医用电子内窥镜显示缓存系统及其FPGA实现

医用电子内窥镜系统是一个CCD(电荷耦合件器件)彩色图像采产集与显示系统,其中显示缓存系统是系统的核心,通过它对图像数据的接收、存储、发送,同时作为高速设备与低速设备的缓解环节,满足系统对图像数据在输出到监视器上正确显示所作的多方面处理的要求.

　　目前国内外的医用电子内窥镜的显示缓存系统控制均采用大规模集成电路实现,虽然系统具有集成度高,可靠性好特点,但其可更改性差,设计周期长,设计风险高,设计费用大.90年代电子元器件行业推出了先进的FPGA(现场可编程门阵列)器件,FPGA器件综合了分离器件与大规模集成芯片的优点,具有用户可编程特性,大大缩短了设计周期,减少了设计费用,降低了设计风险.而且器件包含大量的门电路,具有高的速度,使设计的电子产品达到小型化,集成化和高可靠性[1].对处于研制期须要经常更改的系统,这种器件尤其适用.本系统也采用了目前这种先进的FPGA器件来实现显示缓存系统所有的控制功能.

1　显示缓存系统的功能及构成

　　系统采用全帧型,超小型面阵CCD作为系统的图像采集器件.这种面阵CCD输出的信号与标准的电视信号不一致,因此不能直接在电视监视器上显示图像信号.这种不一致性的主要原因有:

　　1)系统中CCD移出象素的行频率为32 kHz[2],而监视器显示图像的标准行频率为15.625 kHz.这种行频率的不一致性会导致图像显示的错误.

　　2)系统采用的是全帧CCD,这种CCD逐行输出信号,即在一场的时间内输出的是一帧的图像,而监视器是隔行扫描的,先输出奇场的信号,再输出偶场的信号,两场信号构成一帧的图像.因此,必须人为地将CCD输出的信号进行奇偶场分离,以便在监视器上正确显示.

　　3)由于内窥镜的CCD体积受到限制,为了提高分辨率,系统采用单色CCD.与相同分辨率的彩色CCD相比,单色CCD的体积小得多.系统利用单色CCD采集图像红、绿、蓝三个分量,分别存储并同时输出,进行彩色编码实现真彩色显示.

　　4)为了仪器功能的需要,系统实现了大小双画面同时显示,画面冻结,冻结画面换帧.

　　显示缓存系统有效地缓解了以上的不一致性可使CCD输出信号在监视器上正确显示.综上所述显示缓存系统主要完成以下几个功能:

　　1)缓存高速CCD与低速的监视器读写的矛盾;

2)全帧CCD逐行输出信号的奇偶场分离;

3)单色CCD图像的真彩色处理;

　　4)通过窗口控制实现大小双画面显示,画面冻结,冻结画面换帧.

可见显示缓存系统是最关键、最复杂的部分,其原理见图1.主要由FIFO(先进先出缓存)、VRAM(视频双端口存储器)及由FPGA构成的控制电路组成.数据流在FPGA控制正是从FIFO输出,轮流写入一组VRAM一定的位置中,并同时从三组VRAM输出实现了以上所述的几个功能.