CN105469352A - 一种基于移动gpu的便携式图像处理系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于移动GPU的便携式图像处理系统，也公开了利用该系统实现医学图像高速处理的方法。该系统包括图像输入单元、图像处理单元、图像缓存单元和图像输出单元；其中，图像输入单元将不同格式的输入图像转换成统一格式的图像，输入图像处理单元进行处理；图像处理单元包括ARM处理器和GPU处理器，其中ARM处理器对图像处理进程进行调度，GPU处理器对图像进行并行处理,ARM处理器和GPU处理器通过图像缓存单元进行数据交互；图像处理单元将处理后的图像数据经过图像输出单元向外输出。利用本发明，可以实现对便携性X射线机的动态图像实时高分辨率处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像处理系统，尤其涉及一种基于移动GPU的便携式医用图像处理系统，同时也涉及利用该系统实现医学图像高速处理的方法，属于图像处理技术领域。
背景技术
医用图像成像装置包括X射线机、CT成像装置、MRI装置、超声诊断装置和核医学成像装置等，此外还包括放射治疗计划系统、PACS系统(医学图像归档和通信系统)、骨密度测量仪器等医疗设备中的成像系统。随着临床医学应用的不断发展，要求医用图像成像装置能够提供动态图像的观察能力，这就对医用图像成像装置的图像处理能力提出了很高的要求。
目前常用的X射线机(包括血管造影机、数字胃肠机、移动式C形臂X射线机等)，在临床应用中要求实现对动态图像的观察，例如一般透视观察要求达到25～30fps(每秒传输帧数)，曝光诊断观察如心脏造影等要求达到25～30fps，外周血管造影等要求达到8～15fps，胃肠道钡餐造影要求达到4fps以上。因为现有医用图像成像装置在传输和处理速度的限制。当速率要求达到25～30fps时，相应的图像分辨率只能达到1024×1024；当速率要求达到4～8fps时，图像分辨率可以达到2048×2048。而且，满足上述条件要求图像不做处理或做一些简单的处理，不能做复杂的图像降噪和增强等高级图像处理，不能满足临床医学对高分辨率、高对比度动态图像清晰显示的诊断要求。
GPU(图形处理器)是近几年发展起来的大规模并行计算处理器，在计算机显卡上的应用已经非常广泛。目前，生产X射线机的各大厂家也纷纷利用GPU来满足图像处理的应用要求。例如在公开号为101520900A的中国专利申请中，公开了一种利用GPU加速CR/DR/CT图像显示及图像处理的方法及专用设备。其包括PC机、CR/DR工作站或者PACS服务器，其中，PC机连接CR/DR工作站或者PACS服务器,利用新型GPU的通用计算能力，实现CR/DR/CT图像的快速显示。该技术方案充分利用GPU的通用计算能力，将CPU从图像处理的繁重计算中解放出来，专心于数据通信及数据安全的处理，提高图像处理系统效率。但是，该方案是在现有计算机的整体架构下实现的，其缺陷是：昂贵、能耗高、不具备移动性和便携性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于移动GPU的便携式图像处理系统。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种利用上述系统实现医学图像高速处理的方法
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种基于移动GPU的便携式图像处理系统，包括图像输入单元、图像处理单元、图像缓存单元和图像输出单元；其中，
所述图像输入单元将不同格式的输入图像转换成统一格式的图像，输入所述图像处理单元进行处理；
所述图像处理单元包括ARM处理器和GPU处理器，其中所述ARM处理器对图像处理进程进行调度，所述GPU处理器对图像进行并行处理,所述ARM处理器和所述GPU处理器通过所述图像缓存单元进行数据交互；
