CN110418077B - 一种医用超高清4k影像系统 - Google Patents

一种医用超高清4k影像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种医用超高清4K影像系统，包括系统供电POWER模块、HDMI视频输入模块、超高清图像传感器模块、HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块、DP视频输出模块、超高速SDI视频输出模块、FPGA模块、高速DDR存储芯片组模块1、高速DDR存储芯片组模块2、MCU系统控制模块、按键指示灯接口模块、脚踏开关传感模块、外部通讯模块和USB端口升级模块，本发明能采集前端的超高清视频输入，通过FPGA模块对原始视频进行解码运算处理提高视频清晰度，并能以多种格式输出显示，也可在显示过程中冻结画面和拍照存储回放还原，功能强大，兼容性强。本系统有利于快速诊断，节省手术时间，极大地提升了医护人员的病理诊断效率。

Description

一种医用超高清4K影像系统
技术领域
本发明涉及医用内窥镜技术领域，具体涉及一种医用超高清4K影像系统。
背景技术
医用内窥镜自诞生以来，便在临床诊断和手术治疗中扮演着及其重要的角色。随着信息化医疗时代的到来，医用内窥镜的影像品质，从最初的QVGA(320*240)画质发展到目前主流的1080P(1920*1080)画质，每次的进步使得医护人员对人体的内部构造、肌理组织和器官纹理的认知更加清晰，使其逐步摆脱了某些特定情况下仍须依赖肉眼观察病变区及活检部位的局限，帮助其在最短的时间内做出正确的病理诊断，制定高效精准的治疗方案起到莫大的作用。而今随着4K显示技术的日臻完善，一种超高清4K(3840x 2160)分辨率的医用内窥镜便适当其逢，如图1所示，其所带来的4K级细节呈现和色彩还原，是过去的医疗影像技术所无法比拟的，带来的震撼显示效果为医疗诊断提供极大的便利和前所未有的细节展现认知。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种医用超高清4K影像系统来解决现有技术对于在医用中医护人员观察病变区及活检部位细节不全面，不清晰造成不正确的病理诊断的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一种医用超高清4K影像系统，其创新点在于：包括系统供电POWER模块、HDMI视频输入模块、超高清图像传感器模块、HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块、DP视频输出模块、超高速SDI视频输出模块、FPGA模块、高速DDR存储芯片组模块1、高速DDR存储芯片组模块2、MCU系统控制模块、按键指示灯接口模块、脚踏开关传感模块、外部通讯模块和USB端口升级模块，所述FPGA模块用于将输入FPGA模块的视频流进行优化获取高清的数字视频流，并将高清的数字视频流进行存储和输出，所述FPGA模块内部包括数个BANK单元，分别连接至上述相应的单元模块，所述系统供电POWER模块为FPGA模块和各单元模块供电；
所述FPGA模块分别与HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块和DP视频输出模块连接来将FPGA模块处理完成的视频分别流转成标准的HDMI2.0格式、DVI-D格式和DP1.4格式输出；
所述FPGA模块与超高速SDI视频输出模块连接将FPGA输出的SDI视频流进行自适应均衡处理，并通过驱动电缆输出；
所述FPGA模块与HDMI视频输入模块连接来将HDMI2.0格式的视频图像输入采集，传送至FPGA模块进行图像处理；
所述超高清图像传感器模块连接在FPGA模块的BANK224端，超高清图像传感器模块通过光电转换实现视频采集，将获取的超高清的原始数字视频图像经由ISP处理后，传送至FPGA模块进行处理，所述高速DDR存储芯片组模块1和高速DDR存储芯片组模块2均连接FPGA模块来实现图像数据的缓存和运算支撑，所述MCU系统控制模块和USB端口升级模块分别连接FPGA模块来初始化各个功能模块，实现人机交互功能和实现主机的维护和升级；
所述按键指示灯接口模块、脚踏开关传感模块、外部通讯模块和USB端口升级模块均与MCU系统控制模块连接来实现人机交互。
进一步的，所述HDMI视频输入模块包括HDMI接口和HDMI解码器，所述HDMI接口和HDMI解码器连接，所述HDMI解码器连接FPGA模块的BANK223输入端。
进一步的，所述HDMI视频输出模块包括用于实现HDMI显示端口驱动的HDMI重构器和HDMI接口，所述HDMI重构器和HDMI接口连接，所述HDMI重构器连接FPGA模块的BANK223输出端。
