（物理电子学专业论文）x光图像实时处理采集系统的研制.pdf

硕士学位论文 摘要 随着科学技术的高速发展，x 光图像在军事、科研、工农业生产、医疗卫生 等领域的应用越来越广泛。然而由于这些图像自身的缺陷，使得该领域对于实时 图像处理器的需求也越来越迫切。 本文结合与湖南光电科技有限公司委托研制项目远程数字化x 光机系统 研制，以及江苏省科技厅立项项目具有可移动数字化x 光射线成像机，开 展了x 光机的数字化技术与实时图像处理技术研究工作。 本文设计和完成了一套x 光图像实时处理系统，探讨了新型的适用于x 光 图像实时处理的算法，取得了良好的效果。在系统的硬件设计中以d s p 和f p g a 为平台，采用并行的处理方式，保证了系统的实时性要求。同时，总结了软硬件 系统的设计和调试经验。 关键词tx 光，噪声抑制，图像增强，直方图均衡，实时图像处理器，f p g a ，d s p 塑圭兰垡笙苎 望 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m t e c h n o l o g y , x r a yi m a g eh a v eb e e nw i d e l y u s e d f o rt h ed e f e c t so ft h e s ei m a g e s t h en e e df o rr e a l t i m ei m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m i sv e r y u r g e n t a st h ep a r to fr e s e a r c hp r o j e c t sn a m e dr e m o t ed i g i t i z i n g x r a yi m a g es y s t e m a p p l i e do nt h ea i r f i e l d sa n dm o v a b l ed i g h i z i n gx - r a yi m a g es y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o n o p e n su pd e e p l ys t u d y o f d i g i t i z i n gx - r a yt e c h n o l o g y a n d i m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ar e a l - t i m ei m a g e p r o c e s s i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n ds o m ea d a p t i v ea l g o r i t h m s a r ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eh a r d w a r e d e s i g ni sb a s e d o nt h ed s pa n df p g a s t r u c t u r e t h er e a l - t i m e p e r f o r m a n c e i s g u a r a n t e e db yt h ep a r a l l e lo p e r a t i o n i n a d d i t i o n ，t h es y s t e md e s i g n i n ga n dd e b u g g i n ge x p e r i e n c eh a sb e e ns u m m a r i z e di n d e t a i 】 k e y w o r d s ：x - r a y , n o i s es m o o t h i n g , i m a g ee n h a n c e m e n t , ，h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n r e a l - t i m ei m a g e p r o c e s s o r , f p g a ，d s p 硕士学位论文第一章绪论 1 绪论 本章简述了国内外数字化x 光影像成像系统的框架以及基于该系统的数字图 像处理技术，阐述了x 光图像处理技术意义以及本论文所做的工作。 1 1x 光影像成像系统概述 x 光安检作为交通等部门安全检查的重要手段，对及时、准确地发现危险品， 保障人民生命财产安全极为重要。特别是美国9 1 1 事件后，世界各国普遍加强安 检工作。