王小剛，張 珣，左建政

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 杭州310018)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。遠(yuǎn)程醫(yī)療已經(jīng)成為了現(xiàn)代醫(yī)療體系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分。遠(yuǎn)程醫(yī)療是指利用網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻以及醫(yī)學(xué)圖片實(shí)現(xiàn)病人與醫(yī)生的交流。開(kāi)展遠(yuǎn)程醫(yī)療可以增加每個(gè)社會(huì)成員獲得醫(yī)療服務(wù)和醫(yī)學(xué)教育的機(jī)會(huì)，減少地區(qū)差異、貧富差異造成的醫(yī)療水平不等的狀況，使患者接受高水平的醫(yī)療服務(wù)。我國(guó)的遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)起步較晚，但是發(fā)展迅速?，F(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)擁有三個(gè)主要的遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)：金衛(wèi)網(wǎng)(GHN)，中國(guó)醫(yī)學(xué)基金會(huì)互聯(lián)網(wǎng)(IMNC)， 以及全軍遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)信息網(wǎng)[1-2]。在醫(yī)學(xué)圖片的處理中，對(duì)于圖像的亮度不夠、對(duì)比度差、動(dòng)態(tài)范圍大的圖片需要進(jìn)行增強(qiáng)處理，以滿足臨床診斷的需要。本文提出了基于嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療圖片增強(qiáng)的方法，利用自適應(yīng)的Retinex算法[3-7]對(duì)圖片進(jìn)行處理，然后將其移植到高速的DSP處理器中，實(shí)現(xiàn)了在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用，并證實(shí)其在遠(yuǎn)程醫(yī)療中應(yīng)用的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI公司推出的專門(mén)為高性能、低成本視頻應(yīng)用開(kāi)發(fā)的、主頻600 MHz的、32位定點(diǎn)DSP處理器TMS320DM6437。它采用2級(jí)Cache存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，有32 kbyte字節(jié)RAM/Cache可配置的1級(jí)程序存儲(chǔ)器L1P， 48 kbyte字節(jié)RAM+32 kbyte字節(jié)RAM/Cache可配置的1級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器L1D，和128 kbyte字節(jié)RAM/Cache可配置的2級(jí)程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器L2。片上具有64通道增強(qiáng)型DMA控制器EDMA3，同時(shí)具有豐富的外部存儲(chǔ)器接口和片上外設(shè)，還有一個(gè)專用的10/100 M以太網(wǎng)MAC，方便實(shí)現(xiàn)嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)化要求。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

TMS320DM642支持10 M/100 M自適應(yīng)模式，EMACM/DxO控制寄存器直接映射到DSP存儲(chǔ)區(qū)，支持EMAC/MDIO復(fù)位和優(yōu)先級(jí)。EMAC能工作在半雙工或全雙工模式下， 具有硬件流控制及服務(wù)質(zhì)量保證支持。本系統(tǒng)用KS8721BL物理芯片擴(kuò)展了一個(gè)10/100 Mbit的以太網(wǎng)接口，連接器為RJ-45標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接器。在RJ-45連接器上有兩個(gè)指示燈，綠燈閃爍表示網(wǎng)絡(luò)正常連接，黃燈表示全雙工模式。

1.2 外部存儲(chǔ)器模塊

TMS3320DM6437 有一個(gè)專用的32 bit、200 MHz、256 Mbyte字節(jié)尋址空間的DDR2存儲(chǔ)器接口用于接口高速、大容量的DDR2存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)；一個(gè)8 bit、64 Mbype字節(jié)尋址空間的異步存儲(chǔ)器接口用于接口8 bit Nor Flash或Nand Flash，以存儲(chǔ)固化代碼。

1.3 電源模塊

TMS3320DM6437 通常用于嵌入式系統(tǒng)中，因而，電源電路設(shè)計(jì)不僅要考慮電壓的精度、穩(wěn)定度和外圍電路的復(fù)雜度等問(wèn)題，還要考慮低功耗問(wèn)題，本系統(tǒng)的電源設(shè)芯片采用IPS5430DDA，電路的設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 電源模塊電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 Retinex算法

