面向胶囊内镜系统应用的图像压缩和集成电路设计技术

【摘要】： 口服式胶囊内视镜是新兴的消化道疾病诊断系统。低功耗和小尺寸是贯穿胶囊设计的关键指标。图像压缩技术在降低系统功耗、体积和传输带宽等方面起着重要作用。论文围绕着图像采集和处理,主要在以下4个方面进行了研究: 首先,提出了两种更适用于胶囊内镜系统的数据通路。基于商用数字图像传感器和实时数据处理的数据通路能使存储器消耗和访问量减少2/3;基于全定制数字像素传感器的数据通路则能完全避免片上存储器消耗,且传感器与数字基带集成还有利于简化设计和封装,数据的灵活读出,以及避免数据溢出。 其次,提出了两种面向电路实现的BAYER图像准无损压缩方法。改进的色彩通道分离方法通过滤波来改善压缩比;采用了局部区域的像素格式转换,仅用1.5行存储器就能实现色彩通道分离。完全实时处理方法通过构建新的预测模板间接地实现格式转换,无需额外的存储资源;新的码流组织方式保证了两个通道数据的实时并行处理。完全实时处理方法的复杂度和硬件消耗与标准JPEG-LS相近,但能在高恢复质量的前提下实现2倍于JPEG-LS的数据压缩率。 第三,提出了一种流水线结构的无损/准无损图像编码器的超大规模集成电路实现方案,用于实现完全实时处理压缩算法。该方案中的并行流水结构保证了其具有实时图像处理的能力;专门的时钟管理机制一方面保证了瓶颈运算的进行,另一方面降低了非关键路径的时钟频率、适时关闭空闲电路的工作时钟,使平均功耗降低了15.7%。该图像编码器已被应用于胶囊内镜系统中。 最后,提出了一种时间域DPS结构的图像传感器,将其与胶囊内镜系统的其它模块集成可以实现更优的数据通路。通过采用分段曲线拟合的量化方法使非均匀时钟生成器的量化表减少了约90%,并仍能保持很高的图像恢复质量;自动门控电源比较器能在积分结束后立即切断比较器电源,使比较器的实际平均工作时间减少为图像采集时间的6%。在DPS图像传感器和无损/准无损图像编码器的基础上,还设计了一个单片照相机。