但目前的x 光安检设备是在安检对象动态显示时进行监测的，可靠性较 差。因此，对安检设备的改进亟待解决。本方案能实现安检对象的静像显示，有 效地提高了安检的准确性。 另外，x 光成像技术在医疗诊断等领域中也同样占有举足轻重的地位，x 光检 查结果是目前各种医疗诊断最重要的依据之一。 本课题组的x 光成像系统是一个涉及光学、精密机械、电子学、数据采集与 处理、计算机等多个领域的复杂系统。系统硬件结构由x 光机发生装置、系统控 制台、影像成像器件、实时图像处理器、数据采集和处理、监视器、计算机、系 统结构平台等部分组成。其中系统结构平台由合作单位提供。x 光成像系统的基 本组成部分如图1 1 1 所示1 1 1 j 。 图1 1 1x 光成像系统的组成 超二代像增强器对来自增感屏的低亮度图像敏感，但却只有很低的对比度、 硕士学位论文第一章绪论 非常有限的灰度级、在高增益下有颗粒和闪烁噪声以及模糊现象。因此，作为单 一的成像器件，无论做如何处理它们都不足以达到在对目标的清晰识别。因此来 自微光像增强器的图像由于其自身的特点必须进行去噪声的预处理，否则获得的 图像将毫无实际意义。去噪声的方法很多，可以针对某些噪声如暗噪声、颗粒噪 声等分别处理，采用邻帧算法进行去噪处理，也可以通过灰度级拉伸以获得对比 度增强j 。 1 2 为何要进行数字x 射线图像处理 传统x 射线透视获得的图像对密度变化不大的病灶诊断困难受检者承受的 剂量大。引入x 射线像增强器电视技术后，虽然图像质量得到了些改善，降低了 受照剂量，但它仍是把辐射直接换为一个可见的x 射线图像，还存在着以下问题。 ( 1 )检出的人体组织图像互相迭加不易区分，图像显示不可改变。例如，在进 行脑血管造影时，人们感兴趣的主要是血管系统，而脑骨骼成的像不仅模 糊还会干扰血管像。 ( 2 )像增强器电视系统产生的噪声降低了图像信噪比。 ( 3 )考虑到x 射线对人体的累积效应，近代对x 射线量和质的控制日趋严格， 需进步降低剂量。 ( 4 )现行灰阶二维图像受到黑白或单色阴极射线管显示动态范围的限制，受到 人眼在同一时间内处理能力限制；对某一特定的像素的灰阶( 在感光底片上 称作密度) 定量和记忆困难；对图像中邻近等级灰度值不易区分；距离较远 两像素的灰变梯度不易被全部观察到的限制，因而对灰度级差较小的病灶 仍难以分辨，可是分辨这样的图像恰恰是临床上的迫切需要。加之其解释 权完全依赖于医师的医学经验，因此逐渐走向衰落。计算机x 射线数字图 像处理是人们寻求的新的图像形成和处理技术。与普通x 射线电视成像相 比，它有以下优点： a ) 可检测出低对比度组织，提高信噪比； b ) 可作定量分析，迅速给出距离、面积和体积，并能解释图像特征； c ) 采用计算机程序作图像变换与增强，适时准确地处理从病人体内收集到 的信息； d ) 可用磁带或磁盘将数字存储起来供图像分析能无损失地用电话线或微 波传送数字图像； 硕士学位论文第一章绪论 1 3 数字图像处理技术简述 数字图像处理技术是随着计算机的成熟而发展起来的一个重要技术领域，它 已经在一切科学研究领域及工业生产、医疗诊断、资源、环境、气象及交通监测、 文化教育等众多领域中得到了广泛应用，取得了巨大的经济与社会效益。 所谓数字图像处理技术，就是将原始的模拟图像转换到数字域，并在数字域 进行相应的处理，然后根据需要在转换到模拟域进行显示或直接在数字域进行显 示，以获得更好效果的一种技术。 数字处理的主要优点表现在：因为对图像的处理是通过运行处理程序来实现 的，所以可灵活、多变地实现各种处理。既可以对图像作线性化处理，也可作非 线性变换处理。并且处理精度高，再现性好。与模拟处理相比，数字处理的主要 缺陷表现在：处理速度慢，所需数据存储空间大，从而使数字图像处理成本增高。 但今年来，随着半导体技术的不断进步，计算机的处理速度越来越快，存储 容量不断增大，存储速度不断提高，上述缺点已经越来越不明显。基于p c 平台的 数字图像处理技术已经到了实用化和普及化的阶段。 数字图像技术发展到现阶段，在某些便携式应用场合中，人们对常用设备小 型化的追求，使基于p c 平台的数字图像处理技术已经不能满足要求，这样基于单 片芯片或多片芯片组合的专用图像系统便开始受到人们的喜爱和关注。不少研究 人员和芯片制造厂家正在联合开发出大量的专用图像处理芯片，它们的速度越来 越快，体积越来越小，功耗越来越低，功能越来越大，所以也得到了越来越广泛 的使用。但专用图像处理芯片对于一般的用户来讲，使用的灵活性较差，用户二 次开发的成本较高，更新换代不方便，因此又有一些芯片制造厂家将专用图像处 理芯片中的特殊结构实现在一般的通用处理器中，使通用处理器的指令更丰富， 功能更完善，速度更高，数据处理能力更强，同时价格却越来越低，使用户的二 次开发成本大大降低，产品升级速度更快。