基于FPGA硬件JPEG编码的体外磁控无线数字视频胶囊设计与实现

摘要

传统消化道疾病的侦查以插管窥镜的手段为主，在检查时不仅为病人带来痛苦并且插管窥镜欠缺对小肠的检查能力。无线胶囊内窥镜克服了这一缺点，病人在吞服胶囊内窥镜之后可以在无痛苦的生理状况下得到包括小肠在内的消化道全部图像，用以发现和分析消化道病变。自从以色列的Given Imaging公司于1991年推出首例胶囊内窥镜产品以来，胶囊内窥镜在工程实现中仍存在诸多不足，不能很好地满足临床诊疗需求。这些不足包括对主动位置姿态控制的缺乏、病灶区域漏检、数字图像质量差、体内精确定位难度高和连续工作时间过短等。
　　本文依托于体外磁控诊疗胶囊国家自然科学基金项目（编号31271069）。使用体外永磁体与体内胶囊内置永磁体的作用力主动控制胶囊的位置和姿态，以解决位置姿态控制缺乏和病灶区域漏检的问题。通过本课题的研究，提出将胶囊内窥镜当做进入消化道的可控移动平台，将治疗工具集成于胶囊内窥镜，并借助于胶囊视频图像导航，研制新型的可视化、无创诊断和治疗平台。本文设计集中于上述系统的数字图像压缩和处理模块，重点在于Baseline JPEG压缩器的设计、仿真和硬件验证。本文详细阐述了Baseline JPEG算法原理，描述了包括色彩空间变换器、下采样器、二维离散余弦变换器、量化器、游程编码器、变长编码器、霍夫曼编码器在内的Baseline JPEG压缩器的设计原理和设计细节，描述了基于Xilinx FPGA的硬件算法验证平台和基于STM32的无线数据接收器设计。本文对Baseline JPEG压缩器进行了软件仿真和硬件验证，并对大量结果进行了统计。实验和统计结果表明，所设计的压缩器可以正常工作在30:1的图像压缩比附近，并保证压缩比例不高于40:1时的PSNR大于25dB，符合无线信道的数据通信质量。对于320×240尺寸的图片，可以在2Mbps无线信道中满足30fps的图像帧率。本文主要设计实现了诊疗胶囊的数字图像压缩和传输子系统，完成了技术路线中模块功能验证和试验验证环节，并为将来的整体功能验证和联合调试测试奠定基础。

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第1章 绪论

1.1. 课题研究背景及意义

1.2. 无线胶囊内窥镜的研究现状

1.3. 主要研究内容

1.4. 本文结构

第二章 无线胶囊内窥镜设计方案与系统结构

2.1. 无线胶囊内窥镜设计方案

2.2. 胶囊内窥镜的数字图像压缩传输解决方案

2.3.Baseline JPEG压缩器的FPGA验证平台系统结构

2.4. 本章小结

第三章Baseline JPEG算法描述

3.1. 输入预处理

3.2.Baseline JPEG核心

3.3. 输出数据处理

3.4. 本章小结

第四章彩色图像Baseline JPEG压缩器实现

4.1. 输入预处理

4.2.Baseline JPEG核心

4.3. 输出数据处理

4.4. 逻辑综合

4.5. 本章小结

第五章Baseline JPEG压缩算法验证

5.1. 软件仿真

5.2.基于Xilinx Spartan6 LX9 FPGA的验证平台

5.3. JFIF

5.4. 本章小结

第六章 USB无线数据接收器

6.1. 数据接收器硬件设计

6.2. 数据接收器软件框架

6.3. 本章小结

第七章 仿真与验证实验结果

7.1.峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio）

7.2. 测试图像及其PSNR

7.3. 本章小结

第八章 总结与展望

8.1. 主要工作及创新点

8.2. 限制与缺陷

8.3. 后续研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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