基于JPEG壓縮圖像的數字圖像膠囊系統研究

楊扎史，劉 華

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

現代人生活節奏的加快以及飲食結構的變化，導致了消化道疾病經成為影響現代人類健康的一大疾病。因為成人消化道的大腸和小腸屬于細長管道，而且結構不規則和封閉，導致傳統的診斷方法存在檢查盲區，且傳統檢查和手術亦給患者帶來極大的生理痛苦。因此基于無痛和全面的新型診斷消化道疾病的手段：無線圖像膠囊，成為了各大機構以及公司的研究熱點。

自2001年以色列Given Imaging公司發布了世界上第一個圖像膠囊“M2A”[1]，到目前為止，多個研究機構和企業推出了眾多以圖像膠囊為基礎，具備多種擴展功能的膠囊。Liao Zhuan等人[2]通過統計分析PubMed數據庫（2000-2008）發表的對于小腸疾病診斷的文章，發現膠囊內窺鏡鏡檢查成為小腸疾病診斷的標準方法，S.D.Ladas等人和ESGE Clinical Guidelines Committee推薦圖像膠囊診斷小腸疾病、食管癌和結腸疾病[3]，圖像膠囊越來越廣泛應用于消化道疾病的診斷。上海交通大學劉華[4-5]等人提出了“基于視頻圖像導航的體外磁驅動熱療膠囊系統”，該系統借助于體外磁控制技術，使體外醫生可以操作控制消化道內圖像膠囊的姿態和位置，同時在膠囊上集成熱療工具，當醫生利用消化道圖像診斷消化道存在疾病病灶，醫生借助于體外磁控制技術操作控制消化道內膠囊的姿態和位置，使膠囊貼緊病灶表面，對病灶進行熱療治療。

1 圖像膠囊數據采集模塊設計

一個典型的圖像膠囊系統如圖1所示，主要由人體內的圖像膠囊、無線供能系統、人體外磁控制系統等多個模塊組成。

首先由實驗者吞服圖像膠囊，之后利用圖像膠囊的圖像采集和發送功能采集并發送腸道圖像數據。視頻圖像導航系統接收體內圖像膠囊發送的數據可以實時由磁控制系統控制腸道內膠囊姿態以及位置，部分膠囊系統引入無線供能對膠囊進行供能。

圖1 圖像膠囊系統簡介Fig.1 Introduction to JPEG image capsule

文中研究了該系統的圖像采集與傳送系統方案，設計該模塊主要考慮的因素：首先由于膠囊需要吞服，因此需要嚴格限制膠囊的尺寸。其次由于對膠囊尺寸的限制導致膠囊內部電池容量有限，從而需要盡量降低膠囊功耗[6]。最后，因為膠囊需要無線發送腸道圖像數據，由于無線帶寬限制，需要壓縮腸道數據。

1.1 圖像膠囊數據采集硬件設計

圖像膠囊組成如圖2所示。

圖2 圖像膠囊組成Fig.2 Components of JPEG image capsule

該數字圖像膠囊系統中CMOS傳感器是Omnivision公司的OV7740芯片。該芯片具有多種尺寸和多種格式的圖像數據輸出，封裝尺寸為4.2 mm×4.3 mm，功耗較低，適用于圖像膠囊尺寸和功耗要求。圖像壓縮芯片選用的是Conexant公司的CX93510，該芯片顯著特點是可對通用CMOS圖像傳感器的輸出進行JPEG格式壓縮，同時具備低功耗和尺寸小特點，全功率下12 mA運行；封裝為6 mm×6 mm；數據壓縮率明顯：硬件實現圖像數據壓縮，另外還有MJPEG和ADPCM技術可顯著減小數據量；接口豐富：具有 SPI、IIC、UART、CMOS接口，可以和豐富的外設連接實現圖像壓縮功能；在弱光環境下還具備LED驅動接口，可用于提供CMOS傳感器在弱光環境下的LED照明。

電源管理模塊選用的是ADP223，兩路電源輸出可以滿足模塊不同的工作要求。

微控制器采用的MSP430公司的單片機MSP430F2370。該芯片的主要特點是：在1 MHz主頻下工作的時候電流僅需270 μA；具有32KB+256B的 Flash和 2KB的 RAM；內置可達16 MHz的時鐘，這在進行膠囊PCB設計的時候可顯著減小PCB尺寸；UART接口和兩路獨立SPI接口：UART接口可用于前期在PC端對數據采集模塊的數據進行驗證，兩路獨立的SPI可用于整合數據采集模塊與發送模塊。

CX93510實現通用圖像傳感器該圖像采集與傳送的工作原理圖如圖3所示。

圖3 圖像膠囊數據采集模塊原理概圖Fig.3 The block diagram of image acquisition

該數據采集模塊的工作流程為：當激活該模塊時，電池以及電源管理模塊提供模塊的工作電壓，MCU通過MCU自身兩路SPI通道和CX93510的IIC通道分別配置圖像壓縮芯片CX93510無線發送芯片ZL70102和CMOS傳感器。在配置完成后，CMOS傳感器將采集到的消化道腸道數據通過DATA連接傳輸至圖像壓縮芯片進行壓縮，圖像壓縮芯片再通過SPI將壓縮后的圖像數據傳輸至MCU，MSP430在得到壓縮圖像數據后將該數據通過無線發送芯片ZL70102傳輸至接收端，再通過PC對數據進行圖像恢復從而得到圖像。