1977年Land首先提出了Retinex作為人眼感知亮度和色度的視覺(jué)模型，根據(jù)Retinex理論，物體的顏色是由物體對(duì)光線的反射能力決定的，而物體對(duì)光線的反射能力是物體本身固有的屬性，與光源強(qiáng)度的絕對(duì)值沒(méi)有依賴關(guān)系。因此通過(guò)計(jì)算各個(gè)像素間的相對(duì)明暗關(guān)系，可以對(duì)圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行校正。據(jù)此，本文引入了一種基于全局特征的Retinex圖像增強(qiáng)算法，圖3是全局特征的Retinex圖像增強(qiáng)算法的算法流程圖。

經(jīng)全局Retnixe算法增強(qiáng)后的圖像對(duì)比度不高，因此需要對(duì)結(jié)果圖像的直方圖進(jìn)行校正。本文采用自適應(yīng)的線性拉伸方法提高圖象的對(duì)比度。該方法利用“3σ規(guī)則”將與圖像均值的距離超過(guò)3a的像素點(diǎn)的影響都忽略不計(jì)，取下飽和點(diǎn)low=u-3σ，上飽和點(diǎn)high=u+3σ然后根據(jù)公式[3]對(duì)原有圖像的直方圖進(jìn)行線性拉伸，該方法具有自適應(yīng)的特點(diǎn)。

2.2 代碼的移植

在pc端編寫(xiě)Retinex算法，在驗(yàn)證算法的功能后將其移植到DSP平臺(tái)。移植工作主要包含以下幾個(gè)方面：

(1)修改程序使其符合標(biāo)準(zhǔn)的C

由于Tl所提供的CCS編譯器與一般C編譯器的差異，需要遵守相應(yīng)的編程規(guī)則。盡量使用標(biāo)準(zhǔn)C的編程規(guī)范。

(2)CMD文件的編寫(xiě)

圖3 Retinex算法流程圖

CMD文件是用來(lái)為整個(gè)程序分配存儲(chǔ)空間。它的生成有兩種方式：一種是通過(guò)配置DSP/BIOS來(lái)生成。另一種是自己手工配置。本文采用以上兩種方式生成CMD文件，這樣可以方便用戶根據(jù)自己的需要來(lái)更加合理的分配存儲(chǔ)空間。

(3)刪除不需要的代碼

在PC端為了更加直觀地看到程序的運(yùn)行情況添加了很多fprintf函數(shù)，由于fprintf函數(shù)耗時(shí)大，會(huì)影響程序的執(zhí)行時(shí)間，所以在DSP端應(yīng)當(dāng)刪除。由于本文采用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，所以還要?jiǎng)h除一些圖片數(shù)據(jù)的讀取函數(shù)。

2.3 代碼的優(yōu)化

移植完以后需要對(duì)原程序進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的方法有以下幾種：

(1)使用volatile、restrict等關(guān)鍵字。

使用volatile來(lái)定義的變量表示該變量保存在寄存器中的值將會(huì)因?yàn)槟承┰蚨l(fā)生變化。這就告訴編譯器，不要試圖從寄存器中取該變量的值，而是應(yīng)該每次重新讀取它的值，從而保證計(jì)算結(jié)果的正確性。用restrict定義的指針，其所指向的存儲(chǔ)空間不會(huì)發(fā)生混疊，從而能夠很好的起到優(yōu)化作用。例如求期望和方差函數(shù)可以優(yōu)化為：

CalcAllElem(Db l2Array*restrict pArray， double* restrictpDblExpect， double* restrictpDblDis)。

