基于JPEG壓縮圖像的數(shù)字圖像膠囊系統(tǒng)研究

楊扎史，劉 華

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

現(xiàn)代人生活節(jié)奏的加快以及飲食結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致了消化道疾病經(jīng)成為影響現(xiàn)代人類健康的一大疾病。因?yàn)槌扇讼赖拇竽c和小腸屬于細(xì)長(zhǎng)管道，而且結(jié)構(gòu)不規(guī)則和封閉，導(dǎo)致傳統(tǒng)的診斷方法存在檢查盲區(qū)，且傳統(tǒng)檢查和手術(shù)亦給患者帶來極大的生理痛苦。因此基于無痛和全面的新型診斷消化道疾病的手段：無線圖像膠囊，成為了各大機(jī)構(gòu)以及公司的研究熱點(diǎn)。

自2001年以色列Given Imaging公司發(fā)布了世界上第一個(gè)圖像膠囊“M2A”[1]，到目前為止，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)推出了眾多以圖像膠囊為基礎(chǔ)，具備多種擴(kuò)展功能的膠囊。Liao Zhuan等人[2]通過統(tǒng)計(jì)分析PubMed數(shù)據(jù)庫(kù)（2000-2008）發(fā)表的對(duì)于小腸疾病診斷的文章，發(fā)現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡鏡檢查成為小腸疾病診斷的標(biāo)準(zhǔn)方法，S.D.Ladas等人和ESGE Clinical Guidelines Committee推薦圖像膠囊診斷小腸疾病、食管癌和結(jié)腸疾病[3]，圖像膠囊越來越廣泛應(yīng)用于消化道疾病的診斷。上海交通大學(xué)劉華[4-5]等人提出了“基于視頻圖像導(dǎo)航的體外磁驅(qū)動(dòng)熱療膠囊系統(tǒng)”，該系統(tǒng)借助于體外磁控制技術(shù)，使體外醫(yī)生可以操作控制消化道內(nèi)圖像膠囊的姿態(tài)和位置，同時(shí)在膠囊上集成熱療工具，當(dāng)醫(yī)生利用消化道圖像診斷消化道存在疾病病灶，醫(yī)生借助于體外磁控制技術(shù)操作控制消化道內(nèi)膠囊的姿態(tài)和位置，使膠囊貼緊病灶表面，對(duì)病灶進(jìn)行熱療治療。

1 圖像膠囊數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的圖像膠囊系統(tǒng)如圖1所示，主要由人體內(nèi)的圖像膠囊、無線供能系統(tǒng)、人體外磁控制系統(tǒng)等多個(gè)模塊組成。

首先由實(shí)驗(yàn)者吞服圖像膠囊，之后利用圖像膠囊的圖像采集和發(fā)送功能采集并發(fā)送腸道圖像數(shù)據(jù)。視頻圖像導(dǎo)航系統(tǒng)接收體內(nèi)圖像膠囊發(fā)送的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)由磁控制系統(tǒng)控制腸道內(nèi)膠囊姿態(tài)以及位置，部分膠囊系統(tǒng)引入無線供能對(duì)膠囊進(jìn)行供能。

圖1 圖像膠囊系統(tǒng)簡(jiǎn)介Fig.1 Introduction to JPEG image capsule

文中研究了該系統(tǒng)的圖像采集與傳送系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)該模塊主要考慮的因素：首先由于膠囊需要吞服，因此需要嚴(yán)格限制膠囊的尺寸。其次由于對(duì)膠囊尺寸的限制導(dǎo)致膠囊內(nèi)部電池容量有限，從而需要盡量降低膠囊功耗[6]。最后，因?yàn)槟z囊需要無線發(fā)送腸道圖像數(shù)據(jù)，由于無線帶寬限制，需要壓縮腸道數(shù)據(jù)。