进一步的，所述DVI视频输出模块包括用于实现DVI显示端口驱动的DVI重构器和DVI接口，所述DVI重构器和DVI接口连接，所述DVI重构器连接FPGA模块的BANK502输出端。
进一步的，所述DP视频输出模块包括用于实现DP显示端口驱动的DP重构器和DP接口，所述DP重构器和DP接口连接，所述DP重构器连接FPGA模块的BANK505输出端。
进一步的，所述的超高速SDI视频输出模块包括用于实现12G-SDI视频线缆驱动的超高速SDI驱动器和12G-SDI接口，所述超高速SDI驱动器和12G-SDI接口连接，所述超高速SDI驱动器连接FPGA模块的BANK 225输出端。
进一步的，所述高速DDR存储芯片组模块1包括两个DDR芯片，两个所述DDR芯片分别连接FPGA模块的BANK67端口和BANK68端口；所述高速DDR存储芯片组模块2包括四个DDR芯片，四个所述DDR芯片通过地址共线连接FPGA模块的BANK 64端口、BANK65端口和BANK66端口。
进一步的，所述的USB端口升级模块包括USB转UART、USB HUB集线器和USB TypeB接口，所述USB转UART、USB HUB集线器和USB TypeB接口依次连接，所述USB转UART连接FPGA模块，所述USB HUB集线器连接MCU系统控制模块，所述的USB端口升级模块通过USB端口完成对系统的维护升级和功能调试控制。
进一步的，所述FPGA模块的型号为XCZU7，所述超高清图像传感器模块的型号为IXM422 CMOS Sensor，所述HDMI视频输入模块的型号为SiI939，所述HDMI视频输出模块的型号为SiI9630，所述DVI视频输出模块的型号为TFP510，所述DP视频输出模块的型号为PS8461，所述超高速SDI视频输出模块的型号为LMH0394，所述高速DDR存储芯片组模块1和高速DDR存储芯片组模块2的芯片型号为NT5CC64M16GP DDR3，所述MCU系统控制模块的型号为STM32F103最小系统，所述外部通讯模块的型号为SP3232E，所述USB端口升级模块的型号为CH341。
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
本发明的一种医用超高清4K影像系统能采集前端的视频输入，通过FPGA模块对原始视频进行降噪、坏点消除预处理、色彩还原和图像边缘增强等处理，提高视频清晰度，同时可通过高速DDR存储芯片组模块对视频局部画面进行画面缩放和指定画面的冻结存储，并能以多种格式输出显示，兼容性强。本系统以逼真的色彩还原、超高清的显示效果和无延迟的传输速率克服了现有的医用内窥镜系统影像分辨率不够高，仍存在的对一些复杂的脏器纹理，肌理组织结构的细节缺陷展示不够充分，有利于快速诊断，节省手术时间，极大地提升了医护人员的病理诊断效率。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为4K影像分辨率与早期各分辨率的直观比较图。
图2为本发明的一种医用超高清4K影像系统的系统框图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种医用超高清4K影像系统，其系统框图如图2所示，包括系统供电POWER模块、HDMI视频输入模块、超高清图像传感器模块、HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块、DP视频输出模块、超高速SDI视频输出模块、FPGA模块、高速DDR存储芯片组模块1、高速DDR存储芯片组模块2、MCU系统控制模块、按键指示灯接口模块、脚踏开关传感模块、外部通讯模块和USB端口升级模块，所述FPGA模块用于将输入FPGA模块的视频流进行优化获取高清的数字视频流，并将高清的数字视频流进行存储和输出，FPGA模块的型号为XCZU7，FPGA模块内部包括数个BANK单元。
本发明的FPGA模块分别与HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块和DP视频输出模块连接来将FPGA模块处理完成的视频分别流转成标准的HDMI2.0格式、DVI-D格式和DP1.4格式输出。其中，HDMI视频输出模块包括用于实现HDMI显示端口驱动的HDMI重构器和HDMI接口，所述HDMI重构器和HDMI接口连接，所述HDMI重构器连接FPGA模块的BANK223输出端；DVI视频输出模块包括用于实现DVI显示端口驱动的DVI重构器和DVI接口，所述DVI重构器和DVI接口连接，所述DVI重构器连接FPGA模块的BANK502输出端；DP视频输出模块包括用于实现DP显示端口驱动的DP重构器和DP接口，所述DP重构器和DP接口连接，所述DP重构器连接FPGA模块的BANK505输出端。HDMI视频输出模块的型号为SiI9630，DVI视频输出模块的型号为TFP510，DP视频输出模块的型号为PS8461。
