用于无线内视镜系统的基带处理专用集成电路

胶囊式无线内视镜[1](以下简称内视镜)是一种可以用于全消化道检测的新型医疗装置。病人在吞服以后,内视镜采集体内消化道的图像,并把图像数据以无线的方式发送至体外供医生诊断。内视镜是一种典型的电池供电的通信系统。因此,内视镜的低功耗要求成为整个系统设计的关键。为了降低内视镜的功耗延长其工作寿命,本文提出并实现了一种数模混合的基带处理芯片,它集成了图像压缩、通信控制、电源管理的功能,有效地降低了系统功耗,延长了内视镜的工作寿命。

1　系统结构

数模混合基带处理芯片的系统结构框图如图1所示,它主要由数字基带处理及电源管理两部分组成。数字基带部分主要用于实现双向通信协议和图像压缩两大功能,而电源管理部分产生所需的电源电压和时钟信号。数字基带中的微控制器模块作为内视镜的主控模块负责实现双向通信协议并控制所有其他模块,而其他外围专用的接口模块和图像压缩模块作为微控制器的硬件加速单元。作为典型的电池供电的无线通信系统,内视镜系统的整体功耗是设计的关键。而射频收发机作为内视镜系统功耗最大的部分,其功耗优化十分困难。因此本文首次在基带处理结构中引入低功耗高性能的图像压缩算法。从图像传感器传入的图像数据经过图像压缩处理之后,由无线收发器发送至体外。图像压缩有效地减少了通信数据量以及相应的射频电路所消耗的能量,从而有效地降低了内视镜系统的整体功耗。

2　低功耗准无损图像压缩

2.1　图像滤波

本文的图像压缩算法由一个改进的图像滤波器[2]及一个标准的JPEG-LS[3]编码器组成,图像滤波算法是针对CMOS图像传感器采用的原始Bayer图像格式设计的。原始Bayer图像格式是一种未插值的彩色图像传感器阵列形式,如图2a所示。这种格式的当前像素和相邻像素属于不同的颜色分量,相关性低,相当于在图像空间引入了高频分量。这使得无论用基于预测的压缩方法还是基于变换的压缩方法,压缩性能都受到严重的影响。因此文[4-6]提出使用图像滤波作为JPEG-LS的预处理过程来提高压缩比。与文[4-6]的方法相比,本文提出的滤波算法更加适于硬件实现且易于实时计算。算法将滤波过程分为2步:像素变换和像素滤波。像素变换将G颜色分量和另外2种B、R颜色分量分开排列,以降低由于相邻像素的不同颜色属性而产生的高频分量,如图2b所示。这样大大提高了像素间的相关性,有利于提高JPEG-LS的压缩比。像素滤波进一步过滤图像中的高频分量,其算法可表示为

其中:G、B、R表示Bayer格式图像的原始像素值;G′、B′、R′表示对原始像素进行滤波后的计算结果; (m,n)表示当前像素的行列坐标。滤波过程不可避免地需要缓存相邻像素。由于B、R分量被视为相同颜色分量,滤波过程以一种更为一致的方式得以简化,这使得滤波过程仅需3行图像数据缓存即可实现实时计算。