张 静

（西南医科大学附属医院肿瘤科，四川泸州 646000）

0 引言

机器视觉系统越来越多的应用在医疗系统中，特别是医务人员视觉不能满足要求的情况下，多用机器视觉代替人工目测。该文所研究的机器视觉并非采用X线透视来获得影像资料，而是通过工业相机快速拍照的方式，将采集的数据实时处理并用于实时控制的过程。对于胸腹部肿瘤患者在实施放射治疗过程中，由于呼吸运动会导致肿瘤不规则运动，对放射治疗的精确性产生很大影响。为了确保临床肿瘤临床靶区CTV接受高剂量照射，传统的方法是肿瘤的临床靶区CTV被医生勾画出来后，在此基础之上考虑到靶区的呼吸运动位移再继续扩大CTV的靶区边界变为计划靶区PTV[1]，该方法无疑增加了靶区周围组织的剂量。利用机器视觉技术，在患者靶区表面敷贴一铅点做为标记物，利用工业相机对治疗中的患者快速拍照，跟踪铅点运动的轨迹，获得治疗床或MLC反向运动的信号。通过这种方式，能减小呼吸运动导致的治疗误差，给予肿瘤更精确的剂量。同时，机器视觉系统是一套数字化系统，便于与其他数字化自动控制系统连接实现靶区运动的智能跟踪控制。

1 机器视觉概述

机器视觉(Machine vision)技术目前已经广泛应用于科学技术的各个领域，例如人脸识别、车牌识别都是大家熟知的，工业领域主要包括异物识别、自动检测等，医疗领域目前主要应用于消化系统的检查，如电子胃镜等。可见虽然机器视觉技术涉及技术基本一致，但是在各个领域都得到了充分的利用[2]。

该文采用的图像采集单元（工业相机）使用Camera Link协议，图像处理单元接收工业相机采集的数据，在前期进行处理后把图像的像素数据上传到图像处理单元中的存储器中。相机上传的数据主要包括像素数据、同步信号、相机的控制命令以及响应的设置参数等[3]。图像处理单元对这些数据进行整理，并提取出有用信号发送给图像处理单元，并发送相机控制命令，以达到数据和命令传送的目的。图像处理单元对接收到的数据进行处理运算得出控制命令或将数据传送到上位机。图像采集器原理框图如图1所示。

其中，图像处理单元采用FPGA作为硬件平台，以Verilog HDL语言为软件设计工具，系统内嵌NIOS软核，实现对相机的配置、控制、数据接受并存入SRAM，同时通过HDMI接口送到监视器显示实时照片。验证以FPGA平台实现基于Camera Link协议高速图像采集系统的可行性，评估以FPGA为平台设计的图像采集系统性能，部分解决嵌入式NIOS软核与高速IO接口协调工作的问题。上位机选择X86硬件构架和Windows操作系统。

图1 图像采集器原理框图

2 图像处理单元设计

由于FPGA本身的高性能、灵活的可编程应用，可实现高速硬件计算和并行运算，非常适合于高性能的嵌入式图像处理系统[4]。FPGA定义逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）的概念，逻辑单元阵列包括输出输入模块IOB（Input Output Block）、可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、内部连接（Interconnect）3部分。现场可编程门阵列（FPGA）是一种可编程的器件，允许无限次的编程操作[5]。其中FPGA系统设计框图如图2所示。

