程 磊，劉 波，徐建省，吳懷宇，陳 洋

（1.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430081;2.中國科學(xué)院 電工研究所，北京 100190）

0 引言

目前，隨著人類對醫(yī)療設(shè)備舒適度的逐漸提升，傳統(tǒng)的直插式消化道檢測系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人類的需求，同時(shí)為了提高消化道疾病的檢查效率，出現(xiàn)了能夠進(jìn)入人體消化道的膠囊內(nèi)窺鏡檢測系統(tǒng)［1～4］，通過膠囊內(nèi)窺鏡消化道的檢查，不僅可以減輕患者的痛苦，而且可以對整個(gè)消化道進(jìn)行更全面的檢查。膠囊內(nèi)窺鏡在體內(nèi)檢測的關(guān)鍵技術(shù)在于圖像數(shù)據(jù)的采集與傳輸［5，6］，同時(shí)對體積大小和功耗的要求較高。

為了滿足體內(nèi)無線圖像的傳輸，本文設(shè)計(jì)了用內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8位單片機(jī)、具有2.4 GHz頻率收發(fā)功能的nRF24LE1低功耗芯片控制CMOS圖像傳感器OV2640獲取圖像的方案，其中圖像傳感器OV2640能夠?qū)崿F(xiàn)JPEG壓縮算法，可以在不影響圖像視覺效果的前提下減小圖像數(shù)據(jù)量，為無線圖像的傳輸和處理提高了方便，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、通信可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)體內(nèi)無線圖像采集與傳輸?shù)男枨蟆?/p>

1 膠囊內(nèi)窺鏡JPEG圖像壓縮算法

通過JPEG壓縮處理后的圖像，降低了圖像的數(shù)據(jù)量，一幀圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間和功耗明顯降低［7］。傳輸JPEG壓縮格式的圖像時(shí)，不僅能夠提高無線膠囊內(nèi)窺鏡的發(fā)送速率，而且提高了其工作時(shí)長。JPEG 壓縮算法簡單的分為以下4個(gè)主要步驟:

1）預(yù)處理:顏色空間的變換（RGB變換至YCbCr），色彩信號(hào)的抽樣。

由于人眼對于色度Cb與Cr分量的敏感程度遠(yuǎn)小于亮度Y分量，因此，可以適當(dāng)?shù)貙b和Cr分量進(jìn)行削弱以達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的，RGB和YCbCr之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（1）所示

2）離散余弦變換

由于相鄰像素直接具有很強(qiáng)的相關(guān)性，而離散余弦變換（DCT）是一種正交變化，可以分離出這種相關(guān)性，方便在壓縮過程中去除一些不需要的細(xì)節(jié)信息［8］，一般每個(gè)分量矩陣（Y，Cb，Cr）被分割成8×8的像素塊大小，經(jīng)過二維DCT以后，可以得到一個(gè)成8×8的系數(shù)矩陣，DCT及其相應(yīng)的逆變換公式如（2）和式（3）所示

式中C（u）=C（v）=1/（u=0或v=0）;C（u）=C（v）=1（其它情況）。x，y為圖像數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)某個(gè)數(shù)值的坐標(biāo)，f（x，y）為像素值，F(xiàn)（u，v）為變換系數(shù)，u，v為系數(shù)下標(biāo)。

3）量化和Zigzag重排

量化是對經(jīng)過DCT后的頻率系數(shù)進(jìn)行量化。量化的目的是減少非“0”系數(shù)的幅度，增加“0”值系數(shù)的數(shù)目，量化是圖像質(zhì)量下降的最主要原因。量化因子Q來控制圖像壓縮的比例，取值范圍可以?。?，100］所有的整數(shù)值，量化過程可以通過下式表示

式中D（x，y）為沒有量化的 DCT系數(shù)（0≤x≤7，0≤y≤7），Q（x，y）為對應(yīng)量化表中的量化步長。round為取整操作，（x，y）表示取整后的值。x，y越大，則Q（x，y）越大，通過取整后的高頻系數(shù)為0，從而達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。

Zigzag重排就是將8×8量化的DCT系數(shù)按照頻率從低到高排列為一維數(shù)組，目的是為了增加連續(xù)的“0”系數(shù)的個(gè)數(shù)，方便隨后進(jìn)行的編碼，如圖1所示。

4）編 碼

編碼包括直流（DC）系數(shù)的編碼、交流（AC）系數(shù)的編碼和熵編碼。

圖1 量化DCT系數(shù)和Zigzag掃描Fig 1 Quantized DCT coefficients and Zigzag scanning

DC系數(shù)有2個(gè)特點(diǎn):一是系數(shù)值比較大，二是相鄰8×8圖像塊的DC系數(shù)值變化?。?］，因此，使用了差分脈沖調(diào)制編碼（DPCM）技術(shù)，如式（5）所示，對相鄰圖像塊之間的系數(shù)差值（Delta）進(jìn)行編碼

AC系數(shù)的特點(diǎn)是1×64矢量中包含有許多連續(xù)的“0”。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以使用簡單的游程長度編碼（RLE）對它們進(jìn)行編碼。