(2)用位移來(lái)代替除法運(yùn)算。

因?yàn)槎c(diǎn)的DSP只有硬件乘法器沒(méi)有硬件除法器，這樣在做除法的時(shí)候要經(jīng)過(guò)很多的步驟，降低程序執(zhí)行的速度。

(3)用EDMA提高圖像數(shù)據(jù)的傳輸速度。

EDMA傳輸數(shù)據(jù)是在后臺(tái)運(yùn)行，不占用CPU的計(jì)算周期，能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斔俣?。本文直接使用由片上支持?kù)(CSL)提供的DAT模塊進(jìn)行有關(guān)EDMA的操作。使用DAT_copy函數(shù)將r通道的數(shù)據(jù)從SDRAM搬移到內(nèi)部存儲(chǔ)器中，這樣可以大大提高系統(tǒng)的性能。

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸病人的病理圖片。當(dāng)前的Internet網(wǎng)絡(luò)是建立在TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)。在TCP/IP協(xié)議組件中， 有兩個(gè)協(xié)議：TCP和UDP， TCP通過(guò)面向連接的協(xié)議， UDP則是一種無(wú)須建立連接的協(xié)議。

圖4 NDK中TCP/IP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)

為了加速DSP網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程， TI公司推出了NDK網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)套件。NDK采用緊湊的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了用較少的資源耗費(fèi)來(lái)支持TCP/IP。從實(shí)用效果看， NDK僅用200 ～250 kbit程序空間和95 kbit數(shù)據(jù)空間即可支持常規(guī)的TCP/IP服務(wù)，包括應(yīng)用層的telnet、DHCP、HTTP等。 NDK網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)套件主要包含的庫(kù)有：TCP/IP網(wǎng)絡(luò)工具的庫(kù)；支TCP/IP協(xié)議棧與DSP/BIOS平臺(tái)的庫(kù)；網(wǎng)絡(luò)控制以及線程調(diào)度的庫(kù)。下圖是NDK中TCP/IP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)[8]。

基于數(shù)據(jù)可靠性的考慮，采用tcp協(xié)議實(shí)現(xiàn)pc和DM6437之間的通信。圖片數(shù)據(jù)是由pc到dsp單向傳輸?shù)模?jīng)測(cè)算本文tcp傳輸速率達(dá)到20 Mb/s。

3 結(jié)果

本文的自適應(yīng)的Retinex適用于不同亮度，不同大小的的醫(yī)學(xué)圖片。由于醫(yī)學(xué)圖片都以rgb格式存儲(chǔ)于pc上， 所以首先在VC++6.0 平臺(tái)上調(diào)用opencv庫(kù)函數(shù)讀出圖片的rgb各個(gè)分量的數(shù)據(jù)，然后利用tcp協(xié)議實(shí)現(xiàn)pc和dsp的圖片數(shù)據(jù)傳輸，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。本文采用圖片的大小352*288，不考慮傳輸消耗的時(shí)間， dsp處理單通道的時(shí)間為450 ms，處理整幅圖像用時(shí)1.4 s。應(yīng)用本文的算法得到的增強(qiáng)的胸透圖片如圖5所示。

圖5 原始圖片

圖6 處理以后的圖片

從處理后的圖片可以看出，經(jīng)本文的算法處理以后原來(lái)圖像中的暗區(qū)，模糊不清的部分變得清晰，對(duì)比度有了很大的改善，而且具有一定的銳化效果。

4 結(jié)論

Retinex算法是一種有效的、基于人眼視覺(jué)原理的圖像增強(qiáng)算法，它既能實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像對(duì)比度的增強(qiáng)，同時(shí)又能有效地壓縮圖像的動(dòng)態(tài)范圍，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明本文的算法能有效地提高醫(yī)學(xué)圖像中暗區(qū)內(nèi)細(xì)節(jié)的可視度，壓縮圖像的動(dòng)態(tài)范圍，能提高醫(yī)生的臨床診斷準(zhǔn)確性。并且將該算法應(yīng)用于嵌入式平臺(tái)，具有醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

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