这类器件的典型代表有t i 公司的d s p 处理芯片、a d s p 公司的d s p 芯片、x i l i n x 公司的f p g a 器件等。它们提供的各种 高性能、高速度、低价位的处理器使便携式数字图像处理器的理想正一步一步成 为现实。 1 4 本论文背景及主要工作 本论文的主要目标是设计x 光实时视频处理系统，该处理器以实时性为基本 出发点，全面阐述处理器的系统结构、算法及设计思路及软件体系。 围绕以上要求，本文主要做了如下工作： ( 1 )设计x 光成像处理系统的总体方案，有效减弱了x 光噪声，扩展了图像灰 硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 度范围，增加了图像质量，提高了目标识别的概率。 构架基于现场可编程门阵列( f p g a ) 和数字图像处理芯片( d s p ) 的实时图 像处理器，设计印刷电路板( p c b ) ，并完成电路的调试，为实现x 光图像处 理系统的实时性打下基础。 通过v e r i l o g 和原理图手段，在f p g a 中完成全分辨率( 7 6 8 5 7 6 ) 二维邻 帧比较去噪的逻辑设计和直方图统计逻辑设计。 编写了5 4 x d s p 程序，完成直方图均衡算法，通过b o o t l o a d e r 对程序进行 加载。另外通过编写c p l d 程序实现d s p 的地址映射。 对于电路噪声和干扰的产生机理及抑制方法进行了研究，总结出了具有抗 干扰能力的高速印刷电路板布局与布线原则，提高了系统的可靠性和稳定 性。 硕士学位论文第二章x 光图像特征及处理方法 2 x 光图像特征及处理方法 对于x 光图像而言，尤其是医用x 光成像系统，由于考虑到安全的问题， 使得x 射线的能量越来越低，同微光图像的情况类似，也需要进行电子放大， 这将引入大量的噪声。 另外影响系统图像清晰程度的因素还有很多，例如稀土增感屏响应不均 匀造成图像灰度过于集中；由c c d 获得的图像经过a d 转换、线路传送都会 产生噪声污染等等。因此图像质量不可避免的降低了。因此对于x 光图像的 实时处理也就显得越来越重要。 x 光图像实时处理的方法可以分为时域处理、空域处理和频域处理三类。 时间域增强包括时间延迟积分、邻帧比较等方法；空间域增强分为点处理和 邻域处理，前者有灰度变换、直方图均衡等方法，后者有中值滤波、均值滤 波、拉普拉斯滤波等各种滤波方法；频域增强是在傅立叶变换、小波变换等 图像变换的基础上进行滤波，最终达到增强的目的。权衡了硬件实时实现的 可能性和算法的复杂度，本文主要采用了时闻域邻帧比较和空间域点处理增 强的方法。下面将详细分析采用算法的原理。 2 1 x 光图像的时间域处理 x 光图像信号相邻像素、相邻行、相邻帧具有较大相关性，而杂波噪声 具有随机性，据此可根据其相关性进行处理以改善杂波噪声。 由于相邻像素或相邻行的处理效果并不理想，因为它较大地影响了水平 和垂直分辨率。而相邻帧处理对图像分辨率影响不大，特别对准静态图像它 具有极佳的杂波抑制效果。 而且通常图像信号的帧问相关系数大于0 8 ，而帧间噪声的相关系数接 近于0 ，因此经过帧间处理后，可大大提高信噪比。 2 1 1 多帧平均 多帧平均法是处理随机噪声的经典方法，一般随机噪声服从泊松分布，显 然光子数越多，光子的起伏越小。因此，在x 射线图像处理中，消除随机噪声 最常用的也是最有效的方法是多帧平均法j 。 假设被探测的目标是静态的或缓慢运动的，由于图像信号的帧问相关性和 噪声的非相关性，经过一定时间的延迟积分后，图像的性噪比就会得到有效的 提高。如以下证明： 硕士学位论文 第二章x 光图像特征及处理方法 假定噪声是平均值为0 的随机分布的信号。若 f ( x ，y ) = s ( x ，y ) - i - n ( x ，y ) 式中：s ( x ，y ) 是无噪声图像；n ( x ，_ y ) 是图像的噪声 图像。如果有n 帧图像平均后，则可以用 弛，y ) 2 寺善讹y ) 来逼近无噪声原图像s ( x ，j ，) ， ( 2 1 1 ) f ( x ，y ) 为叠加了噪声的 ( 2 1 2 ) e 夕( y ) 2 吉喜e u ( 五y ) ) 2 i 1 蔷ns ( 如y ) = s ( 毛川 f 2 ，3 、 估计误差为 一= e 【缸棚趔圳2 ) - 五辑1 蔷n 似朋趟圳2 i l l ：，n , ( 而力r q 1 4 由于噪声时域】( x ，y ) 分布特性是随机的、不相关的、且服从泊松分布， 因此噪声之间的相关系数l f = 0 ，即 【吉善帅，) ，) 】2 2 i 1 凼 ( 2 小5 ) 因此有盯2r = = 二仃2 ( 2 1 6 ) 由此可得，当几帧图像累加平均后，物体的无噪声原图像作重复线性累 加，而随机噪声则作二次项累加。