【摘 要】
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胶囊内窥镜系统作为一种无痛无创、安全舒适的肠胃疾病检查方式,已广泛应用于国内外临床。受检者吞服胶囊后,内置的高清相机通过无线传输装置将图像数据传出体外,从而对病情做出诊断。随着临床精准诊断对图像分辨率、帧频的要求越来越高,系统传输数据量与有限信道带宽的矛盾愈加突出,图像压缩技术成为提升系统数据传输性能、降低系统功耗的关键。本论文研究内容涉及胶囊内窥镜图像压缩传输系统设计与实现,面临高保真、强实时两
【基金项目】
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校企合作项目“无线胶囊内窥镜系统关键技术研究与工程化实现”
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胶囊内窥镜系统作为一种无痛无创、安全舒适的肠胃疾病检查方式,已广泛应用于国内外临床。受检者吞服胶囊后,内置的高清相机通过无线传输装置将图像数据传出体外,从而对病情做出诊断。随着临床精准诊断对图像分辨率、帧频的要求越来越高,系统传输数据量与有限信道带宽的矛盾愈加突出,图像压缩技术成为提升系统数据传输性能、降低系统功耗的关键。本论文研究内容涉及胶囊内窥镜图像压缩传输系统设计与实现,面临高保真、强实时两大压缩难题。本文结合胶囊内窥镜图像的特点,研究压缩方法,设计硬件编码器架构,并研制实时压缩传输系统。在压缩方法层面,分析了胶囊内窥镜CFA（Color Filter Array）图像特点,以HPCM（Hierarchical Prediction and Context Modeling）无损压缩算法为基础,针对层级预测和算术编码计算复杂度高的问题,提出轻量化的预测和编码方案,形成低复杂度的帧内无损压缩算法MHPCM,实验结果表明压缩比损失小于5%。进一步的,分析了连续色调图像无损压缩标准JPEG-LS用于CFA图像预测效率低的问题,提出预测模板重构方案;结合图像序列间的相关性,提出基于运动补偿的帧间预测方案,形成CFA图像帧间无损压缩算法MJPEG-LS,实验结果表明压缩比提升60%以上。在编码器架构层面,针对低复杂度帧内无损压缩算法MHPCM的计算特性与非因果模板实现瓶颈,提出微块重排方案,设计了全流水硬件编码器架构;针对帧间无损压缩算法MJPEG-LS压缩比高而运动补偿计算复杂的特点,提出基于交换二进制位的精简分块数据寻址、基于滑窗结构的高数据重用全搜索块匹配等优化方案,设计了全局流水、局部并行硬件编码器架构,提升编码速率的同时降低硬件开销。在系统实现层面,设计了基于FPGA的微型化、低功耗图像压缩传输系统。经验证,MHPCM编码器实现规模为93K等效门电路,无损压缩比为1.74,功耗仅为6.17mW,适用于低帧率图像需求的胶囊内窥镜应用场景;MJPEG-LS编码器实现规模为267K等效门电路,无损压缩比为2.44,功耗仅为7.56 mW,适用于较高帧率图像需求的胶囊内窥镜应用场景。
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