1.1 圖像膠囊數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

圖像膠囊組成如圖2所示。

圖2 圖像膠囊組成Fig.2 Components of JPEG image capsule

該數(shù)字圖像膠囊系統(tǒng)中CMOS傳感器是Omnivision公司的OV7740芯片。該芯片具有多種尺寸和多種格式的圖像數(shù)據(jù)輸出，封裝尺寸為4.2 mm×4.3 mm，功耗較低，適用于圖像膠囊尺寸和功耗要求。圖像壓縮芯片選用的是Conexant公司的CX93510，該芯片顯著特點(diǎn)是可對(duì)通用CMOS圖像傳感器的輸出進(jìn)行JPEG格式壓縮，同時(shí)具備低功耗和尺寸小特點(diǎn)，全功率下12 mA運(yùn)行；封裝為6 mm×6 mm；數(shù)據(jù)壓縮率明顯：硬件實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮，另外還有MJPEG和ADPCM技術(shù)可顯著減小數(shù)據(jù)量；接口豐富：具有 SPI、IIC、UART、CMOS接口，可以和豐富的外設(shè)連接實(shí)現(xiàn)圖像壓縮功能；在弱光環(huán)境下還具備LED驅(qū)動(dòng)接口，可用于提供CMOS傳感器在弱光環(huán)境下的LED照明。

電源管理模塊選用的是ADP223，兩路電源輸出可以滿足模塊不同的工作要求。

微控制器采用的MSP430公司的單片機(jī)MSP430F2370。該芯片的主要特點(diǎn)是：在1 MHz主頻下工作的時(shí)候電流僅需270 μA；具有32KB+256B的 Flash和 2KB的 RAM；內(nèi)置可達(dá)16 MHz的時(shí)鐘，這在進(jìn)行膠囊PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候可顯著減小PCB尺寸；UART接口和兩路獨(dú)立SPI接口：UART接口可用于前期在PC端對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，兩路獨(dú)立的SPI可用于整合數(shù)據(jù)采集模塊與發(fā)送模塊。

CX93510實(shí)現(xiàn)通用圖像傳感器該圖像采集與傳送的工作原理圖如圖3所示。

圖3 圖像膠囊數(shù)據(jù)采集模塊原理概圖Fig.3 The block diagram of image acquisition

該數(shù)據(jù)采集模塊的工作流程為：當(dāng)激活該模塊時(shí)，電池以及電源管理模塊提供模塊的工作電壓，MCU通過MCU自身兩路SPI通道和CX93510的IIC通道分別配置圖像壓縮芯片CX93510無線發(fā)送芯片ZL70102和CMOS傳感器。在配置完成后，CMOS傳感器將采集到的消化道腸道數(shù)據(jù)通過DATA連接傳輸至圖像壓縮芯片進(jìn)行壓縮，圖像壓縮芯片再通過SPI將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳輸至MCU，MSP430在得到壓縮圖像數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送芯片ZL70102傳輸至接收端，再通過PC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像恢復(fù)從而得到圖像。

1.2 圖像膠囊數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的圖像膠囊數(shù)據(jù)采集模塊主要配置MSP430、圖像壓縮芯片CX93510以及圖像傳感器OV7740。數(shù)據(jù)采集模塊的配置首先是MCU自身配置，MSP430F2370作為MCU在進(jìn)行初始化后喚醒CX93510，并驗(yàn)證與CX93510連接的SPI接口，結(jié)合CX93510數(shù)據(jù)手冊(cè)和CX93510配置流程對(duì)CX93510進(jìn)行配置。之后利用CX93510上的I2C/SCCB接口結(jié)合OV7740數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)OV7740進(jìn)行配置，圖4是數(shù)字圖像膠囊的軟件流程圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)搭建完成后進(jìn)行對(duì)圖像數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)驗(yàn)以及驗(yàn)證：

2.1 SPI及SCCB試驗(yàn)

1）為了驗(yàn)證MCU和圖像壓縮芯片的SPI通訊功能。實(shí)驗(yàn)選取圖像壓縮芯片CX93510中的寄存器H_CAP_WIDTH，該寄存器地址為0xA5，其中存儲(chǔ)的值乘以8即為CMOS端獲取圖像每行捕獲的像素點(diǎn)。