本发明的FPGA模块与超高速SDI视频输出模块连接将FPGA输出的SDI视频流进行自适应均衡处理，并通过驱动电缆输出；其中，超高速SDI视频输出模块包括用于实现12G-SDI视频线缆驱动的超高速SDI驱动器和12G-SDI接口，所述超高速SDI驱动器和12G-SDI接口连接，超高速SDI驱动器连接FPGA模块的BANK 225输出端，超高速SDI视频输出模块的型号为LMH0394。
本发明的FPGA模块与HDMI视频输入模块连接来将HDMI2.0格式的视频图像输入采集，传送至FPGA模块进行图像处理，所述HDMI视频输入模块的型号为SiI939，其中，HDMI视频输入模块包括HDMI接口和HDMI解码器，所述HDMI接口和HDMI解码器连接，所述HDMI解码器连接FPGA模块的BANK223输入端。
本发明的超高清图像传感器模块连接在FPGA模块的BANK224端，所述超高清图像传感器模块的型号为IXM422 CMOS Sensor，超高清图像传感器模块通过光电转换实现视频采集，将获取的超高清的原始数字视频图像经由ISP处理后，传送至FPGA模块进行处理。本发明的高速DDR存储芯片组模块1和高速DDR存储芯片组模块2均连接FPGA模块来实现图像数据的缓存和运算支撑，其中，高速DDR存储芯片组模块1包括两个DDR芯片，两个DDR芯片分别连接FPGA模块的BANK67端口和BANK68端口；高速DDR存储芯片组模块2包括四个DDR芯片，四个DDR芯片通过地址共线连接FPGA模块的BANK 64端口、BANK65端口和BANK66端口，高速DDR存储芯片组模块1和高速DDR存储芯片组模块2的芯片型号为NT5CC64M16GP DDR3。
本发明的MCU系统控制模块和USB端口升级模块分别连接FPGA模块来初始化各个功能模块，实现人机交互功能和实现主机的维护和升级；其中，USB端口升级模块包括USB转UART、USB HUB集线器和USB TypeB接口，所述USB转UART、USB HUB集线器和USB TypeB接口依次连接，所述USB转UART连接FPGA模块，所述USB HUB集线器连接MCU系统控制模块，所述的USB端口升级模块通过USB端口完成对系统的维护升级和功能调试控制，USB端口升级模块的型号为CH341。
本发明的按键指示灯接口模块、脚踏开关传感模块、外部通讯模块和USB端口升级模块均与MCU系统控制模块连接来实现人机交互，MCU系统控制模块的型号为STM32F103最小系统，外部通讯模块的型号为SP3232E。
本发明的一种医用超高清4K影像系统的系统原理为：本系统通过超高清图像传感器模块和HDMI视频输入模块采集原始视频，并将原始视频传入FPGA模块，FPGA模块对高速采集输入的视频流进行降噪、坏点消除预处理、色彩还原和图像边缘增强等处理，提高视频清晰度得到4K分辨率高清视频，FPGA模块将处理后的高清视频通过高速DDR存储芯片组模块对视频局部画面进行画面缩放和指定画面的冻结存储，同时将经过FPGA模块处理的高清视频分别通过HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块、DP视频输出模块和超高速SDI视频输出模块进行视频输出，同时通过MCU系统控制模块和进行人机交互，人机交互通过外部通讯模块、按键指示灯接口模块和脚踏开关传感模块实现。另外通过USB端口升级模块对本发明的系统进行维护和升级。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (9)

1.一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：包括系统供电POWER模块、HDMI视频输入模块、超高清图像传感器模块、HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块、DP视频输出模块、超高速SDI视频输出模块、FPGA模块、高速DDR存储芯片组模块1、高速DDR存储芯片组模块2、MCU系统控制模块、按键指示灯接口模块、脚踏开关传感模块、外部通讯模块和USB端口升级模块，所述FPGA模块用于将输入FPGA模块的超高清视频流进行解码，优化运算处理和编码，获取超高清的数字视频流，并将超高清的数字视频流进行存储和输出显示，所述FPGA模块内部包括数个BANK单元，分别连接至上述相应的单元模块，所述系统供电POWER模块与FPGA模块连接为FPGA模块和各单元模块供电；
所述FPGA模块对高速采集输入的视频流进行降噪、坏点消除预处理、色彩还原和图像边缘增强处理，提高视频清晰度得到4K分辨率高清视频；