n 个帧图像累加后，信号放大了n 倍，噪 声放大了倍，s n 提高了倍。在本文中实现了2 帧，4 帧，6 帧累加， 则相应的功率信噪比就提高了2 ，4 ，6 倍。 尽管多帧平均的帧数越多，信噪比提高就越大、去噪效果越好、图像越 清晰。但是上述的分析是建立在图像静止或被观察物体运动的角速度很慢的 基础之上的。当图像运动时，帧平均算法将会使运动图像产生重影和模糊， 累加帧数越多，图像模糊现象越严重，因此运动检测技术和运动补偿技术在 帧间滤波时尤为重要，在本文中不作讨论。 2 1 2 邻帧比较 x 光成像系统的噪声主要可分为两大类：一类是电子噪声，主要是由入 射光予涨落，光予转化量子涨落，光子探测器探测效率及增益等引起。表现 在画面上为细的，微弱的颗粒性随机亮暗闪烁。另一类称离子噪声，或称雪 硕士学位论文第二章x 光图像特征及处理方法 花噪声。主要是成像器件内部游离的离子引起的。表现在画面上为比电子噪 声更大而且颗粒性更强的随机闪烁。因此，x 光成像系统噪声主要表现特征 是图像上颗粒性的时间、空间随机亮点闪烁。 根据以上噪声特性的分析，我们采用实时去噪技术一一邻帧比较法【9 1 ，邻 帧比较法是针对电子噪声和离子噪声的。主要分两步进行；第一步将四邻帧 分成两组，两两取小，为了消除离子噪声的蠕动而设，同时，暗噪声积累变 大，第二步将第一步完的剩余两帧取大处理，它是针对暗噪声而设的。其算 法的数学表达式即为： f l ( m ，n ，k ) = m a x m i n 【f o ( m ，n ，k ) ，f o ( m ，n ，k - 1 ) 】， m i n f o ( m ，n ，k 一2 ) ，f o ( m ，r l ，k 一3 ) )( 2 1 7 ) 式中f o ( m ，n ，k ) 与f p ( m ，n ，k ) 分别为第k 帧原始和处理后数字图像的离散 灰度信号值，f 0 ( m ，n ，k 1 ) ，f 0 ( m ，n ，k - 2 ) ，f 0 ( m ，n ，k 一3 ) 分别为第k 一1 ，k - 2 ，k 一3 帧数字图像的离散灰度信号值。 邻帧比较法的对比效果图如图2 1 1 所示。 ( a ) 原图 ( b ) 邻帧比较后效果图 图2 1 1 邻帧比较法的对比效果图 2 2 x 光圈像空间域点处理 x 光图像的直方图有以下特点：大部分像素集中于某些相邻的灰度级范 围，范围以外的灰度级上没有或只有少量的像素，灰度级分布不够均匀。直 方图变换可以改变图像灰度级概率分布，把灰度级分布拉开，使灰度层次分 明，这样就增加了像素灰度值的动态范围从而达到增大整体对比度的效果。 直方图均衡主要是通过压缩像素数较少的灰度级和扩展像素数较多的灰 度级，从而使均衡后的图像获得较高的对比度。要实现这样的实时处理过程， 需要极高的处理速度，并且针对x 光图像的不同特点，常需要采用不同的直 方图均衡方法。 主要有以下几种方法，既有一定效果，又利于我们的硬件实现。 硕士学位论文 第二章x 光图像特征及处理方法 2 2 1 分段灰度变换 x 光医疗图像作为一种重要的医疗诊断方法，经常需要将图像中感兴趣 的特征有选择的突出，而衰减不需要的特征，也就需要通过定的灰度交换 算法，实现特定领域的功能要求。它的目的主要是提高图像的可懂度。 灰度变换就是指对图像上各个像素点的灰度值x 按某个函数t ( ) 变换 到y 。例如为了提高图像的清晰度，需要将图像的灰度级整个范围或其中某 一段( a ，b ) 扩展或压缩到( a ，b7 ) ；需要显示出图像的细节部分等都要 求采用灰度变换方法。灰度变换有时又被称为图像的对比度增强或对比度拉 伸。假定输入图像中的一个像素的灰度级为z ，经过t ( z ) 函数变换后输出图 像对应的灰度级为z7 ，其中要求z 和z 都要在图像的灰度范围之内。 图2 2 1 是分三段线性变换的示意图【5 】。分段线性变换的优点是可以根 据x 射线图像的实际需要，拉伸特征物体的灰度细节，相对抑制不感兴趣的 灰度级。图中的a ，a ，b ，b7 ，c ，c ，d ，d7 等变换区间边界根据变换 的要求而定，因此分段线性变换是非常灵活的。该分段线性交换遵循式 2 2 1 ，( a 与a 共点) 。 