X光图像处理研究及基于FPGA+DSP的硬件实现
|
摘要
随着科学技术的快速发展，X光成像技术在医疗和工业领域中得到了广泛的应用，表现出了巨大的市场潜力和良好的前景。
本文以X光图像的特征为理论基础，针对X光图像的噪声特点，探讨了适用于图像噪声处理和图像增强的实用算法，同时结合实际进行了抑制噪声和图像增强处理系统的模块化设计。在系统的设计中，灵活应用了DSP和FPGA，将多种图像去噪算法应用于硬件电路系统，成功实现了系统设计的实时化、小型化和模块化。同时，总结了系统设计和调试的经验，对遇到的一些问题进行了深入的分析。
With the development of modern technology, X-ray image has been widely used, and has shown a large market potential and a bright future.
In this paper, we base on the analysis of characteristics of X-ray image, make a study on the performance, and fulfill image enhancement and develop the modularizing system for noise-suppressing. While designing the whole system, DSP and FPGA are adopted to perform different image noise-suppressing algorithms in the hardware circuit flexibly, which made it impossible to realize a real-time, miniaturizing and modularizing system successfully. In the meantime, the experiences in the course of designing and debugging are summarized, and some problems are discussed in detail.
本文以X光图像的特征为理论基础，针对X光图像的噪声特点，探讨了适用于图像噪声处理和图像增强的实用算法，同时结合实际进行了抑制噪声和图像增强处理系统的模块化设计。在系统的设计中，灵活应用了DSP和FPGA，将多种图像去噪算法应用于硬件电路系统，成功实现了系统设计的实时化、小型化和模块化。同时，总结了系统设计和调试的经验，对遇到的一些问题进行了深入的分析。
With the development of modern technology, X-ray image has been widely used, and has shown a large market potential and a bright future.
In this paper, we base on the analysis of characteristics of X-ray image, make a study on the performance, and fulfill image enhancement and develop the modularizing system for noise-suppressing. While designing the whole system, DSP and FPGA are adopted to perform different image noise-suppressing algorithms in the hardware circuit flexibly, which made it impossible to realize a real-time, miniaturizing and modularizing system successfully. In the meantime, the experiences in the course of designing and debugging are summarized, and some problems are discussed in detail.
引文
1 周峻．基于FPGA+DSP的实时图像处理器的研制．南京理工大学．硕士学位论文．2003
2 胡武军．数字X线探测器．上海生物工程．1998．19(1)：22
3 刘铸，李忠海，汪定伟．图像不均匀灰度的自适应调整．控制工程．2003(3)：249—251
4 张瑾，杨常清．基于矩阵分析的数字图像处理方法．微机发展．2003(5)：36—37
5 张恒博．一种基于选点的可变滤波窗口中值滤波算法．计算机工程与应用．2003(9)：16—17
6 彭惠民主编。X射线激光。北京：国防工业出版社，1997．1
