CN201453295U - 一种数字扫描变换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字扫描变换装置，一种数字扫描变换装置，包括线数据缓存器、帧图像存储器、扫描变换输入控制器、扫描变换输出控制器、坐标变换器，所述线数据缓存器与所述帧图像存储器相连，所述坐标变换器分别与所述扫描变换输出控制器和所述帧图像存储器相连，所述扫描变换输入控制器与所述帧图像存储器相连，还包括选择器和至少两个插值子模块，所述选择器的输入端分别与所述坐标变换器和所述帧图像存储器相连，所述选择器的输出端分别与每个插值子模块相连，由选择器控制信号控制所述选择器将所述坐标变换器的输出数据和所述帧图像存储器的输出数据送往其中一个插值子模块。

Description

一种数字扫描变换装置

技术领域

本实用新型涉及超声图像处理技术领域，具体涉及一种数字扫描变换装置。

背景技术

医学超声成像技术由于具有完全、适应面广、直观、可重复、对软组织鉴别力强、灵活及价廉等优点，所以在现代诊断技术中占有极为重要的地位。超声成像设备是一种使用范围广泛的医学成像设备，其技术已经非常成熟。

如图1所示，超声成像设备发出发射激励经高压开关激励探头发射声波，声波经人体组织反射回探头，经接收放大，波束合成，解调，信号处理后进行DSC(数字扫描变换)，接着送到显示器进行显示。

DSC为超声成像设备的很重要的组成部分，如图2所示，变换流程包括输入流程和输出流程两部分。输入控制器接到线数据头之后，立即中断扫描变换的输出流程并启动输入流程。在输入流程中，输入控制器根据线号线型显示模式产生输入线数据向四分帧存的写地址、写使能，并关闭四分帧存的输出使能。一线数据写入完成后，输入控制器撤消中断请求、激活四分帧存的输出使能、切换读写地址。输出流程是周而复始的，每周输出一帧512×512象素的图像。扫描变换输出控制器顺序地给出显示象素的直角坐标，经过坐标变换单元得到四分帧存的读地址以及插值系数，然后读出四个数据经过二次线性插值得出一个显示数据输出。

常用在DSC装置中的插值方法有：最临近插值、双线性插值、双立方插值等几种，他们各自都有自己的优缺点和适用范围。其中最邻近插值方法插值速度快，图像插值后马赛克现象严重，适用于线条较简单的图像；双线性插值方法插值速度较慢，图像插值后边界模糊，有锯齿现象，是目前DSC中最常用的插值方法；双立方插值方法插值速度慢，图像插值后边界有少许模糊，锯齿现象有改善，适用于图像处理软件。现有技术在DSC插值装置中固定使用一种插值方法，不能根据图像特点调整选择不同的插值方法。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种数字扫描变换装置，克服现有技术的DSC插值装置不能根据图像特点调整选择不同插值方法的缺陷。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种数字扫描变换装置，包括线数据缓存器、帧图像存储器、扫描变换输入控制器、扫描变换输出控制器、坐标变换器，所述线数据缓存器与所述帧图像存储器相连，所述坐标变换器分别与所述扫描变换输出控制器和所述帧图像存储器相连，所述扫描变换输入控制器与所述帧图像存储器相连，还包括选择器和至少两个插值子模块，所述选择器的输入端分别与所述坐标变换器和所述帧图像存储器相连，所述选择器的输出端分别与每个插值子模块相连，由选择器控制信号控制所述选择器将所述坐标变换器的输出数据和所述帧图像存储器的输出数据送往其中一个插值子模块。

所述的数字扫描变换装置，其中所述插值子模块包括双线性插值子模块。

所述的数字扫描变换装置，其中所述插值子模块包括最邻近插值子模块。

所述的数字扫描变换装置，其中所述插值子模块包括拓展线性插值子模块。

所述的数字扫描变换装置，其中所述选择器设为三选一选择器。

所述的数字扫描变换装置，其中所述拓展线性插值子模块内存储插值平滑系数，由输入到所述拓展线性插值子模块的选择信号选择不同的插值平滑系数。

所述的数字扫描变换装置，其中所述选择器和所述插值子模块由现场可编程逻辑门阵列FPGA实现。

本实用新型的有益效果：本实用新型数字扫描变换装置对插值模块进行了改进，可以根据图像的特点来选择不同的数字扫描变换插值方法，优化了数字扫描变换的效果。

附图说明

本实用新型包括如下附图：

图1为现有技术B超系统示意图；

图2为现有技术数字扫描变换装置示意图；

图3为本实用新型数字扫描变换装置示意图；

图4为本实用新型插值子模块实施例示意图；

图5为本实用新型采样数据存储模式示意图；

图6为本实用新型扫描参数示意图；

图7为本实用新型四点插值示意图；

图8为本实用新型八点插值示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明：

如图3所示，本实用新型数字扫描变换装置，包括线数据缓存器、帧图像存储器、扫描变换输入控制器、扫描变换输出控制器、坐标变换器，所述线数据缓存器与所述帧图像存储器相连，所述坐标变换器分别与所述扫描变换输出控制器和所述帧图像存储器相连，所述扫描变换输入控制器与所述帧图像存储器相连，还包括选择器和至少两个插值子模块，所述选择器的输入端分别与所述坐标变换器和所述帧图像存储器相连，所述选择器的输出端分别与每个插值子模块相连，由选择器控制信号控制所述选择器将所述坐标变换器的输出数据和所述帧图像存储器的输出数据送往其中一个插值子模块。