所述图像处理单元将处理后的图像数据经过所述图像输出单元向外输出。
其中较优地，所述ARM处理器将输入的图像存储到所述图像缓存单元，并通知所述GPU处理器；
所述GPU处理器为缓存的图像的每个像素分配一个线程，并行处理所有线程；
处理后的图像数据存储到所述图像缓存单元，并反馈给所述ARM处理器。
其中较优地，所述图像处理单元与所述图像输入单元之间的物理层和链路层采用PCIe总线实现。
其中较优地，在协议层和应用层设置接口一致的底层驱动软件，所述图像处理单元直接与所述底层驱动软件进行交互。
其中较优地，所述图像输入单元中包括GigE图像采集卡、USB3.0图像采集卡、LVDS图像采集卡、CamLink图像采集卡、S-Video图像采集卡中的一种或多种。
其中较优地，所述便携式图像处理系统与PACS系统或者图像工作站连接时，采用DICOM3.0标准接口协议进行通信。
其中较优地，所述便携式图像处理系统以DICOMworklistSCU方式查询患者信息；Worlist服务器系统接收到数据查询请求后，根据查询条件从放射信息系统中查询到相应的患者信息，发送回所述便携式图像处理系统；所述便携式图像处理系统把患者信息和采集到的图像数据打包成DICOM图像文件，通过DICOMStorageSCU方式把所述DICOM图像文件传输到所述PACS系统或所述图像工作站存档。
一种实现医学图像高速处理的方法，利用上述的便携式图像处理系统实现，包括如下步骤：
首先，图像输入单元接收不同格式的图像数据，转换成统一格式的图像，通过PCIe总线传递到图像处理单元；
其次，图像处理单元在图像数据传输到计算机之前对输入的图像进行图像校正，对校正后的图像进行降噪和增强，最后进行图像窗宽窗位调整，得到处理后的图像；
最后，从所述图像处理单元接收处理后的图像数据，进行保存或者向外输出。
其中较优地，在所述图像处理单元中，首先由ARM处理器将输入的图像存储到图像缓存单元，并通知GPU处理器；所述GPU处理器为缓存的图像的每个像素分配一个线程，并行处理所有线程；处理后的图像数据存储到所述图像缓存单元，并反馈给所述ARM处理器。
其中较优地，所述图像校正包括但不限于坏点校正、偏移校正和增益校正中的一种或多种。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
采用ARMCPU和移动GPU相配合的技术方案，获得了高性能大规模并行计算的能力，可以实现对便携性X射线机的动态图像实时高分辨率处理。利用本发明，现有的计算机可以放弃繁重的图像处理工作，将工作重心转移到图像的存储、管理和诊断阅片上，从而有利于提高诊断工作的质量与效率。
附图说明
图1(a)和图1(b)是本发明所提供的便携式图像处理系统的使用状态示意图；
图2是图1所示的便携式图像处理系统的内部结构示意图；
图3是本发明中，GigE图像采集卡的结构示意图；
图4是本发明中，USB3.0图像采集卡的结构示意图；
图5是本发明中，LVDS图像采集卡的结构示意图；
图6是本发明中，CamLink图像采集卡的结构示意图；
图7是本发明中，S-Video图像采集卡的结构示意图；
图8是本发明中，图像处理过程的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1(a)和图1(b)分别显示了本发明所提供的便携式图像处理系统的使用状态。该便携式图像处理系统设置在X射线探测器与计算机之间，一方面连接便携式X射线探测器，另一方面连接计算机。在便携式图像处理系统的内部，利用适合移动应用的ARM处理器和移动GPU的相互配合，实现对X射线探测器的高分辨率动态图像的实时处理，然后将处理好的图像数据传输给显示器，由显示器对外显示。另外，便携式图像处理系统所处理获得的数据也输入到计算机中，以便由计算机进行进一步的数据分析和处理。