7 孙克涵．数字X线摄影系统．医疗卫生装备．2000(2)：21-22
8 祁吉等编．计算机化x线摄影[M]，北京：人民卫生出版社。1997
9 张里仁等，医学影像设备学．人民出版社，2000．8
10 胡又增．直接数字化X射线摄影．世界医疗器械．1998．4．(3)：10-11
11 张泽宝等，医学影像物理学．人民出版社，2000．8
12 李耀辉，刘保军．基于直方图均衡的图像增强．华北科技学院学报．2003．5(2)：65-67
13 余小宝，莫玉龙．具有视觉特性的局部直方图均衡增强算法．上海大学学报．2003(4)：109—114
14 Rosenfeld A,Torre P.Histogram concavity analysis as an aid in threshold selection.IEEE. 1983(13):231-235
15 Weszka J S,Rosenfeld A Histogram modification for threshold selection.IEEE. 1979(9):38-72
16 宋刚，刘瑶华．一种能强化细节的自适应直方图均衡法．山东工业大学学报．1999．29(1)：81-85
17 Kenneth R Castleman. Digital image processing[M]. Prentice-Hall International Inc. 1998:15-16,75-80
18 吴一全，王厚枢．图象对比度增强处理方法(一)．数据采集与处理．1989(12)：39—49
19 雷春，张保民．红外系统的2D-TDI方法及其增强处理．红外与毫米波学报．2000(12)：445—448
20 陈钱．微光图像微型化实时数字处理技术研究[博士学位论文]，南京理工大
学，1996
21 樊养余．信号中噪声抵消方法研究及其应用[博士后士学位论文]，南京航空航天大学，2002
22 程源．多帧叠加及中值滤波在微光图像降噪中的应用．无线电通信技术．1997(3)：34—36
23 赵荣椿．数字图像处理导论．第1版．西安：西北工业大学出版社，1995
24 田捷等，实用图像分析与处理技术，电子工业出版社，1995．6
25 Kenneth.R.Castleman, Digital Image Processing. Prentice H all,1998
26 夏德胜等，现代图像处理技术，东南大学出版社，1995．3
27 Rosenfeld A,Kak A C.Digital Picture Processing.Academic Press. 1976
28 耿生玲，田芳．图像的平滑和锐化的原理及实现．青海师范大学学报．2003．3：62—65
29 Gonzalez R C,Wintz P. Digital Image Processing.2nd ed.Addison-Wesley. 1987
30 刘欣悦，黄廉卿．X射线图像处理中的最优化插值算法．光机电信息．1999．10(5)：11—14
31 Yokoya N, Yamamoto K. Fractal—based Analysis and Interpolation of 3D Natural Surface Shapes and Their Application to Terrain Modeling[J]. Computer Vision, Graphics an Image Processing, 1989, 46(3): 284—302.
32 卢钰．基于小波的图像插值方法．遥感学报．1998．2(2)：98-101
33 赵松年．熊小芸．小波变换与小波分析[M]．北京：电子工业出版社，1998
34 郝朋威，朱重光．基于小波的图像插值研究．武汉理工大学学报．2003．25(1)：81-83．
35 冯海旗．实时图像增强处理的硬件化实现．无线电通信技术．1998．24(3)：9-11．
36 Wang Y. Real-time video displaying technique for LLL digital image accumulation. SPIE. 1998.3530:199-202
37 RealTime Image Processing Ⅱ. SPIE. 1990 Vol.1341
38 沈兰荪．实时系统构成技术[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，1993．
39 张晓飞，袁祥辉．基于DSP成像系统的视频图像采集部分的实现．压电与光．2002．24(2)．247-250．
40 The application of parallel DSP networks to real time image Processing. Application of Machine Vision, IEE Colloquium on Published. 1995:11/1-11/6