如图4所示，在本实用新型的一个具体实施例中，插值子模块分别是双线性插值子模块、最邻近插值子模块和拓展线性插值子模块，选择器是三选一选择器，拓展线性插值子模块内存储插值平滑系数，由输入到所述拓展线性插值子模块的选择信号选择不同的插值平滑系数。

如图5所示，DSC中采样数据的存储模式共有Sr行，Sc列。每一行上的采样数据均对应相同的扫描深度，从第一行到第Sr行，对应的扫描深度依次等间隔从零增加到设定的探头最大扫描深度。每一列上的采样数据均对应相同的扫查角度，从第一列到第Sc列，对应的扫查角度从-θ₀增加到θ₀.一般来说，Sr为512，而Sc在整节距扫描的时候大小为80(80阵元)到128(128阵元)；在半节距扫描的时候为160(80阵元)到256(128阵元).一般而言，图像区的大小为512*512，所以DSC需要对原始采样数据进行插值，才能得到用来显示的数据.

图6和表1中显示了DSC计算中需要的各相关参数。

表1 DSC相关参数

参数名称	参数的定义	符号	备注
				凸阵探头的扫查角度	凸阵探头扫查时，所成扇形的角度	2θ0	单位为弧度
凸阵探头的曲率半径	曲率半径为凸阵探头的物理扇形半径	r0	单位为物理单位毫米(mm)
				凸阵探头当前的扫描深度	与采样数据对应的凸阵探头的扫描深度	D0	单位为物理单位毫米(mm)
凸阵探头能够设定的最小扫描深度	凸阵探头能够使用的扫描深度中的最小值	D0	单位为物理单位毫米(mm)
				采样数据的行数		Sr	无量纲的参数
采样数据的列数		Sc	无量纲的参数
				显示在屏幕上的图像区宽度	进行DSC之后显示在屏幕上的图像区宽度	W0	以像素为单位
显示在屏幕上的图像区高度	进行DSC之后显示在屏幕上的图像区高度	H0	同W0
				垂距	探头圆心到坐标系x-y坐标轴x的垂直距离	d	单位为物理单位毫米(mm)

垂距的计算公式：

d＝r₀×cosθ₀    (1)

坐标平移公式：

$\left\{\begin{array}{c}u=x+u_0\\ v=y+v_0\end{array}\right.---\left(2\right)$

而

$\left\{\begin{array}{c}{u}_0=-W_0/2\\ v_0=\frac{d}{r_0+D_0-d}\×H_0\end{array}\right.---\left(3\right)$

由式(2)和式(3)可得

$\left\{\begin{array}{c}u=x-W_0/2\\ v=y+\frac{d}{r_0+D_0-d}\×H_0\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)便是最终用于DSC的坐标平移公式。

参照图6，在各个参数都确定的情况下，设从x-y坐标系下的坐标(x，y)经过坐标平移之后对应的在u-v坐标系下的坐标为(u，v)，而坐标(u，v)经过坐标变换后对应在R-θ坐标系下的坐标为(R，θ)，可得坐标(u，v)到坐标R-θ的变换公式如式(5)所示：

$\left\{\begin{array}{c}R=\sqrt{v^2+u^2}\\ \mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{u}{v}\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

极径量化因子为q_r，极角量化因子为q_θ，则量化后的极坐标为(R_q，θ_q)：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_q=R\×q_r\\ {\mathrm{\θ}}_q=\mathrm{\θ}\×q_{\mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

如图7所示，为了让量化后的极坐标和采样数据的编号能够统一，需要给极径和极角去偏，量化去偏后的极坐标为(R_qf，θ_qf)。其中极径和极角都可以由整数部分及小数部分组成。设R_qf的整数部分为i，小数部分为α，设θ_qf的整数部分为j，小数部分为β。最邻近插值和双线性插值法都是基于被插值点周围的四个点P_i，j，P_i，j+1，P_i+1，j，P_i+1，j+1来进行插值的。

最邻近插值法中P的值为P_i，j,P_i，j+1，P_i+1，j，P_i+1，j+1四点中与P点距离最近的点的值。

双线性插值的计算公式为：

P＝(1-α)×(1-β)×P_i，j+(1-α)×β×P_i，j+1+α×(1-β)×P_i+1，j+α×β×P_i+1，j+1    (9)

双线性插值的计算量适中，且效果也不错，只是会造成图像的模糊，且在某些情况下会出现锯齿.一般来说，Sr为512，而Sc最小为80；而图像区的大小为512*512.所以在图像的纵向，不需要再优化插值方法，而在图像的横向，因为声线数的不足，需要优化插值方法，在本实用新型中，使用了一种基于8点的拓展线性插值法，这是一种改良后的线性插值方法.根据超声声线数较少的特点，在横向采用了四点插值，而在纵向采用了两点插值，如图8所示.