图2是本发明所提供的便携式图像处理系统的内部结构示意图。以中间的PCIe总线(Bus)为界限，该便携式图像处理系统可以分为两部分：一部分是与图像处理相关的单元模块，包括图像处理单元和图像缓存单元，以实现图像处理和图像输出为主；另一侧是与多种格式图像数据流输入相关的单元模块，包括图像输入单元等，主要用于将不同格式的输入图像数据转换为统一格式的图像数据。这种设计方案在图像处理和图像输入之间设计了总线结构，以实现对不同的图像数据流转换为统一的图像格式(mGPUerFormat)进行处理，显著增强了便携式图像处理系统的适应能力。
在本发明中，由于在物理层和链路层采用了PCIe总线，即不同的硬件单元将相应的图像数据输入流转换到PCIe总线，在协议层和应用层设计了接口一致的底层驱动软件(mGPUerDriver)。因此，本发明所提供的图像处理单元不再依赖输入的图像格式，而是直接对底层驱动软件(mGPUerDriver)进行交互。采用这种方式划分的系统，在算法和硬件设计上独立项较强，易于进行维护。如果需要处理一种扩展的图像格式，只需要设计相应的图像输入单元，把其转换成mGPUer格式即可。因此，该便携式图像处理系统可以具备多种输入/输出接口能力，扩大了整个图像处理系统的应用范围。
下面结合图2，对本便携式图像处理系统中的各个单元进行详细描述。
1.电源分配单元(PDU，PowerDistributionUnit)，用于为整个系统中的各个功能单元提供电源供应。该便携式图像处理系统由24V直流电源供电，然后通过电源分配单元中的调整电路1输出5V直流电，同时5V直流电还可以进一步调整，通过调整电路2～5分别输出3.3V、2.5V、1.8V和1.2V的直流电。
2.图像输入单元(IIU，ImageInputUnit)，可以接收包括但不限于GigE、USB3.0、LVDS、Camlink或者S-Video格式的图像。每一种图像输入格式均有对应的图像采集卡。图像输入单元将输入图像转换到统一的图像格式(mGPUerFormat)，并通过PCIe总线将图像数据交给图像处理单元。
下面，对分别支持各种图像格式的图像输入单元进行具体的说明。
1)GigE图像采集卡，如图3所示：
在电路设计上，该图像采集卡使用GigE和PCIe的桥接芯片来实现。GigE格式的图像信号经过GigE收发器(Transiver)后，转换为统一的图像格式(mGPUerFormat)并由PCIe总线进行转发，从而实现GigE格式图像在链路层和协议层的输入转换。
2)USB3.0图像采集卡，如图4所示：
在电路设计上，该图像采集卡使用USB3.0和PCIe的桥接芯片来实现。USB3.0格式的图像信号经过USB3.0收发器(Transiver)后，转换为统一的图像格式(mGPUerFormat)并由PCIe总线进行转发，从而实现USB3.0格式图像在链路层和协议层的输入转换。
3)LVDS图像采集卡，如图5所示：
在LVDS图像采集卡的电路设计上，通过电平转换电路将LVDS图像数据流转换到LVTTL电平格式，CPLD(复杂可编程逻辑器件)从LVTTL图像数据流中检测出图像的场、行同步信号，并根据行同步信号使用“乒乓”技巧将图像数据流分别推入到FIFO存储器1和FIFO存储器2中，同时场、行同步信号通过控制信号接口(IOforControl)通知到微控制器(MCU)，微控制器根据场、行同步信号从相应的FIFO存储器中将图像数据读出，并把图像数据交给PCIetoLocalBus控制器，从而将LVDS图像数据流转换为统一的图像格式(mGPUerFormat)并由PCIe总线进行转发，实现了LVDS格式图像在链路层和协议层的输入转换。
4)CamLink图像采集卡，如图6所示：