f 厂筹( m a - f ( j , k ) 处理器模式控制寄存器( p m s t ) 状态寄存器( s t o 和s t l ) 软件等待状态寄存器( s w w s r ) 组交换控制寄存器( b s c r ) 时钟模式寄存器( c l k m d ) 初始化部分代码如下： f i l e n a m e ：u s e r i n i t h v o i di n i t b o a r d ( v o i d ) * ( v o l a t i l eu 1 6 * ) c l k m d = c l k m d v a l ；初始化v c 5 4 0 2 时钟为6 0 m + ( v o l a t i l eu 1 6 + ) p m s t = p m s t _ v a l ； * ( v o l a t i l eu l6 * ) s w w s r = s w w s r v a l ； 4 ( v o l a t i l eu 1 6 + ) s w s r = s w s r _ v a l ； 4 ( v o l a t i l eu 1 6 * ) b s c r = b s c r v a l ； ) 对中断矢量表( 如v e c t o r s a s m ) 初始化是d s p 初始化的一个重要组成部分。 当c c + + 程序中需要响应中断处理时，应将中断矢量表加到工程中。该文件格 式比较固定，中断矢量驻留1 2 8 字程序存储器的位置。部分代码如下： ；f i l e n a m e ： v e c t o r s a s m s e c t “v e c t o r s ” r e f _ m y i s p r e f c i n t 0 0 a l i g n1 2 8 ：一个中断响应函数 ；c 程序执行入口 硕士学位论文第五章系统软件设计 r e s e t ：b dc i n t 0 0 s t m荐1 2 8 s p n m i ：r e t e n 0 p n o p n o p s i n t l 7 i n t o i m l s p a c e 4 4 1 6 bi s p汐 部中断o 入口点 n o p r e t e r e t e n o p n o p n o p 需要注意的是，在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 中，有3 2 个中断，每个中断矢量占4 个字节，并由p m s t 中的高九位i p t r 设置矢量表的起始地址；链接时将矢量 表重新定位到 p t r 所指的地址。在我们的系统中，设置i p t r = 0 0 1 1 1 1 l l o b ，使 矢量表的起始地址是3 f 0 0 h 。 5 3 3v c 5 4 0 2 的存储器配置 在链接过程中，链接器会将存储器空间进行分段，并将相应的程序代码与 这个区域的绝对地址进行捆绑，即将目标文件分配到各个存储区域中。完成这 个功能的就是链接命令( ，c m d ) 。本系统中的u s e r v i d e o c m d 文件代码如下： 一mu s e rv i d e o m a p m e m e r y p a g e 0 ：p r o g ( r w x i ) ：o r i g i n = o x 8 0 ，l e n g t h = 0 x 2 f 9 0 v e c s ( r x i ) ：o r i g i n = 0 x 3 f 0 0 ，l e n g t h 2 0 x 1 0 0 p a g e 1 ：d a t a ( r w i ) ：o r i g i n = 0 x 3 0 0 0 ，l e n g t h 2 0 x 0 f 0 0 ) + 上述为存储区域分配，下面为段的分配+ ， s e c t i o n s 硕士学位论文第五章系统软件设计 t e x t f p r o g p a g e o c i n i t p r o g p a g e 0 p i n i t( ) p r o g p a g e o v e c t o r s f v e c s p a g e 0 s t a c k d a t a p a g e l b s s d a t a p a g e l c o n s t ) d a t a p a g e l s w i t c h ) d a t a p a g e l s y s t e m ) d a t a p a g e l ) 以上文件中，w 代表此存储区段可写，r 代表可读，x 代表可存入运行代 码，i 代表可初始化。链接命令语言是a s c i i 码形式的文件。 d s p 只连接了八条数据线到f p g a ，所以d s p 从外部读写直方图统计表时分 高低八位两次读入d s p 内部r a m 中。最少使用2 条读语句才能够完成对一个灰 度级数据的读取。 5 3 4d s p 直方图均衡的实现 d s p 接收到中断信号i n t 0 后，进入中断服务程序m y _ i s p 。d s p 从外部读 入直方图统计表时分高低八位两次读入d s p 内部r a m 中。