41 杨朋林，张晓飞．FPGA控制实现图像系统视频图像采集，计算机测量与控制，2003．11(6)：451-452
42 张军，李含善．可编程视频信号输入处理器SAA7111．国外电子元器件．2002(8)：39—42
43 肖儿良，纪爽等．可编程视频输入处理芯片SA7111及其在图像多媒体中的应用．电子技术应用．1999．4：71-72
44 胡晓飞，殳国华等．基于视频处理芯片和CPLD的实时图像采集系统．电子技术．2002．10：28-30
45 王念旭．DSP基础与应用系统设计．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，2001
46 TMS320CX User's Guide. Texas Instruments. 1991
47 Xilinx Programmmble Logic Data Book[Z].2000.
48 褚振勇，翁木云．FPGA设计及应用．第1版．西安：西安电子科技大学出版社，2002
49 任晓东，文博．CPLD/FPGA高级应用开发指南．第1版．北京：电子工业出版社，2003
50 朱明程．XILINX数字系统现场集成技术．第1版．南京：东南大学出版社，2001
51 TMS320 Fixed-point DSP Assembly Language Tools User's Guide. Texas Instruments. 1991
52 曹广忠，邱键．高性能浮点DSP芯片TMS320VC33．国外电子元器件．2001．10：16-17
53 谭勋琼．12C总线技术及与51系列单片机接口编程．湖南水利水电．2001(6)：46-49
54 徐大诚．C51编程在I2C总线接口通信中的应用．计算机应用．2002(9)：80-82
55 罗惠明．电视技术基础．第1版．广州：华南理工大学出版社，1988
56 Kevin Skahill．可编程逻辑系统的VHDL设计技术．第1版．南京：东南大学出版社，1998
57 潘松，王国栋．VHDL实用教程．第1版．成都：电子科技大学出版社，2000
58 侯伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计．第1版．西安：西安电子科技大学出版社，1997
59 朱栋．双通道彩色夜视技术[硕士学位论文]，南京理工大学，2003
60 杨词银，黄廉卿．基于正灰度变换的X光图像增强．光学技术．2002．28(5)：407-408
61 李博文等．VHDL在高速图像采集系统中的应用设计．单片机于嵌入式系统应用．2001．1．58-59．
62 胡浩，王明照等．自适应模糊加权均值滤波器．系统工程与电子技术．2002(2)：15—17
63 张伟，汪岳峰，董伟，周冰．利用帧积分法去除微光图像噪声研究．光电子技术．2002(6)：90—92
64 柏连发，张保民．微光图像中值滤波与众值滤波的理论与实验研究．南京理工大学学报．1995(2)：117—121
65 汪岳峰，牛燕雄，董伟．加权均值滤波器减少微光电视图象噪声．光电子．微光．1999(4)：173—174
2 胡武军．数字X线探测器．上海生物工程．1998．19(1)：22
3 刘铸，李忠海，汪定伟．图像不均匀灰度的自适应调整．控制工程．2003(3)：249—251
4 张瑾，杨常清．基于矩阵分析的数字图像处理方法．微机发展．2003(5)：36—37
5 张恒博．一种基于选点的可变滤波窗口中值滤波算法．计算机工程与应用．2003(9)：16—17
6 彭惠民主编。X射线激光。北京：国防工业出版社，1997．1
7 孙克涵．数字X线摄影系统．医疗卫生装备．2000(2)：21-22
8 祁吉等编．计算机化x线摄影[M]，北京：人民卫生出版社。1997
9 张里仁等，医学影像设备学．人民出版社，2000．8
10 胡又增．直接数字化X射线摄影．世界医疗器械．1998．4．(3)：10-11
11 张泽宝等，医学影像物理学．人民出版社，2000．8
12 李耀辉，刘保军．基于直方图均衡的图像增强．华北科技学院学报．2003．5(2)：65-67
13 余小宝，莫玉龙．具有视觉特性的局部直方图均衡增强算法．上海大学学报．2003(4)：109—114
14 Rosenfeld A,Torre P.Histogram concavity analysis as an aid in threshold selection.IEEE. 1983(13):231-235
15 Weszka J S,Rosenfeld A Histogram modification for threshold selection.IEEE. 1979(9):38-72
16 宋刚，刘瑶华．一种能强化细节的自适应直方图均衡法．山东工业大学学报．1999．29(1)：81-85
17 Kenneth R Castleman. Digital image processing[M]. Prentice-Hall International Inc. 1998:15-16,75-80
18 吴一全，王厚枢．图象对比度增强处理方法(一)．数据采集与处理．1989(12)：39—49
19 雷春，张保民．红外系统的2D-TDI方法及其增强处理．红外与毫米波学报．2000(12)：445—448
20 陈钱．微光图像微型化实时数字处理技术研究[博士学位论文]，南京理工大
学，1996
21 樊养余．信号中噪声抵消方法研究及其应用[博士后士学位论文]，南京航空航天大学，2002
22 程源．多帧叠加及中值滤波在微光图像降噪中的应用．无线电通信技术．1997(3)：34—36
23 赵荣椿．数字图像处理导论．第1版．西安：西北工业大学出版社，1995
24 田捷等，实用图像分析与处理技术，电子工业出版社，1995．6
25 Kenneth.R.Castleman, Digital Image Processing. Prentice H all,1998
26 夏德胜等，现代图像处理技术，东南大学出版社，1995．3
27 Rosenfeld A,Kak A C.Digital Picture Processing.Academic Press. 1976
28 耿生玲，田芳．图像的平滑和锐化的原理及实现．青海师范大学学报．2003．3：62—65
29 Gonzalez R C,Wintz P. Digital Image Processing.2nd ed.Addison-Wesley. 1987
30 刘欣悦，黄廉卿．X射线图像处理中的最优化插值算法．光机电信息．1999．10(5)：11—14
31 Yokoya N, Yamamoto K. Fractal—based Analysis and Interpolation of 3D Natural Surface Shapes and Their Application to Terrain Modeling[J]. Computer Vision, Graphics an Image Processing, 1989, 46(3): 284—302.