在CamLink图像采集卡的电路设计上，通过CamLink解码芯片将CamLink图像数据流转换到LVTTL电平格式，CPLD从LVTTL图像数据流中检测出图像的场、行同步信号，并根据行同步信号使用“乒乓”技巧将图像数据流分别推入到FIFO存储器1和FIFO存储器2中，同时场、行同步信号通过控制信号接口(IOforControl)通知到微控制器，微控制器根据场、行同步信号从相应的FIFO存储器中将图像数据读出，并把图像数据交给PCIetoLocalBus控制器，从而将CamLink图像数据流转换为统一的图像格式(mGPUerFormat)并由PCIe总线进行转发，实现了CamLink格式图像在链路层和协议层的输入转换。
5)S-Video图像采集卡，如图7所示：
在S-Video图像采集卡的电路设计上，通过S-Video解码芯片将S-Video图像数据流转换到LVTTL电平格式，CPLD从LVTTL图像数据流中检测出图像的场、行同步信号，并根据行同步信号使用“乒乓”技巧将图像数据流分别推入到FIFO存储器1和FIFO2存储器中，同时场、行同步信号通过控制信号接口(IOforControl)通知到微控制器，微控制器根据场、行同步信号从相应的FIFO存储器中将图像数据读出，并把图像数据交给PCIetoLocalBus控制器，从而将S-Video图像数据流转换为统一的图像格式(mGPUerFormat)并由PCIe总线进行转发，实现了S-Video格式图像在链路层和协议层的输入转换。
3.图像处理单元(IPU，ImageProcessingUnit)，是本便携式图像处理系统的运算核心，包括ARMCore(ARM处理器)和GPUCore(GPU处理器)，两者可以是集成方式的或者独立方式。其中，ArmCore对图像进行调度，GPUCore对图像进行并行处理，两者通过图像缓存单元进行图像交互。
4.图像缓存单元(IBU，ImageBufferUnit)，ArmCore将接收到的图像数据缓存到该单元，GPUCore对图像数据进行并行处理。
5.图像输出单元(IOU，ImageOutputUnit)，ArmCore将GPUCore已处理好的图像数据经过该图像输出单元输送到便携式图像处理系统的外部。外部接口包括但不局限于以下种类：
1)显示器输出接口，可以直接输出到显示器进行显示，支持HDMI等格式。
2)图像输出接口，可以将图像数据传送到下一级图像处理单元或者下一级图像工作站，支持GigE、USB3.0等格式。
在本发明的一个实施例中，当便携式图像处理系统通过GigE收发器直接跟PACS系统或者支持DICOM3.0标准的图像工作站相连接时，可以基于DICOM3.0标准接口协议进行通信。具体地说，在DICOM3.0标准的协议框架下，本便携式图像处理系统先以DICOMworklistSCU(ServiceClassUser)方式查询患者信息。Worlist服务器系统以SCP(ServiceClassProvider)方式接收到数据查询请求后，根据查询条件从RIS系统(放射信息系统)中查询到相应的患者信息，发送回便携式图像处理系统。该便携式图像处理系统把患者信息和采集到的图像数据打包成DICOM图像文件，进一步通过DICOMStorageSCU方式把DICOM图像文件传输到PACS系统或支持DICOM3.0标准的图像工作站存档。这样，移动DR(DigitalRadio，直接数字化X射线摄影系统)彻底不用配备专门的计算机了，非常便利。
6.图像存储单元(ISU，ImageStoreUnit)，该单元可以实现图像的存储，存储能力依赖于存储介质的容量。在本便携式图像处理系统中，用此单元存储经过处理的图像数据(例如DICOM图像文件等)、便携式图像处理系统的工作和配置参数等等。存储介质包括但不局限于SD卡、SATA接口硬盘等。
上面对本便携式图像处理系统的硬件构成进行了具体说明。在本发明中，利用ARMCPU和移动GPU分担了现有计算机系统的图像处理工作，通过GPU并行处理机制对所采集的动态图像数据进行大规模并行处理，从而实现了动态显示高分辨率、高对比度图像的目的。由于在硬件上采用适合移动应用的ARMCPU和移动GPU，因此本便携式图像处理系统可以在体积上做到小巧精致，非常便于接入X射线机中，特别是移动X射线机等，解决了目前医用X射线机的高分辨率动态图像实时处理问题和便携性不可兼得的问题。另外，本便携式图像处理系统可以取代医用X射线机中的计算机，并可以应用在非医用的其他动态和静态图像处理领域。