因此至少使用2 条 读语句才能够完成对一个灰度级数据的读取。在完成直方图变换以后，d s p 将 相应数据写入到f p g a 内的直方图查找表中，以供f p g a 查找输出图像数据。 为了方便起见，本文中使用c 和汇编混合编程。以下列出了中断程序的程序清 单。 v o i d m yi s p o i n ti ，i n d a ： i n tm = 0 ，k = 0 ： i n ty = 0 x f f 0 0 ： f o r ( i = 0 ：i 8 ) & & o x o o f f ； i n d a t a i = i n d a t a i i | i n d a ： f o r ( i = o ：i 2 5 6 ：i + + ) w h i l e ( i n d a t a i ! = o ) m = m + i ： f o r ( i = o ：i 2 5 6 ：i 十+ ) w h i l e ( i n d a t a i ! = o ) o u t d a t a i = k * 2 5 5 m ； k = k + l ： ) f o r ( i = o ：i 2 5 6 ：i + + ) o u t d a t a i = o u t d a t a i 8 ： a s m ( ”s t r 7 ：l d o u t d a t a i ，a r 2 ”) ： a s m ( ”s t r 8 ：p o r t w * a r 2 ，w r p o r t ”) ： p o r t w r i t 引w r p o r t ，o u t d a t a i ) ： ) 硕士学位论文第六章系统调试与实验结果 6 系统调试与实验结果 6 1x 光图像处理系统的调试 采用本文第四章介绍的硬件系统和第五章介绍的软件体系，构建了x 光 图像实时处理系统。图6 1 1 既为该x 光图像实时处理系统实物图。 图6 1 1x 光图像实时处理系统实物图 在硬件系统调试的过程中，由于系统的复杂程度较高。需要采用一些调 试的方法，这些方法不仅能够提高调试的速度，更关键的是能够提高调试的 成功率，以下是本文中所使用到的一些调试方法： 1 ) 先在设计时，需要为调试中用到的重要信号留下测试点，特别是对于 f p g a 这样的管脚密集的芯片；对于不能确定的信号可以在设计时加 入开关或跳线，以便于随时修正。 2 ) 在焊接电路板之前首先需要对电路板的电源进行测量，看是否存在短 路的情况。 3 )在焊接芯片时，最好不要一次性将所有的芯片都焊接上，这样如果某 一个芯片出现问题就很难检查。较好的方法应该是对于一些较为复杂 的芯片，一个一个的焊接调试，除了该芯片必备的外围芯片，其他芯 片不要焊接，以免相互影响，造成调试的困难。 硕士学位论文第六章系统调试与实验结果 4 ) 每次焊接上新的芯片之后，就需要重新测量电源和地，看是否出现短 路，因为这时候如果出现问题很容易烧坏芯片。 5 ) 系统的调试顺序要遵守数据的流向，在保证前一级正常工作后，再进 行下一级调试，这样可方便的找出问题所在。 6 )在使用示波器进行时序观察时，最好使用两个通道进行观察，这样才 能找出各信号之间地相位和时序关系。 7 )f p g a 的调试过程中，先编写倍频测试程序，还有外部r a m 读写程序， 以测试f p g a 和周边器件是否能正常工作。 8 ) d s p 的调试过程中，可以先编写一小段测试程序，如产生方波的程序 等。在测试程序顺利通过后，再去调试大的程序，这主要是为了保证 d s p 能够正常工作。 6 2 实验结果及性能分析 随着x 光技术的发展，x 光图像实时处理将在安检、医学领域具有广阔 应用前景。本课题研制的x 光图像实时处理系统系统成功地实现了x 光图像 系统的去噪增强作用。虽然还不够完善，但也取得了性进展。该图像处理板 的软硬件开发环境与视频输出终端如图6 2 1 所示。 圈6 2 1 处理板的软硬件开发环境与视频输出终端 本课题基于硬件平台的开发是引进了大量的成熟技术和目前世界上流行 韵一些系统设计方案。f p o a 和d s p 器件的使用使系统的整体设计更加紧凑、 硕士学位论文第六章系统调试与实验结果 更加可靠。而大量新型器件的更替也在稳定性和微型化上又前进了一步，使 系统更加趋向于产品化。这些技术和器件的采用大大提高了系统的整体性能， 也方便了系统的设计和调试。 x 光图像处理板最终采用x 光整机系统做模拟实验，总体效果不错。邻 帧比较和等间距直方图均衡算法在x 光图像处理系统上调试运行，获得了较 好的实验效果。图6 2 2 为对比效果图。 ( a )原图( b ) 处理后的图像 图6 2 2x 光处理前后效果对比图 硕士学位论文第七章结束语6 7 结束语 x 光电视系统在军事，医疗，工农业生产等方面的应用越来越广泛，而 其成像装置的输出图像信号自身存在着噪声过大、对比度差的缺陷，因此对 于x 光图像的实时处理也就显得越来越重要。为了提高x 光图像质量，高效、 实用、简洁的x 光图像实时处理系统的研制是目前一项迫切的任务。本文的 研究是江苏省科技厅科技攻关项目“具有可移动数字化x 光射线成像机”的 一个部分，研究的内容主要涉及到x 光图像的特征以及x 光图像实时处理的 算法、硬件结构及实现等。 本文就“x 光图像实时处理采集系统的研制”这一课题，从安检和医用 x 光图像现状出发，进行了合理的算法选择，硬件设计与软件编写，并系统 性能分析进行了论述。 本论文所作的工作如下： 总结过去实时图像处理经验的同时，针对其噪声大的缺陷，通过采 用图像多帧比较等方法对图像进行实时处理，均获得了良好的视觉 效果。针对其对比度差的问题，通过采用了合理的灰度变换方法， 增强了图像的对比度。系统还为将来其他的算法处理留下了一定的 余量设计，进一步增加了系统的灵活性。 构建基于d s p 和f p g a 的硬件平台，利用了d s p 的高效的运算能力 和f p g a 的灵活性，使系统功能易于实现。 编写系统软件，使x 光探测器的输出信号高速转换为数字信号，在 f p g a 中作邻帧比较和直方图统计，然后在d s p 中作直方图均衡， 最终在视频d a 上合成标准的视频信号，并将数字信号通过p c i 输 出至计算机。 分析了在电路板设计过程中具有抗干扰能力的布局与布线原则，从 而完成了x 光图像实时处理器的研制。并且大量采用表贴封装的元 件，使得电路板的面积大大减小。 软硬件的综合调试，进行整体性能分析，使系统功能得到不断改进， 并且取得了阶段性的进展。 在系统的设计中，尚有一些未解决的问题，论文涉及的科研项目还要继 续完成。微型化实时x 光图像处理系统的研究和设计需要做的工作还很多， 在各个方面都还需要进一步的研究。 对于x 光图像，在处理之后往往需要将获取的图像存储到微机中， 硕士学位论文第七章结束语 作为资料保存或是供以后研究使用，因此图像处理板和微机的通讯 也是一个重要的功能，可以采用多种方式来实现此项功能，虽然系 统中已设计加入p c i 接口，但是尚需编写设备驱动程序。另外最简 单实用的方法还是使用数字输出口与高性能采集卡进行通讯，因此 在将来的设计中，电路板上应预留此数字接口。 还是要针对x 光图像的特征，去研究一些新的更为有效的算法。如 频域滤波处理、小波处理等。可以通过软件模拟的方法，在取得好 的效果后再对算法进行改进以适应硬件实时处理的要求。在将来的 设计中如果还有采用帧延时算法，需要考虑运动补偿的问题，尽量 使用高帧频c c d 。 进一步使用高性能器件实现系统的最优化，如考虑使用一片资源更 丰富的d s p 如t m s 3 2 0 v c 6 4 2 系列，完全可以取代d s p + f p g a 模式， 实现电路板的小型化，模块化。 硕士学位论文参考文献 参考文献 l j i a n b i n gj i a o ，j u n j i ez h a n g ，b e n k a n gc h a n g ，r o n g g u of u ，q i a n gg a o a s a f e t yi n s p e c t i o ns y s t e m f o ra i r f i e l d sb a s e do nx - r a y t e c h n o l o g y s p i e ， v 0 1 5 1 9 8 ：2 7 l 2 8 0 2 焦建兵，张君杰，常本康，富容国数字化x 光机系统研究中国兵工学会第 四届夜视技术学术交流会论文集2 0 0 3 ：9 5 - - 9 9 3 陈钱，顾国华微光图像实时对比度增强处理南京理工大学学报 1 9 9 7 ，2 1 ( 4 ) ：2 9 3 2 9 6 4 荆仁杰、叶秀清等计算机图像处理浙江大学出版社1 9 9 0 。 5 柏连发微光图像噪声处理技术研究，博士学位论文，南京理工大学，1 9 9 5 5 6 林家明，张祥c c d 摄像机t d i 模式及实时显示技术研究光学技 术2 0 0 0 5 ( 2 6 ) 3 ：2 8 3 - 2 8 5 7 吴晗平微光电视数字图像累加及其硬件实现红外技术1 9 9 5 5 ( 1 7 ) ：3 0 3 3 8 焦建兵远程数字化x 光机技术和系统研究硕士论文南京理工大 学，2 0 0 4 9l i x i y i n g r e a l t i m ei m a g eh i s t o g r a me q u a l i z a t i o nu s i n g f p g a s p i e 1 9 9 8 ， 3 5 6 1 ：2 9 3 2 9 9 10m c c a f f r e ynje t a 1 v e r yl o wc o s t r e a lt i m eh i s t o g r a mb a s e dc o n t r a s t e n h a n c e r u t i l i z i n gf i x e d - p o i n td s pp r o c e s s i n g s p i e 1 9 9 83 3 0 3 ：3 6 4 3 。 