基于嵌入式Linux操作系统的内窥镜视频系统的软件设计

罗小明，周文光

厦门大学附属成功医院（中国人民解放军第一七四医院），福建 厦门361003

基于嵌入式Linux操作系统的内窥镜视频系统的软件设计

罗小明，周文光

厦门大学附属成功医院（中国人民解放军第一七四医院），福建 厦门361003

0 前言

医用电子内窥镜是用于观察人体内部体腔的设备，医护人员可通过它直接观察人体内脏器官的组织形态，提高诊断准确性。内窥镜视频系统主要由影像处理器、冷光源发生器、图像监视器、CCD摄像机和光学接口等组成。上述部件体积大且移动不便，通常放置在可移动的台车上；内窥镜卡接在光学接口与CCD摄像机间，实现光学连接，并通过摄像机信号线与系统主机实现电气连接；另外，内窥镜还需经导光纤维从冷光源发生器获得照明光源。由此可见，医生在使用内窥镜时，内镜与系统台车间至少存在两条连线（电气连接和照明光纤），操作不便，活动范围受限。除此之外，系统还存在操作者眼手分离、稳定性不好、易疲劳等问题。

针对上述问题，我们设计了一款手持式内窥镜视频系统，集成摄像机、光学接口、冷光源发生器、影像处理器和图像监视器，可与各类医用内窥镜配接，适用于内窥镜检查及手术的实时观察、记录和回放；既弥补了内窥镜视频系统的一些不足，又可广泛用于住院查房、外出巡诊、野战救治等机动医疗场合。本文重点阐述该便携式内窥镜视频系统的软件设计过程。

1 系统架构

1.1 开发环境

（1）开发平台：Intel Core 2 CPU E8200 @ 2.66GHz（酷睿双核处理器，主频2.66GHz），2GB DDR2 SDRAM（2GB的DDR二代内存）。

（2）开发工具：Red Hat Enterprise Linux 5（Linux操作系统），VMware Workstation 7.0.1（虚拟机软件系统）。

（3）编程语言：C/C++、ASM、PB。

（4）编译器：arm-linux-gcc 4.3.2及GDB调试工具。

1.2 基本设计思想

采用嵌入式Linux操作系统和数字媒体开发包DVSDK作为系统软件平台[1]。系统分层架构图，见图1。

图1 系统分层架构图

各部分的主要功能：

（1）操作系统及底层驱动：嵌入式Linux及基本硬件的底层驱动程序，包括定时器、图像传感器、视频前端、视频后端、SD卡、电量监测及通用IO引脚等功能部件的驱动实现代码。

（2）协处理器及编解码引擎：协处理器的底层驱动程序，包括连续物理内存、编解码引擎等的驱动实现代码及编解码算法库等。

（3）算法库：图像传感器采集数据的算法处理实现代码，包括图像去噪、视频稳定、自动曝光、自动白平衡、边缘畸变校正等[2]。

（4）系统中间件：应用层与底层驱动程序的接口，包括芯片支持库、OS抽象层、驱动程序接口、图像处理算法接口等系统中间件的实现代码。

（5）系统应用层：图像采集及视频数据处理的主要实现部分，包括图像采集、视频编解码、画面缩放、软件OSD、图像参数设置及液晶显示等的实现代码。

（6）EV应用层：顶层应用的实现代码，包括用户交互界面、系统资源管理、视频无线传输、内置存储卡访问等的实现代码。

2 系统实现原理

系统主要工作原理是：采用高分辨率图像传感器将内窥镜观测到的光学信号转换为电信号，再由微控制器进行数字处理，获得清晰稳定的图像，在手持主机的液晶显示屏上显示，也可以通过无线路由器连接至PC机，方便多人对手术过程进行实时观察、记录和回放[3-4]。

2.1 图像采集实现原理

采用高分辨率CMOS图像传感器MT9P031作为图像采集设备，通过内部模数转换部件，将内窥镜观测到的光学信号转换为电信号；再通过多媒体处理器TMS320DM368进行数字处理，最终获得清晰稳定的图像

2.2 视频压缩实现原理

采用TI公司高性能数字多媒体处理器TMS320DM368，其内置硬件协处理器MJCP/HDVICP支持JPEG/MPEG4/ H264等多种格式的硬件编解码[5]。系统通过CMOS图像传感器获取图像的原始数据后，传递到处理器的IPIPE单元，进行图像的缩放处理；再通过内部硬件协处理器，将图像数据压缩编码为JPEG/MPEG4/H264等格式[6]。

为获得高质量的图像，系统采用ADV7179视频解码器，支持NTSC和PAL格式视频信号，支持rru-BT.656格式的数字视频输入，有一路复合视频输出和一路超级视频输出[7]。

系统采用NTSC格式的视频信号，输出到薄膜场效应晶体管（Thin Film Transistor，TFT）的LCD显示器上，主要需要配置PPI l端口。

3 结语

该视频系统通过引入人体工学概念，使系统监视画面与实际操作面一致，可显著提高操作效率和稳定性；所显示的镜下图像方向恒定，不随内窥镜转动，可减少操作失误，提高手术治疗的精确度和安全性；系统手持主机采用3.5英寸的高分辨率LCD显示屏，影像更为细腻清晰。本文主要阐述了该系统的软件设计思路，但该系统压缩算法仍需进一步改进，力求在不影响图像清晰度的情况下实现最大压缩度。

[1] 冯晓亮．实时图像处理器的软硬件设计与实现[D]．南京:南京理工大学,2007．

[2] 王国良,杜吉．医用电子内窥镜光学镜头图像畸变数字校正方法[J]．光电子·激光,2000,11(6):602-605．

[3] 彭启琮．达芬奇技术-数字图像/视频信号处理新平台[M]．北京:电子工业出版社,2008．

[4] 王培珍,徐俊生．基于ARM9的嵌入式Linux图像采集系统设计[J]．智能控制、检测技术及应用,2007,36(19):89-92．

[5] 张剑．基于4×4离散余弦变换的H．264量化算法[J]．微型机与应用,2004,(9):25-28．

[6] 陈钢,潘双夏．高性能CMOS摄像机标定方法研究[J]．机电工程,2006,23(8):1-5．

[7] 周陶生．基于DSP的H．264编解码器的实现与优化[D]．北京:北京交通大学,2013．

Software Design of Endoscope Video System Based on Embedded Linux

LUO Xiao-ming，ZHOU Wen-guang

Chenggong Hospital Affiliated to Xiamen University (The 174thHospital of PLA), Xiamen Fujian 361003, China

基于嵌入式Linux操作系统设计了一款便携式内窥镜视频系统，集成了图片拍摄、视频录制、画面缩放、存储卡访问等功能。本文主要阐述了该视频系统的软件设计过程，即采用多媒体处理器TMS320DM368作为硬件平台，采用嵌入式Linux操作系统和数字媒体开发包DVSDK作为软件平台进行软件设计。

内窥镜视频系统；嵌入式Linux；图像采集；视频压缩

An portable endoscope video system which has integrated various functions including image shooting, video recording, page zooming, memory card access was designed based on embedded Linux. This paper mainly introduced the software design process of the system which was designed with multimedia processor TMS320DM368 as its hardware platform, embedded Linux and digital media development kit DVSDK as its software platform.

endoscope video system; embedded Linux; image acquisition; video compression

TP393.03

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.06.045

1674-1633(2014)06-0125-03

2013-09-26

2013-11-07

作者邮箱：442373315@qq．com