在传统计算机的图像处理过程中，在计算机内存中对图像数据进行处理，包括图像校正、图像降噪和增强、图像亮度对比度调整等操作。这个图像处理过程通常是逐点串行地进行计算，采用单指令多数据技术如MMX、SSE时，也就是2、4或8个像素点同时进行计算；采用多线程并行计算时，由于CPU内核数的限制，只能做到几十个线程并行计算。另外，传统计算机也可以采用显卡上的GPU来进行大规模并行计算。但这样的显卡能耗高而且昂贵，通常应用在高性能的工作站上，不具备便携性。
另一方面，高分辨率的医学图像处理需要占用大量的计算资源。当传输图像数据帧的要求较高时，计算机除了维持整个系统的正常工作外，还需要处理大量的图像数据。如此会导致计算机的性能大大降低。因此，在实际进行医学影像处理时，为提高效率有时甚至会将图像的部分数据进行规整，舍弃部分不符合处理规则的图像数据。但是，这样也带来了新问题：所舍弃的数据有时会引起误差，如果是病变部分的数据，甚至会危及病人的生命。
为了从根本上解决上述的问题，本发明中对图像处理过程也进行了优化。图8显示了本便携式图像处理系统内部的图像处理过程。
首先，图像输入单元可以接收不同格式的图像数据，包括但不限于GigE、USB3.0、LVDS、Camlink或者S-Video格式。用户根据需要采集图像的格式，选择相应格式的采集卡。采集卡将采集到的图像数据转换成内部统一的图像格式(mGPUerFormat)，并将转换后的统一格式图像通过PCIe总线传递到图像处理单元(IPU)。
其次，图像处理单元(IPU)的ArmCore将PCIe总线传递过来的图像缓存到图像缓存单元(IBU)，并通知GPUCore对缓存的图像进行处理。GPUCores单元为缓存的图像的每一个像素分配一个线程，利用单指令多数据流的并行机制，由所有的线程进行并行处理，将处理好的图像再缓存到图像缓存单元(IBU)，并向ArmCore反馈，输出已经处理好的图像到显示器实时显示。
在现有技术中，采集卡将图像数据输入计算机内存，然后CPU再将图像数据经PCIE总线传输到显卡显存，GPU处理完图像数据后，再将图像数据经PCIE总线传回计算机内存。这种图像处理方式相比于本发明，多了两个图像数据传输过程。有时，这两个图像数据传输过程耗时会超过图像处理的时间，严重影响了整个系统的实时性。在本发明所提供的动态医学图像高速处理方法中，利用ARMCPU和移动GPU的独立图像处理能力，将上述图像校正步骤在图像数据传输到计算机之前进行。具体地说，图像处理单元对输入的图像进行图像校正(包括坏点校正、偏移校正和增益校正)，并对校正后的图像进行图像降噪和增强操作，最后进行图像的窗宽窗位调整，通过显示器进行显示。其中，坏点校正是针对X射线探测器上坏点的校正，偏移(offset)校正是针对图像背景暗电流的校正，增益(gain)校正是针对X射线探测器增益的校正，图像降噪是指降低图像的噪声，图像增强是增强图像的边缘，调整图像的窗宽窗位是将图像的灰度调整到一个更符合视觉需要的灰度范围。
最后，图像输出单元从图像处理单元接收已经处理过的图像数据，将其以DICOM图像文件的格式或RAWDATA文件格式存储到SD卡，或者传输到计算机上。经过处理的图像数据也可以提供到计算机上进行存储，供医生再次回顾查看，避免误诊与漏诊。特别地，当本便携式图像处理系统通过GigE收发器直接跟PACS系统或者支持DICOM3.0标准的图像工作站连接时，可以直接采用DICOM3.0标准接口协议进行通信，并通过DICOMStorageSCU方式把DICOM图像文件传输到PACS系统或支持DICOM3.0标准的图像工作站存档。其间完全不需要计算机的介入。利用本发明，现有的计算机可以放弃繁重的图像处理工作，将工作重心转移到图像的存储、管理和诊断阅片上，从而有利于提高诊断工作的质量与效率。