32 卢钰．基于小波的图像插值方法．遥感学报．1998．2(2)：98-101
33 赵松年．熊小芸．小波变换与小波分析[M]．北京：电子工业出版社，1998
34 郝朋威，朱重光．基于小波的图像插值研究．武汉理工大学学报．2003．25(1)：81-83．
35 冯海旗．实时图像增强处理的硬件化实现．无线电通信技术．1998．24(3)：9-11．
36 Wang Y. Real-time video displaying technique for LLL digital image accumulation. SPIE. 1998.3530:199-202
37 RealTime Image Processing Ⅱ. SPIE. 1990 Vol.1341
38 沈兰荪．实时系统构成技术[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，1993．
39 张晓飞，袁祥辉．基于DSP成像系统的视频图像采集部分的实现．压电与光．2002．24(2)．247-250．
40 The application of parallel DSP networks to real time image Processing. Application of Machine Vision, IEE Colloquium on Published. 1995:11/1-11/6
41 杨朋林，张晓飞．FPGA控制实现图像系统视频图像采集，计算机测量与控制，2003．11(6)：451-452
42 张军，李含善．可编程视频信号输入处理器SAA7111．国外电子元器件．2002(8)：39—42
43 肖儿良，纪爽等．可编程视频输入处理芯片SA7111及其在图像多媒体中的应用．电子技术应用．1999．4：71-72
44 胡晓飞，殳国华等．基于视频处理芯片和CPLD的实时图像采集系统．电子技术．2002．10：28-30
45 王念旭．DSP基础与应用系统设计．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，2001
46 TMS320CX User's Guide. Texas Instruments. 1991
47 Xilinx Programmmble Logic Data Book[Z].2000.
48 褚振勇，翁木云．FPGA设计及应用．第1版．西安：西安电子科技大学出版社，2002
49 任晓东，文博．CPLD/FPGA高级应用开发指南．第1版．北京：电子工业出版社，2003
50 朱明程．XILINX数字系统现场集成技术．第1版．南京：东南大学出版社，2001
51 TMS320 Fixed-point DSP Assembly Language Tools User's Guide. Texas Instruments. 1991
52 曹广忠，邱键．高性能浮点DSP芯片TMS320VC33．国外电子元器件．2001．10：16-17
53 谭勋琼．12C总线技术及与51系列单片机接口编程．湖南水利水电．2001(6)：46-49
54 徐大诚．C51编程在I2C总线接口通信中的应用．计算机应用．2002(9)：80-82
55 罗惠明．电视技术基础．第1版．广州：华南理工大学出版社，1988
56 Kevin Skahill．可编程逻辑系统的VHDL设计技术．第1版．南京：东南大学出版社，1998
57 潘松，王国栋．VHDL实用教程．第1版．成都：电子科技大学出版社，2000
58 侯伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计．第1版．西安：西安电子科技大学出版社，1997
59 朱栋．双通道彩色夜视技术[硕士学位论文]，南京理工大学，2003
60 杨词银，黄廉卿．基于正灰度变换的X光图像增强．光学技术．2002．28(5)：407-408
61 李博文等．VHDL在高速图像采集系统中的应用设计．单片机于嵌入式系统应用．2001．1．58-59．
62 胡浩，王明照等．自适应模糊加权均值滤波器．系统工程与电子技术．2002(2)：15—17
63 张伟，汪岳峰，董伟，周冰．利用帧积分法去除微光图像噪声研究．光电子技术．2002(6)：90—92
64 柏连发，张保民．微光图像中值滤波与众值滤波的理论与实验研究．南京理工大学学报．1995(2)：117—121
65 汪岳峰，牛燕雄，董伟．加权均值滤波器减少微光电视图象噪声．光电子．微光．1999(4)：173—174