在计算过程中，先根据纵向的两个点通过线性插值得到一个点，八个点可以得到四个点，分别是P_j-1，P_j，P_j+1，P_j+2，其计算公式如式(10)所示。再通过横向四个点的插值得到P点的值，其计算公式如式(11)所示。

P_j-1＝(1-α)×P_i，j-1+α×P_i+1，j-1

P_j＝(1-α)×P_i，j+α×P_i+1，j                (10)

P_j+1＝(1-α)×P_i，j+1+α×P_i+1，j+1

P_j+2＝(1-α)×P_i，j+2+α×P_i+1，j+2

P＝k_j-1×P_j-1+k_j×P_j+k_j+1×P_j+1+k_j+2×P_j+2   (11)

横向四点插值系数的计算公式为：

其中d为各点距P点的横向距离，而η是插值平滑系数，η介于0-1之间，η越大插值越锐利，η越小插值越平滑。P_j-1到P点的横向距离是1+β，P_j到P点的横向距离是β，P_j+1到P点的横向距离是1-β，P_j+2到P点的横向距离是2-β。

拓展线性插值子模块以如下方式来进行拓展线性插值：

1)根据插值平滑系数η，及公式(12)，计算得出两个插值系数查找表；

2)因为P_j，P_j+1距P点的距离在0和1之间，而P_j-1，P_j+2距P点的距离在1和2之间，两两之间使用的计算公式相同；

3)根据显示坐标x，y求得i，j，α，β；

4)从数据存储器中读取所需要的8个点；

5)有8个点及α求得P_j-1，P_j，P_j+1，P_j+2；

6)根据β，由查找表得到插值系数k_j-1，k_j，k_j+1，k_j+2；

7)由P_j-1，P_j，P_j+1，P_j+2及k_j-1，k_j，k_j+1，k_j+2求得P点。

本实用新型数字扫描变换装置的实施例可由现场可编程逻辑门阵列FPGA实现：数据读地址及α，β由显示坐标求出。插值方法可由用户选择，控制信号DSCSEL负责插值方法的三选一，其中“00”代表双线性插值，“01”代表最邻近插值，“10”代表拓展线性插值。插值平滑系数η的默认值为0.2；用户可以选择0.1-0.5共五档，在硬件中由控制信号SMSEL选择η的值。每种插值方法都由不同的插值子模块实现，在选定一插值方法后，数据及α，β被输入到该插值子模块中，经过相应的插值计算后得到显示数据，最终输出到显示模块。

本领域技术人员不脱离本实用新型的实质和精神，可以有多种变形方案实现本实用新型，以上所述仅为本实用新型较佳可行的实施例而已，并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本实用新型的权利范围之内。

Claims (7)

1.一种数字扫描变换装置，包括线数据缓存器、帧图像存储器、扫描变换输入控制器、扫描变换输出控制器、坐标变换器，所述线数据缓存器与所述帧图像存储器相连，所述坐标变换器分别与所述扫描变换输出控制器和所述帧图像存储器相连，所述扫描变换输入控制器与所述帧图像存储器相连，其特征在于：还包括选择器和至少两个插值子模块，所述选择器的输入端分别与所述坐标变换器和所述帧图像存储器相连，所述选择器的输出端分别与每个插值子模块相连，由选择器控制信号控制所述选择器将所述坐标变换器的输出数据和所述帧图像存储器的输出数据送往其中一个插值子模块。

2.根据权利要求1所述的数字扫描变换装置，其特征在于：所述插值子模块包括双线性插值子模块。

3.根据权利要求2所述的数字扫描变换装置，其特征在于：所述插值子模块包括最邻近插值子模块。

4.根据权利要求3所述的数字扫描变换装置，其特征在于：所述插值子模块包括拓展线性插值子模块。

5.根据权利要求4所述的数字扫描变换装置，其特征在于：所述选择器设为三选一选择器。

6.根据权利要求5所述的数字扫描变换装置，其特征在于：所述拓展线性插值子模块内存储插值平滑系数，由输入到所述拓展线性插值子模块的选择信号选择不同的插值平滑系数。

7.根据权利要求6所述的数字扫描变换装置，其特征在于：所述选择器和所述插值子模块由现场可编程逻辑门阵列FPGA实现。

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