上面对本发明所提供的基于移动GPU的便携式图像处理系统及其方法进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (10)
1.一种基于移动GPU的便携式图像处理系统，其特征在于包括图像输入单元、图像处理单元、图像缓存单元和图像输出单元；其中，
所述图像输入单元将不同格式的输入图像转换成统一格式的图像，输入所述图像处理单元进行处理；
所述图像处理单元包括ARM处理器和GPU处理器，其中所述ARM处理器对图像处理进程进行调度，所述GPU处理器对图像进行并行处理,所述ARM处理器和所述GPU处理器通过所述图像缓存单元进行数据交互；
所述图像处理单元将处理后的图像数据经过所述图像输出单元向外输出。
2.如权利要求1所述的便携式图像处理系统，其特征在于：
所述ARM处理器将输入的图像存储到所述图像缓存单元，并通知所述GPU处理器；
所述GPU处理器为缓存的图像的每个像素分配一个线程，并行处理所有线程；
处理后的图像数据存储到所述图像缓存单元，并反馈给所述ARM处理器。
3.如权利要求1所述的便携式图像处理系统，其特征在于：
所述图像处理单元与所述图像输入单元之间的物理层和链路层采用PCIe总线实现。
4.如权利要求1所述的便携式图像处理系统，其特征在于：
在协议层和应用层设置接口一致的底层驱动软件，所述图像处理单元直接与所述底层驱动软件进行交互。
5.如权利要求1所述的便携式图像处理系统，其特征在于：
所述图像输入单元中包括GigE图像采集卡、USB3.0图像采集卡、LVDS图像采集卡、CamLink图像采集卡、S-Video图像采集卡中的一种或多种。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的便携式图像处理系统，其特征在于所述便携式图像处理系统与PACS系统或者图像工作站连接时，采用DICOM3.0标准接口协议进行通信。
7.如权利要求6所述的便携式图像处理系统，其特征在于：
所述便携式图像处理系统以DICOMworklistSCU方式查询患者信息；Worlist服务器系统接收到数据查询请求后，根据查询条件从放射信息系统中查询到相应的患者信息，发送回所述便携式图像处理系统；所述便携式图像处理系统把患者信息和采集到的图像数据打包成DICOM图像文件，通过DICOMStorageSCU方式把所述DICOM图像文件传输到所述PACS系统或所述图像工作站存档。
8.一种实现医学图像高速处理的方法，利用权利要求1～8中任意一项所述的便携式图像处理系统实现，其特征在于包括如下步骤：
首先，图像输入单元接收不同格式的图像数据，转换成统一格式的图像，通过PCIe总线传递到图像处理单元；
其次，图像处理单元在图像数据传输到计算机之前对输入的图像进行图像校正，对校正后的图像进行降噪和增强，最后进行图像窗宽窗位调整，得到处理后的图像；
最后，从所述图像处理单元接收处理后的图像数据，进行保存或者向外输出。
9.如权利要求8的实现医学图像高速处理的方法，其特征在于在所述图像处理单元中，首先由ARM处理器将输入的图像存储到图像缓存单元，并通知GPU处理器；所述GPU处理器为缓存的图像的每个像素分配一个线程，并行处理所有线程；处理后的图像数据存储到所述图像缓存单元，并反馈给所述ARM处理器。
10.如权利要求8或9所述的实现医学图像高速处理的方法，其特征在于：
所述图像校正包括但不限于坏点校正、偏移校正和增益校正中的一种或多种。
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- 2014-08-28 CN CN201410433501.9A patent/CN105469352A/zh active Pending
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