所述FPGA模块分别与HDMI视频输出模块、DVI视频输出模块和DP视频输出模块连接来将FPGA模块处理完成的视频分别流转成标准的HDMI2.0格式、DVI-D格式和DP1.4格式输出；
所述FPGA模块与超高速SDI视频输出模块连接将FPGA输出的SDI视频流进行自适应均衡处理，并通过驱动电缆输出；
所述FPGA模块与HDMI视频输入模块连接来将HDMI2.0格式的视频图像输入采集，传送至FPGA模块进行图像处理；
所述超高清图像传感器模块连接在FPGA模块的BANK224端，超高清图像传感器模块通过光电转换实现视频采集，将获取的超高清的原始数字视频图像经由ISP处理后，传送至FPGA模块进行处理，所述高速DDR存储芯片组模块1和高速DDR存储芯片组模块2均连接FPGA模块来实现图像数据的缓存和运算支撑，所述MCU系统控制模块和USB端口升级模块分别连接FPGA模块来初始化各个功能模块，实现人机交互功能和实现主机的维护和升级；
所述的USB端口升级模块通过USB端口完成对系统的维护升级和功能调试控制；
所述医用超高清4K影像系统可通过高速DDR存储芯片组模块对视频局部画面进行画面缩放和指定画面的冻结存储；
所述按键指示灯接口模块、脚踏开关传感模块、外部通讯模块和USB端口升级模块均与MCU系统控制模块连接来实现人机交互。
2.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述HDMI视频输入模块包括HDMI接口和HDMI解码器，所述HDMI接口和HDMI解码器连接，所述HDMI解码器连接FPGA模块的BANK223输入端。
3.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述HDMI视频输出模块包括用于实现HDMI显示端口驱动的HDMI重构器和HDMI接口，所述HDMI重构器和HDMI接口连接，所述HDMI重构器连接FPGA模块的BANK223输出端。
4.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述DVI视频输出模块包括用于实现DVI显示端口驱动的DVI重构器和DVI接口，所述DVI重构器和DVI接口连接，所述DVI重构器连接FPGA模块的BANK502输出端。
5.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述DP视频输出模块包括用于实现DP显示端口驱动的DP重构器和DP接口，所述DP重构器和DP接口连接，所述DP重构器连接FPGA模块的BANK505输出端。
6.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述的超高速SDI视频输出模块包括用于实现12G-SDI视频线缆驱动的超高速SDI驱动器和12G-SDI接口，所述超高速SDI驱动器和12G-SDI接口连接，所述超高速SDI驱动器连接FPGA模块的BANK 225输出端。
7.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述高速DDR存储芯片组模块1包括两个DDR芯片，两个所述DDR芯片分别连接FPGA模块的BANK67端口和BANK68端口；所述高速DDR存储芯片组模块2包括四个DDR芯片，四个所述DDR芯片通过地址共线连接FPGA模块的BANK64端口、BANK65端口和BANK66端口。
8.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述的USB端口升级模块包括USB转UART、USB HUB集线器和USB TypeB接口，所述USB转UART、USB HUB集线器和USB TypeB接口依次连接，所述USB转UART连接FPGA模块，所述USB HUB集线器连接MCU系统控制模块。
9.根据权利要求1所述的一种医用超高清4K影像系统，其特征在于：所述FPGA模块的型号为XCZU7，所述超高清图像传感器模块的型号为IXM422 CMOS Sensor，所述HDMI视频输入模块的型号为SiI939，所述HDMI视频输出模块的型号为SiI9630，所述DVI视频输出模块的型号为TFP510，所述DP视频输出模块的型号为PS8461，所述超高速SDI视频输出模块的型号为LMH0394，所述高速DDR存储芯片组模块1和高速DDR存储芯片组模块2的芯片型号为NT5CC64M16GP DDR3，所述MCU系统控制模块的型号为STM32F103最小系统，所述外部通讯模块的型号为SP3232E，所述USB端口升级模块的型号为CH341。
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