1.2 圖像膠囊數據采集軟件設計

本文設計的圖像膠囊數據采集模塊主要配置MSP430、圖像壓縮芯片CX93510以及圖像傳感器OV7740。數據采集模塊的配置首先是MCU自身配置，MSP430F2370作為MCU在進行初始化后喚醒CX93510，并驗證與CX93510連接的SPI接口，結合CX93510數據手冊和CX93510配置流程對CX93510進行配置。之后利用CX93510上的I2C/SCCB接口結合OV7740數據手冊對OV7740進行配置，圖4是數字圖像膠囊的軟件流程圖。

2 實驗結果

在硬件平臺與軟件平臺搭建完成后進行對圖像數據采集功能的實驗以及驗證：

2.1 SPI及SCCB試驗

1）為了驗證MCU和圖像壓縮芯片的SPI通訊功能。實驗選取圖像壓縮芯片CX93510中的寄存器H_CAP_WIDTH，該寄存器地址為0xA5，其中存儲的值乘以8即為CMOS端獲取圖像每行捕獲的像素點。

2）在代碼中將CMOS傳感器OV7740和圖像壓縮芯片CX93510中的圖像尺寸配置為640*480。

3）利用示波器抓取SPI通道得到下圖(a)，其中第二個波形MOSI為寄存器地址0×A5，第三個波形MISO即為寄存器值 0×50。

4）為了驗證CX93510與CMOS傳感器的之間的SCCB通訊功能。選取OV7740中存儲OV7740高位ID的寄存器PIDH，地址為0×0A，該只讀寄存器內存儲值為0×77。

圖4 數據采集模塊配置流程圖Fig.4 Configuration of data acquisition module flow chart

5）讀取OV7740中寄存器PIDH值如下圖（b），第一個波形SCL為27 MHz時鐘。結合SCCB協議，第二個波形SDA前半部分為寫入預讀寄存器的地址0x0A，后半部分為該寄存器內存儲值0x77。

2.2 數字圖像膠囊原型樣機

在進行PCB設計時，為了從布局上減小膠囊尺寸，將數據采集模塊電路分成兩塊PCB，中間用FPC進行連接?；谶@種設計，本文將CMOS傳感器以及圖像壓縮芯片放置于第一塊PCB板的兩面，單片機與電源管理模塊放置于另一塊PCB的兩面。方便后期將無線數據發送部分添加至電源管理模塊一側的PCB上，從而完成對消化道腸道圖像的采集以及發送功能的整合。另外，本文將不涉及無線供能和磁控制功能模塊。得到整個圖像采集部分的電路實物如圖6。

2.3 圖像恢復

完成整個系統的設計和配置后，MSP430內部緩沖得到前端圖像傳感器的數據，再經過無線發送芯片ZL70102發送數據至外部接收端。外部數據接收端在得到數據后將數據傳輸至PC后，PC端恢復出圖像如圖7所示。

其中圖（a）中內容比較復雜，包括了仙人球盆景、電腦顯示屏以及黃色便簽，該圖實際大小為7.29 kB。圖（b）內容比較單一，包括天花板以及辦公桌部分輪廓，大小為4.44 kB。可以得到數據采集端數字圖像的壓縮率：

現有圖像膠囊的圖像壓縮比一般有16，20[7]，25[8]，可以看到本文設計的圖像膠囊圖像采集模塊的壓縮比大大優于現有的圖像膠囊的圖像壓縮比。

從恢復得到的圖像成像質量來看，色彩以及內容辨識度都達到了用于診斷消化道腸道疾病的標準。而整個數據采集模塊的功耗為118 mW，后期無線供能能夠提供圖像采集與傳送系統的電能需求。

3 結 論

圖5 SPI時序圖及SCCB時序圖Fig.5 SPI timing diagram and SCCB timing diagram

圖6 圖像采集模塊實物圖Fig.6 Image acquisition module entity

圖7 PC圖像恢復Fig.7 Image recovery on PC

表1 圖像壓縮比Tab.1 Image compression ratio

文中介紹圖像膠囊系統的基本工作原理以及一種基于JPEG圖像格式的數字式微型腸道圖像采集模塊。作為圖像膠囊的初始原型，功耗低，系統集成度高；采用了獨立的JPEG硬件壓縮引擎，壓縮率可調，可顯著減少數據量。本文研究的數字圖像膠囊突出特點是選用低功耗圖像壓縮芯片，該圖像壓縮芯片可與通用CMOS圖像傳感器匹配，消除數字圖像膠囊對專用CMOS圖像傳感器的需求，為研究消化道診斷與治療膠囊系統的圖像采集與傳送提供了解決方案。

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[4]劉華，顏國正，姜萍萍，等.基于數字圖像導航的體外磁控制熱療膠囊系統：ZL 2011 1 0051701.4[P].2012.

[5]劉華，顏國正，王志武.基于無線供能的體外磁控制熱療膠囊系統：ZL 2011 1 0051748.0[P].2012.

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