11d a t as h e e tf o rs a a 7 111 a e n h a n c e dv i d e oi n p u tp r o c e s s o r ( e v i p ) p h i l i p s s e m i c o n d u c t o r s ，19 9 8 1 2a l t e r a c y c l o n ed e v i c eh a n d b o o k ，2 0 0 3 ，5 v 0 1 2 l3 a l t e r a c o n f i g u r m i o n h a n d b o o k ，2 0 0 3 ，9 v o l l 14t e x a si n s t r u m e n t s t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 a f i x e d p o i n td i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 2 0 0l 15t e x a si n s t r u m e n t s t m s 3 2 0 c 5 4 xo p t i m i z i n gcc o m p i l e ru s e r s g u i d e 1 9 9 9 1 6t e x a si n s t r u m e n t s t m s 3 2 0 c 5 4 xa s s e m b l yl a n g u a g et o o l su s e r s g u i d e 1 9 9 9 17t e x a si n s t r u m e n t s t m s 3 2 0 v c 5 4 xg e n e r a lp u r p o s ea p p l i c a t i o n s 1 9 9 9 1 8r o c k w e l l b t l 2 lda ：r a s h e e t 1 9 9 9 1 9 陈立法，崔春明等基于p c i 总线的实时红外图像采集处理系统红外技 术2 0 0 l ，2 3 ( 5 ) ：4 8 硕士学位论文参考文献 2 0c o n e x a n t f u s i o n8 7 8 ad a t a s h e e t 19 9 9 2 1 胡晓飞，殳国华等基于视频处理芯片和c p l d 的实时图像采集系统电 子技术2 0 0 2 ，( 1 0 ) ：2 8 3 0 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 2 3 3 3 4 谈新权实时图像采集卡硬件软件设计华中理工大学学报1 9 9 5 ( 2 3 ) 1 0 ：7 0 - 7 3 c y p r e s s c y 7 c 1 0 4 9 v c 3 3d a t a s h e e t1 9 9 9 s s t s s t 3 9 v f 4 0 0d a t a s h e e t ，2 0 0 0 a t m e l a t 8 9 c 2 0 51d a t a s h e e t 2 0 0 0 张雪松等带有d s p 芯片的新型实时数字图像处理系统光学技 术1 9 9 7 ( 4 ) 。 张雄伟等d s p 芯片的原理与开发及应用电子工业出版社2 0 0 3 2 。 戴明桢等t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 结构、原理及应用北京航空航天大学出版 社2 0 0 1 1 l 。 王金明等数字系统设计与v e r i l o gh d l 电子工业出版社2 0 0 2 1 。 顾东升等一种基于d s p 十f p g a 技术的实时红外图像直方固均衡器 红外技术2 0 0 2 ，v 0 1 2 4 ( 3 ) ： 1 5 - 1 9 朱鹏飞，赵雅兴视频图像捕获系统s r a m 控制器的f p g a 实现半导体 技术2 0 0 2 ，2 7 ( 6 ) ：1 8 2 2 m a x i m m a x 6 7 0 5d a t a s