图2 FPGA系统设计框图

图2 中，COUNTER模块是按键信号采集器，输入信号为系统板上4个独立按键，系统时钟信号和复位信号，输出信号为4路按键触发信号，按键次数计数、LED位选信号。TRIGER模块是相机触发信号发生器，该模块接受COUNTER输出的特定按键信号后，发出一个符合相机要求的触发脉冲，通过Camera Link接口送给相机。ANSYC_FIFO模块作为相机Camera Link接口的图像数据、同步信号、像素时钟的输入接口，接收图片数据并缓存后以系统频率输出数据。SRAM模块是外部存储器SRAM与系统的接口，接收由ASYNC_FIFO输出的数据和数据有效信号，将一帧图片存入SRAM中。或者读出SRAM中的数据，由数据输出口输出。LCD模块是LCD显示器的接口，输入为系统时钟、系统复位、8bit×1数据和数据有效信号，输出为用于控制LCD显示的各个控制位和数据总线。LED模块作为LED显示器接口。输入信号为系统时钟、系统复位、刷新频率参数，四位待显示数据。输出信号为LED显示器位选和段选信号。FIFO_1，FIFO_2这两个模块作为乒乓缓存，对输入的数据按照输入时钟进行高速存储，输出数据时按照输出时钟读出数据，因此同时起数据时钟变换作用。此模块被ASYNC_FIFO调用并实例化。Nios的异步串行通信模块作为相机的配置模块，参照工作状况和相机性能，对相机进行适当配置。

3 图像处理单元系统功能仿真及逻辑分析

Modelsim作为图像处理单元FPGA的仿真工具，支持VHDL、Verilog HDL以及两者的混合仿真，整个程序分步执行，设计者可以非常方便地观察程序下一步需要执行的语句[6]。设计可以随时查看任意变量的数值，某一单元或模块连续变化的输入输出量可以在在Dataflow窗口中查看[7]。以下为FPGA系统级功能仿真分析[8]。

输入信号：SYSCLK，RST_B，CAMERA_PIXCLK，CAMERA_FVAL，CAMERA_LVAL，CAMERA_DATA_IN.

输出信号：CAMERA_TRIG_SIGNAL，SRAM_CS_B，SRAM_OE_B，SRAM_WE_B，SRAM_ADDR_BUS，SRAM_DATA_BUS，SRAM_DATA_OUT，SRAM_DATA_OUT_EN，LED_DATA，LED_SEL.

内部监控信号：FIFO：DATA_IN_X，DATA_OUT，DATA_EN，Q_X.

信 号 说 明 ：SYSCLK， RST_B， 同 上 。 CAMERA_PIXCLK：相机输出像素时钟，CAMERA_FVAL：相机输出帧同步信号，CAMERA_LVAL：相机输出行同步信号，CAMERA_DATA_IN：相机输出像素数据。CAMERA_TRIG_SIGNAL：TRIGER输出的相机触发信号。SRAM_CS，SRAM_OE_B，SRAM_WE_B，SRAM_ADDR_BUS，SRAM_DATA_BUS，SRAM_DATA_OUT，SRAM_DATA_OUT_EN，LED_DATA，LED_SEL分别如上所述。系统总体功能仿真如图3所示。由图3可以看出，相机输出符合设计预期，FIFO、SRAM协同工作符合预期。

4 结论

根据精确放疗的实际需求，针对现有技术的不足，设计整套图像数据采集系统，对系统各模块进行功能仿真，系统整体运行仿真，最后进行系统实际验证。系统实际工作试验结果表明，系统运行稳定，图像传输速率快，传输稳定。并且系统有充足的升级余量。相机可按需配置，配置程序简单，可触发拍照，应用范围广。目前存在的主要问题是高速总线走线不规范，致使系统在高速运行时受到干扰较强烈。主要原因是系统由独立模块搭建而成而非专门的图像接收系统。

由于患者呼吸运动较快并且幅度较大，用机器视觉检测时，每个患者需要数百张照片进行比对，以检测其运动位移，对于图像的传输、处理速度要求非常高。采用Camera Link接口协议，可以解决此设计中的速度瓶颈。由于高速图像采集系统是高速机器视觉系统的关键部分，该设计仅是原理验证性设计，目的在于暴露系统设计中的问题，并提出解决方案，积累经验，为高速机器视觉系统奠定基础，为精确放疗提供更好的解决方案。从实测结果来看，该设计基本达到了目标。设计过程中对遇到的各种问题进行详细记录，并提出数套解决方案，为机器视觉系统应用于精确放疗积累宝贵资料。不论是设计结果还是过程，都达到预期效果。

图3 功能仿真图