影像算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn) - 基于Altera FPGA快速開發(fā)醫(yī)療成像設(shè)備詳解

　　6.影像算法

　　各種影像算法通常在FPGA中實(shí)現(xiàn)，包括圖像增強(qiáng)、穩(wěn)定、小波分析和分布式矢量處理等。

　　一般采用卷積（線性）濾波來實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。高通和低通濾波后的圖像經(jīng)過線性組合，由矩陣乘法模板進(jìn)行加權(quán)，產(chǎn)生的圖像增強(qiáng)了細(xì)節(jié)，同時(shí)降低了噪聲。

　　視頻圖像穩(wěn)定技術(shù)對視頻數(shù)據(jù)序列中的旋轉(zhuǎn)和縮放效果進(jìn)行歸一化處理，以平均連續(xù)幀中的噪聲。這還平滑了從視頻中提取的靜止圖像的鋸齒邊沿，能夠糾正大約1/10象素的圖像抖動。

　　為獲取信號中的事件信息，小波分析使用可變窗口技術(shù)每次分析一小部分信號。小波分析對精確的低頻信息使用較長的時(shí)間間隔，對高頻信息使用較短的間隔。小波應(yīng)用包括探測不連續(xù)點(diǎn)以及斷點(diǎn)、探測自相似、抑制信號、去除信號噪聲、去除圖像噪聲、壓縮圖像以及大型矩陣快速乘法運(yùn)算等。

　　最近開發(fā)的S變換（ST）結(jié)合了FFT和小波變換。它揭示出頻率隨空間和時(shí)間的變化。其應(yīng)用包括紋理分析和噪聲濾除等。但是，ST的計(jì)算量較大，采用傳統(tǒng)的CPU實(shí)現(xiàn)起來速度太慢。分布式矢量處理技術(shù)解決了這一問題，它在FPGA中同時(shí)采用矢量和并行計(jì)算，處理時(shí)間縮短了25倍。

　　一種癌癥早期探測的方法利用了病人的重新造血能力。數(shù)字傳感器探測人體輻射出的紅外能量，從而“看到”由于癌癥導(dǎo)致血流增加而出現(xiàn)的微小差異。其典型實(shí)現(xiàn)基于可編程心縮矩陣，采用了通用工作站以及FPGA專用硬件引擎來實(shí)現(xiàn)。和目前的高端工作站相比，該引擎將核心算法速度提高了近1，000倍。

　　這些復(fù)雜影像算法需要哪些關(guān)鍵FPGA構(gòu)建模塊函數(shù)呢？ 在CT重建中，需要插值、FFT和卷積函數(shù)。在超聲中，處理方法包括顏色流處理、卷積、聚束、混合和彈性估算等。普通影像算法包括顏色空間轉(zhuǎn)換、圖形覆蓋、2D/中值/時(shí)間濾波、縮放、幀/域轉(zhuǎn)換、對比度增強(qiáng)、銳化、邊沿探測、限幅、平移、極坐標(biāo)/笛卡兒坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、不均勻校正以及象素替換等函數(shù)。

　　二.可更新的平臺

　　很多影像系統(tǒng)以前都采用專用計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。現(xiàn)在，隨著高性能COTS CPU板的推出，系統(tǒng)工程師可以采用更現(xiàn)成的方法。雖然軟件自己可以完成很多算法的非實(shí)時(shí)處理，但實(shí)時(shí)影像處理還是需要輔助硬件。目前的FPGA內(nèi)置了 DSP模塊、寬帶存儲器模塊和大量的可編程單元，是實(shí)現(xiàn)這些輔助硬件的理想器件。

　　Altera 與其合作伙伴密切協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了FPGA協(xié)處理資源和COTS CPU解決方案的可靠集成。對于Intel和AMD單板計(jì)算機(jī)（SBC），內(nèi)置了串化器/解串器的Stratix II GX FPGA能夠直接實(shí)現(xiàn)PCI Express兼容協(xié)處理器板，承擔(dān)算法功能。對于雙插槽的AMD SBC，Altera合作伙伴XtremeData提供協(xié)處理器子卡，直接插入到一個Opteron插槽中，提供非常好的CPU+FPGA處理方案（參見圖1）。對于性能要求更高的大計(jì)算量應(yīng)用，四插槽AMD SBC可以提供多種CPU+FPGA協(xié)處理器組合方案（1+3，2+2或者3+1）?？梢圆捎枚鄠€1-U刀片服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)非常靈活的平臺，每個刀片完成 CPU+FPGA協(xié)處理器方案。

　　圖1 XtremeData XD1000系統(tǒng)圖

　　注：XD1000?直接插入到多Opteron母板的Opteron?插槽940中，使用母板的現(xiàn)有CPU基本結(jié)構(gòu)。

　　這些平臺的應(yīng)用加速取決于算法——FPGA承擔(dān)的算法中并行計(jì)算越多，運(yùn)行速度就越快。例如，由基于FPGA的硬件來加速實(shí)現(xiàn)CT影像算法時(shí)，每個3-GHz CPU結(jié)合一個FPGA協(xié)處理器，運(yùn)行速度提高10倍，大大降低了系統(tǒng)級功耗，節(jié)省了空間和成本。