2）在代碼中將CMOS傳感器OV7740和圖像壓縮芯片CX93510中的圖像尺寸配置為640*480。

3）利用示波器抓取SPI通道得到下圖(a)，其中第二個(gè)波形MOSI為寄存器地址0×A5，第三個(gè)波形MISO即為寄存器值 0×50。

4）為了驗(yàn)證CX93510與CMOS傳感器的之間的SCCB通訊功能。選取OV7740中存儲(chǔ)OV7740高位ID的寄存器PIDH，地址為0×0A，該只讀寄存器內(nèi)存儲(chǔ)值為0×77。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊配置流程圖Fig.4 Configuration of data acquisition module flow chart

5）讀取OV7740中寄存器PIDH值如下圖（b），第一個(gè)波形SCL為27 MHz時(shí)鐘。結(jié)合SCCB協(xié)議，第二個(gè)波形SDA前半部分為寫入預(yù)讀寄存器的地址0x0A，后半部分為該寄存器內(nèi)存儲(chǔ)值0x77。

2.2 數(shù)字圖像膠囊原型樣機(jī)

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，為了從布局上減小膠囊尺寸，將數(shù)據(jù)采集模塊電路分成兩塊PCB，中間用FPC進(jìn)行連接?；谶@種設(shè)計(jì)，本文將CMOS傳感器以及圖像壓縮芯片放置于第一塊PCB板的兩面，單片機(jī)與電源管理模塊放置于另一塊PCB的兩面。方便后期將無線數(shù)據(jù)發(fā)送部分添加至電源管理模塊一側(cè)的PCB上，從而完成對(duì)消化道腸道圖像的采集以及發(fā)送功能的整合。另外，本文將不涉及無線供能和磁控制功能模塊。得到整個(gè)圖像采集部分的電路實(shí)物如圖6。

2.3 圖像恢復(fù)

完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置后，MSP430內(nèi)部緩沖得到前端圖像傳感器的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過無線發(fā)送芯片ZL70102發(fā)送數(shù)據(jù)至外部接收端。外部數(shù)據(jù)接收端在得到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳輸至PC后，PC端恢復(fù)出圖像如圖7所示。

其中圖（a）中內(nèi)容比較復(fù)雜，包括了仙人球盆景、電腦顯示屏以及黃色便簽，該圖實(shí)際大小為7.29 kB。圖（b）內(nèi)容比較單一，包括天花板以及辦公桌部分輪廓，大小為4.44 kB。可以得到數(shù)據(jù)采集端數(shù)字圖像的壓縮率：

現(xiàn)有圖像膠囊的圖像壓縮比一般有16，20[7]，25[8]，可以看到本文設(shè)計(jì)的圖像膠囊圖像采集模塊的壓縮比大大優(yōu)于現(xiàn)有的圖像膠囊的圖像壓縮比。

從恢復(fù)得到的圖像成像質(zhì)量來看，色彩以及內(nèi)容辨識(shí)度都達(dá)到了用于診斷消化道腸道疾病的標(biāo)準(zhǔn)。而整個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊的功耗為118 mW，后期無線供能能夠提供圖像采集與傳送系統(tǒng)的電能需求。

3 結(jié) 論

圖5 SPI時(shí)序圖及SCCB時(shí)序圖Fig.5 SPI timing diagram and SCCB timing diagram

圖6 圖像采集模塊實(shí)物圖Fig.6 Image acquisition module entity

圖7 PC圖像恢復(fù)Fig.7 Image recovery on PC

表1 圖像壓縮比Tab.1 Image compression ratio

文中介紹圖像膠囊系統(tǒng)的基本工作原理以及一種基于JPEG圖像格式的數(shù)字式微型腸道圖像采集模塊。作為圖像膠囊的初始原型，功耗低，系統(tǒng)集成度高；采用了獨(dú)立的JPEG硬件壓縮引擎，壓縮率可調(diào)，可顯著減少數(shù)據(jù)量。本文研究的數(shù)字圖像膠囊突出特點(diǎn)是選用低功耗圖像壓縮芯片，該圖像壓縮芯片可與通用CMOS圖像傳感器匹配，消除數(shù)字圖像膠囊對(duì)專用CMOS圖像傳感器的需求，為研究消化道診斷與治療膠囊系統(tǒng)的圖像采集與傳送提供了解決方案。

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