熵編碼可以對處理后的系數(shù)作進(jìn)一步的壓縮。使用霍夫曼編碼器可以使用很簡單的查表（lookup table）方法進(jìn)行編碼，最后把編碼后的圖像數(shù)據(jù)組成一幀一幀的數(shù)據(jù)［9］。經(jīng)過4個(gè)主要步驟后，可以得到JPEG圖像，通過控制合適的壓縮比，可以獲得小數(shù)據(jù)量的圖像，更加有利于無線膠囊內(nèi)窺鏡的圖像傳輸。

2 膠囊內(nèi)窺鏡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要芯片的選擇

對于圖像傳感器，考慮到應(yīng)盡量減少傳輸數(shù)據(jù)量的問題，選用帶JPEG數(shù)據(jù)壓縮功能的OV2640 CMOS圖像傳感器。OV2640可以直接輸出壓縮的JPEG格式圖像［10］，從而可以大大降低所需要傳送圖像文件的大小，如一張CIF（352×288）分辨率的RGB565（或者YUV422）圖片大約是198 kB，而采用16倍壓縮的JPEG文件為約10 kB。

對于無線傳輸，采用Nordic半導(dǎo)體的 nRF24LE1芯片［11］，把性能優(yōu)異的2.4GHz收發(fā)器核（nRF24L01+）和一個(gè)增強(qiáng)型8051混合信號(hào)微控制器集成在一塊芯片上，同時(shí)，在空中傳輸速率可以達(dá)到最高2 Mbit/s，該芯片封裝僅為5 mm×5 mm，發(fā)送電流僅為11.3 mA，并且抗干擾性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的控制與無線發(fā)送接收功能。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)構(gòu)成的原理框圖如圖2、圖3所示。系統(tǒng)主要包括2個(gè)子系統(tǒng):體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡，體外無線數(shù)據(jù)接存儲(chǔ)。前者主要包括:LED照明模塊、攝像頭OV2640模塊、nRF24LE1發(fā)送模塊和電源，患者通過吞服膠囊內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡將采集到的消化道圖像信息傳出體外，由于在體內(nèi)工作，所以，要求其體積較小，功耗低，圖像傳輸速度快;后者主要包括nRF24LE1接收模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和PC工作站。其任務(wù)是接收體內(nèi)傳輸出的圖像數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并經(jīng)過JPEG解碼得到相應(yīng)的圖像。本系統(tǒng)通過C8051F060混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU開發(fā)板與nRF24LE1模塊連接，接收來自體內(nèi)的JPEG數(shù)據(jù)經(jīng)過RS—232上傳到PC，并經(jīng)過JPEG反編碼實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的顯示。通過技術(shù)分析，該系統(tǒng)主要難點(diǎn)在于體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)上，所以，本文主要對體內(nèi)部分做深入研究。

圖2 體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡Fig 2 Capsule endoscope in vivo

圖3 體外無線數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)子系統(tǒng)Fig 3 Subsystem of wireless data receiving and storage in vitro

2.3 體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4給出了體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集與發(fā)送的典型電路，外圍結(jié)構(gòu)由晶振、I/O端口和天線單元三部分組成。由電路圖可知，整個(gè)系統(tǒng)的外圍電路簡單，其中，nRF24LE1的多功能I/O口P0.6，P0.5分別連接攝像頭OV2640的幀同步信號(hào)VSYNC和像素信號(hào)PCLK，P0.1和P0.2模擬SCCB時(shí)序，整個(gè)電路采用16 MHz的晶體振蕩器，P0.3和P1.0～P1.6連接攝像頭的數(shù)據(jù)口，通過PCLK的下降沿信號(hào)采集圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)，P0.7連接攝像頭的PWDN休眠信號(hào)，可控制攝像頭的開關(guān)，P0.0控制LED照明電路的開短。無線圖像接收電路與發(fā)射電路相同，去掉攝像頭圖像采集電路即可。

圖4 體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡硬件連接電路Fig 4 Hardware connection circuit of capsule endoscopy in vivo

2.4 圖像采集過程

從OV2640獲取圖像數(shù)據(jù)，需要用到的信號(hào)線包括:8位數(shù)據(jù)總線 Y2～Y9，幀同步信號(hào) VSYNC，行同步信號(hào)HREF，像素同步信號(hào) PCLK，SCCB總線 SIO_C和 SIO_D。其圖像數(shù)據(jù)輸出的時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 OV2640數(shù)據(jù)時(shí)序Fig 5 Data sequence of OV2640

幀同步信號(hào)VSYNC是低電平有效，HREF是高電平有效，當(dāng)引腳VSYNC為高電平時(shí)表示一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，當(dāng)由高電平變成低電平時(shí)表明是一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。為了得到有效的像素?cái)?shù)據(jù)，一般將HREF和PCLK連接一個(gè)與非門，使得在行信號(hào)無效時(shí)不輸出像素同步信號(hào)，用其輸出信號(hào)作為像素?cái)?shù)據(jù)同步，在下文中仍稱之為PCLK。

