于FPGA的电子内窥镜CCD彩色图像采集与显示系统

基于FPGA的电子内窥镜CCD彩色图像采集与显示系统 2011年12月10日 来源： 1　引　言　　1983年，美国Welch Allyn公司研制成功了电子内窥镜，使内窥镜技术跨入电子时代［1］。电子内窥镜技术是目前最先进的内窥镜技术，该技术的发展使得医学成像技术向前迈进一大步。与CT、B超图像成像原理不同，它是用光学镜头成像于面阵CCD（电荷耦合器件），由CCD进行光电变换，将图像由光信号转换成视频电信号经电缆传送到监视器上显示［2］。因此电子内窥镜系统是一个超小型CCD的图像采集与显示系统。　　与传统的分离器件和大规模集成芯片构成的电子内窥镜不同，系统采用FPGA（现场可编程门阵列）器件实现图像采集及显示系统控制。可编程器件综合了分离器件与大规模集成芯片的优点，具有用户可编程特性，极大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。而且器件包含大量的门电路，具有高的速度，使设计的电子产品达到小型化，集成化和高可靠性［3］。2　系统的构成　　图1是CCD图像采集与显示系统的构成图，系统包括：时钟、图像采集、视频处理及A/D、显示缓存、计算机接口、视频输出（D/A及视频编码）等几个部分。本文主要论述系统的图像采集、显示缓存控制及系统时钟发生。图1　系统的构成　　2.1　CCD图像采集　　CCD器件是一种多用途器件，可用作存储器、信号处理电路和图像采集器件等。作为图像采集器件，与摄像管相比，CCD 器件没有色的阴影效应，摄取的图像无灼伤现象，无余像。它的灵敏度高，工作稳定［4］。由于CCD 是放置在进入人体消化道的内窥镜镜头部分，其尺寸受到很大的限制，一般不超过Φ4mm，这也限制了超小型CCD彩色图像采集系统方案的选择。由于体积庞大，三色CCD方案首先被排除。同体积的CCD，彩色CCD比单色CCD的分辨率低，因此系统采用单片单色CCD(黑白CCD)方案。它是利用旋转三色滤色片分时顺序摄取图像的红、绿、兰信号，经过显示缓存控制同时输出到监视器显示真彩色图像。系统采用的是德克萨斯仪器公司于九十年代推出的TC221，这种全帧操作的面阵图像传感器是专门为适应应用环境恶劣或者需要小型化的医学及工业应用而设计的，其对角线长为2.4mm，满足内窥镜镜头部分对直径的限制，分辨率为190×190。对CCD的控制关键在于对它驱动信号的控制上，只有按给定的操作时序做出的驱动信号才能正确地得到CCD采集到的视频信号。TC221的时序如图2所示。IAG是行移时钟，SRG是串行移位时钟，ABG是防开花脉冲。从时序图中可看出IAG和SRG之间有严格的时序对应关系。图2　TC221时序　　2.2　视频显示缓存　　系统的视频显示缓存是系统的核心。通过它对图像数据的接收、存储、发送，同时作为高速设备与低速设备的缓解环节，满足系统对图像数据在输出到监视器上正确显示所作的多方面的处理要求。系统的显示缓存在系统中主要完成以下几个功能：　　.高速CCD与低速的监视器读写的矛盾；　　.单色CCD图像的真彩色处理；　　.全帧CCD逐行输出信号的奇偶场分离；　　.通过实现大小双画面显示，画面冻结，冻结画面换帧。　　可见视频显示缓存是系统控制中最关键、最复杂的部分，系统的显示缓存主要由FIFO、VRAM及由FPGA构成的控制电路组成。　　TC221的行转移时钟的频率为32k，而监视器的行频为15.625k，这种行频的不一致性会导致显示的错误，FIFO作为场缓存可以缓解这种CCD快读与监视器慢写的矛盾。通过巧妙控制VRAM的分页，分区及写入地址实现单色CCD图像的真彩色处理，全帧CCD逐行输出信号的奇偶场分离及窗口控制等。　　2.2.1　双端口存储器(VRAM)　是近年来新发展的一种图形图像存储芯片，系统采用了日立公司的TC528257，它采用了双存储体及双数据口(双端口)结构，可直接在10MHz以上的时钟下工作，它与普通的存储器最大的差别在于其内部含有两个不同类型的存储体，一个容量为256k×8bit的动态存储体(DRAM)，另一个容量为512×8bit的高速串行存储体(SAM)，并且各自都有自己的数据端口。两个存储体既可分别独立工作，又可相互之间传递数据。它解决了其它存储器不能同时读写的矛盾，与其它存储器比，所需的存储器数目最少，外围辅助器件最少，图像的彩色效果最好。　　TC528257具有很强的功能，有多种工作方式，管理比较复杂。系统中主要应用了TC528257的三种工作方式：读传送、快速页模式写入、CBR自动刷新。读传送在行逆程从DRAM向SAM传送一行数据，在行正程以快速页模式写入方式一次向VRAM写入一行信号的同时从SAM串出一行数据给D/A转换。DRAM存储体与一般动态存储体一样需要刷新否则信号会丢失，系统采用CBR(CAS置前RAS)自动刷新方式在行逆程采用集中刷新，使每行完成对8行的刷新，总的刷新周期为：512行/8*64μs=4.096ms，可满足刷新周期要求。　　系统采用六片TC528257构成三页存储体，分别

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