远程医疗图像增强技术在DM6437上的应用*

王小刚，张 珣，左建政

(杭州电子科技大学电子信息学院， 杭州310018)

随着计算机技术和网络技术的发展。远程医疗已经成为了现代医疗体系统的一个重要的组成部分。远程医疗是指利用网络传输视频以及医学图片实现病人与医生的交流。开展远程医疗可以增加每个社会成员获得医疗服务和医学教育的机会，减少地区差异、贫富差异造成的医疗水平不等的状况，使患者接受高水平的医疗服务。我国的远程医疗技术起步较晚，但是发展迅速。现在我国已经拥有三个主要的远程医疗网络：金卫网(GHN)，中国医学基金会互联网(IMNC)， 以及全军远程医学信息网[1-2]。在医学图片的处理中，对于图像的亮度不够、对比度差、动态范围大的图片需要进行增强处理，以满足临床诊断的需要。本文提出了基于嵌入式系统的远程医疗图片增强的方法，利用自适应的Retinex算法[3-7]对图片进行处理，然后将其移植到高速的DSP处理器中，实现了在嵌入式设备中的应用，并证实其在远程医疗中应用的可行性。

1 系统硬件设计

本系统采用TI公司推出的专门为高性能、低成本视频应用开发的、主频600 MHz的、32位定点DSP处理器TMS320DM6437。它采用2级Cache存储器体系结构，有32 kbyte字节RAM/Cache可配置的1级程序存储器L1P， 48 kbyte字节RAM+32 kbyte字节RAM/Cache可配置的1级数据存储器L1D，和128 kbyte字节RAM/Cache可配置的2级程序/数据存储器L2。片上具有64通道增强型DMA控制器EDMA3，同时具有丰富的外部存储器接口和片上外设，还有一个专用的10/100 M以太网MAC，方便实现嵌入式视频网络化要求。本系统的硬件设计如图1。

图1 系统硬件框图

1.1 网络接口模块

TMS320DM642支持10 M/100 M自适应模式，EMACM/DxO控制寄存器直接映射到DSP存储区，支持EMAC/MDIO复位和优先级。EMAC能工作在半双工或全双工模式下， 具有硬件流控制及服务质量保证支持。本系统用KS8721BL物理芯片扩展了一个10/100 Mbit的以太网接口，连接器为RJ-45标准的以太网连接器。在RJ-45连接器上有两个指示灯，绿灯闪烁表示网络正常连接，黄灯表示全双工模式。

1.2 外部存储器模块

TMS3320DM6437 有一个专用的32 bit、200 MHz、256 Mbyte字节寻址空间的DDR2存储器接口用于接口高速、大容量的DDR2存储器，以存储代码和数据；一个8 bit、64 Mbype字节寻址空间的异步存储器接口用于接口8 bit Nor Flash或Nand Flash，以存储固化代码。

1.3 电源模块

TMS3320DM6437 通常用于嵌入式系统中，因而，电源电路设计不仅要考虑电压的精度、稳定度和外围电路的复杂度等问题，还要考虑低功耗问题，本系统的电源设芯片采用IPS5430DDA，电路的设计如图2。

图2 电源模块电路

2 软件设计

2.1 Retinex算法

1977年Land首先提出了Retinex作为人眼感知亮度和色度的视觉模型，根据Retinex理论，物体的颜色是由物体对光线的反射能力决定的，而物体对光线的反射能力是物体本身固有的属性，与光源强度的绝对值没有依赖关系。因此通过计算各个像素间的相对明暗关系，可以对图像中的每个像素点的灰度值进行校正。据此，本文引入了一种基于全局特征的Retinex图像增强算法，图3是全局特征的Retinex图像增强算法的算法流程图。

经全局Retnixe算法增强后的图像对比度不高，因此需要对结果图像的直方图进行校正。本文采用自适应的线性拉伸方法提高图象的对比度。该方法利用“3σ规则”将与图像均值的距离超过3a的像素点的影响都忽略不计，取下饱和点low=u-3σ，上饱和点high=u+3σ然后根据公式[3]对原有图像的直方图进行线性拉伸，该方法具有自适应的特点。

2.2 代码的移植

在pc端编写Retinex算法，在验证算法的功能后将其移植到DSP平台。移植工作主要包含以下几个方面：

(1)修改程序使其符合标准的C

由于Tl所提供的CCS编译器与一般C编译器的差异，需要遵守相应的编程规则。尽量使用标准C的编程规范。

(2)CMD文件的编写

图3 Retinex算法流程图

CMD文件是用来为整个程序分配存储空间。它的生成有两种方式：一种是通过配置DSP/BIOS来生成。另一种是自己手工配置。本文采用以上两种方式生成CMD文件，这样可以方便用户根据自己的需要来更加合理的分配存储空间。