OV2640的工作模式是由內(nèi)部寄存器確定的，其與外部的接口為串行相機(jī)控制總線（SCCB）。一般方法是微控制器工作在主模式，對工作在從模式的OV2640內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，配置完成后經(jīng)過10幀圖像采集時(shí)間后，OV2640即開始按照配置的模式工作。如圖6所示，通過IO口（P0.1和 P0.2管腳）模擬 SCCB總線時(shí)序讀寫OV2640寄存器，從而控制其工作模式，必要的設(shè)置包括要獲取圖像的分辨率、輸出格式、輸出時(shí)鐘頻率等。

圖6 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸Fig 6 Data transfer of I2C bus

3 膠囊內(nèi)窺鏡軟件設(shè)計(jì)

在nRF24LE1的初始化程序中，設(shè)置寄存器RF_SETUP=0x0F，數(shù)據(jù)傳輸速率2 Mbit/s，發(fā)射功率0 dBm;設(shè)置寄存器RX_PW_P0=0X32，nRF24LE1無線發(fā)射數(shù)據(jù)包長度為32 bytes。

主程序負(fù)責(zé)膠囊內(nèi)窺鏡的控制器nRF24LE1初始化配置與OV2640初始化配置，以便實(shí)現(xiàn)圖像的采集發(fā)送功能。如圖7所示，通過檢測幀信號(hào)VSYNC判斷一幀圖像的起始位置，為了使系統(tǒng)高效的運(yùn)行，本文程序設(shè)計(jì)2個(gè)內(nèi)存單元，使膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)處于圖像實(shí)時(shí)發(fā)送狀態(tài)。如圖8所示，中斷程序檢測像素點(diǎn)信號(hào)PCLK來采集圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)PCLK為下降沿是讀取Y3～Y9口數(shù)據(jù)，并存入內(nèi)存，等待發(fā)送信號(hào)的到來，這就完成了膠囊內(nèi)窺鏡的圖像采集與發(fā)送功能。

圖7 無線膠囊內(nèi)窺鏡主程序流程圖Fig 7 Main program flow chart of wireless capsule endoscopy

圖8 中斷程序流程圖Fig 8 Flow chart of interrupt program

4 實(shí)驗(yàn)與分析

膠囊內(nèi)窺鏡體內(nèi)實(shí)測PCB電路如圖9所示，OV2640和nRF24LE1共用晶振為16 MHz，考慮到無線芯片的實(shí)際數(shù)據(jù)傳送能力，通過測試，當(dāng)PCLK最大采集頻率大于33 kHz時(shí)，發(fā)送模塊發(fā)送到接收模塊完全接收所用的時(shí)間，大于圖像采集所占用的時(shí)間，圖像無法正常傳輸。本文通過SCCB總線設(shè)置OV2640的圖像大小為CIF壓縮格式，即分辨率為352×288，經(jīng)過JPEG壓縮后數(shù)據(jù)量從198 kB降低至10 kB左右，配置攝像頭時(shí)鐘分頻CLKRC=0X0B，輸出PCLK頻率R_DVP_SP=0X7F。實(shí)際測試表明:PCLK頻率為31.7 kHz，滿足控制器nRF24LE1的中斷口P0.5頻率要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，OV2640每0.5 s輸出一幅圖像，觀察圖像數(shù)據(jù)可以看出:一幀數(shù)據(jù)的開始標(biāo)志為0XFFD8，結(jié)束標(biāo)志為0XFFD9，拍攝可以得到比較清晰的圖像，如圖10所示，（a）為近景:可以清晰觀察豬的胃部圖像，（b）為遠(yuǎn)景:窗戶外的景色。

整個(gè)系統(tǒng)的速度受限2個(gè)方面的原因:其一是nRF24LE1的空中傳輸速率，盡管手冊上說明最大可以達(dá)到2 Mbit/s，但實(shí)際測試時(shí)最大數(shù)據(jù)傳輸速率約為0.5 Mbit/s;另一方面，nRF24LE1工作在16 MHz，其I/O端口響應(yīng)速度受到限制，在本系統(tǒng)中主要時(shí)間限制在于nRF24LE1將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)過程。實(shí)際測試表明:OV2640工作時(shí)電流約為25 mA，處于休眠模式時(shí)僅僅為2.8 mA，發(fā)送模塊發(fā)送時(shí)的電流為10 mA，LED工作時(shí)的電流為5 mA，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了低功耗的目的。

圖9 體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡實(shí)物圖Fig 9 Physical figure of capsule endoscope in vivo

圖10 采集圖像實(shí)例Fig 10 Instance of image acquisition

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)方案適用于膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的檢測，采用具有JPEG壓縮功能的CMOS攝像頭OV2640，通過硬件實(shí)現(xiàn)壓縮算法，避免了軟件壓縮算法速度不夠的問題，同時(shí)利用集成度最高的nRF24LE1低功耗芯片完成整個(gè)系統(tǒng)控制的發(fā)送功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)、功耗低，制作的體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的直徑不大于13 mm，在目前的實(shí)驗(yàn)階段，可以實(shí)現(xiàn)0.5 s采集與傳送一幅CIF圖像，為無線膠囊內(nèi)窺鏡提供了一種可行方案。。

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