(3)删除不需要的代码

在PC端为了更加直观地看到程序的运行情况添加了很多fprintf函数，由于fprintf函数耗时大，会影响程序的执行时间，所以在DSP端应当删除。由于本文采用网络传输数据，所以还要删除一些图片数据的读取函数。

2.3 代码的优化

移植完以后需要对原程序进行优化，优化的方法有以下几种：

(1)使用volatile、restrict等关键字。

使用volatile来定义的变量表示该变量保存在寄存器中的值将会因为某些原因而发生变化。这就告诉编译器，不要试图从寄存器中取该变量的值，而是应该每次重新读取它的值，从而保证计算结果的正确性。用restrict定义的指针，其所指向的存储空间不会发生混叠，从而能够很好的起到优化作用。例如求期望和方差函数可以优化为：

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

(2)用位移来代替除法运算。

因为定点的DSP只有硬件乘法器没有硬件除法器，这样在做除法的时候要经过很多的步骤，降低程序执行的速度。

(3)用EDMA提高图像数据的传输速度。

EDMA传输数据是在后台运行，不占用CPU的计算周期，能提高数据传输的传输速度。本文直接使用由片上支持库(CSL)提供的DAT模块进行有关EDMA的操作。使用DAT_copy函数将r通道的数据从SDRAM搬移到内部存储器中，这样可以大大提高系统的性能。

2.4 网络传输

远程医疗系统需要通过网络来传输病人的病理图片。当前的Internet网络是建立在TCP/IP的网络。在TCP/IP协议组件中， 有两个协议：TCP和UDP， TCP通过面向连接的协议， UDP则是一种无须建立连接的协议。

图4 NDK中TCP/IP协议栈的结构

为了加速DSP网络化的进程， TI公司推出了NDK网络开发套件。NDK采用紧凑的设计方法，实现了用较少的资源耗费来支持TCP/IP。从实用效果看， NDK仅用200 ～250 kbit程序空间和95 kbit数据空间即可支持常规的TCP/IP服务，包括应用层的telnet、DHCP、HTTP等。 NDK网络开发套件主要包含的库有：TCP/IP网络工具的库；支TCP/IP协议栈与DSP/BIOS平台的库；网络控制以及线程调度的库。下图是NDK中TCP/IP协议栈的结构[8]。

基于数据可靠性的考虑，采用tcp协议实现pc和DM6437之间的通信。图片数据是由pc到dsp单向传输的，经测算本文tcp传输速率达到20 Mb/s。

3 结果

本文的自适应的Retinex适用于不同亮度，不同大小的的医学图片。由于医学图片都以rgb格式存储于pc上， 所以首先在VC++6.0 平台上调用opencv库函数读出图片的rgb各个分量的数据，然后利用tcp协议实现pc和dsp的图片数据传输，最后进行数据的处理。本文采用图片的大小352*288，不考虑传输消耗的时间， dsp处理单通道的时间为450 ms，处理整幅图像用时1.4 s。应用本文的算法得到的增强的胸透图片如图5所示。

图5 原始图片

图6 处理以后的图片

从处理后的图片可以看出，经本文的算法处理以后原来图像中的暗区，模糊不清的部分变得清晰，对比度有了很大的改善，而且具有一定的锐化效果。

4 结论

Retinex算法是一种有效的、基于人眼视觉原理的图像增强算法，它既能实现医学图像对比度的增强，同时又能有效地压缩图像的动态范围，具有广泛的应用领域。实验结果也表明本文的算法能有效地提高医学图像中暗区内细节的可视度，压缩图像的动态范围，能提高医生的临床诊断准确性。并且将该算法应用于嵌入式平台，具有医学应用价值。

[ 1] 李军怀， 周明全，等.远程医疗的国内外现状及展望.国外医学生物医学工程分册， 2002， 25(5)：193-196.

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[ 3] 李学明.基于Retinex理论的图像增强算法[ J] .计算机应用研究， 2004， 2(9)：235-237.

[ 4] 江兴方，陶纯堪.Retinex彩色图像增强理论及其研究进展，2005， 31(9)：258-263.

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[ 7] 芮义斌，李鹏， 孙紧涛.一种图像去薄雾方法[ J].计算机应用， 2006， 26(1)：30-32.

[ 8] 李松，吴建华.TIC6000DSP上TCP/IP协议栈的实现， 2007， 3：688-689.