无线胶囊内窥镜：压缩/通信架构及性能优化方法的研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）35无线内窥镜压缩/通信架构Zitouni Abdelkrima， Almimouni Ashwaga， Elhajji Majdiba达曼大学朱拜勒 教育学院，邮政编码：Box 1982，达曼31441，沙特阿拉伯b Hafr Al Batin 教育学院，Hafr Al Batin大学，P.O. Box 1803，Hafr Al Batin 31991，Saudi Arabia接收日期：2016年1月9日;接收日期：2016年10月27日;接受日期：2017年1月11日在线提供2017年摘要无线胶囊内窥镜是一种高效的消化系统疾病检查设备。许多性能标准需要深入研究。在本文中，我们的兴趣是优化所示的标准。所提出的方法是基于探索DCT/DWT变换的优点，将它们结合成单一的架构。对于算术运算，使用MCLA该架构还集成了支持所有二进制化方案的CABAC熵编码器。AMBA/I2C体系结构是为保证最佳通信而开发的。所提出的架构与最流行的方法在相关的作品中解释的比较显示有效的结果，在功耗，硬件成本和计算速度。© 2017 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：无线胶囊内窥镜; DCT/DWT图像压缩; CABAC熵编码器; AMBA/I2C多总线架构1. 介绍内窥镜系统由于其能够准确地检查消化系统疾病而成为医疗应用中的有效装置。然而，在传统的有线内窥镜检查中使用它是不方便的，因为它会给患者带来相当大的不适。此外，由于其有限的长度，该系统在测试覆盖方面受到限制（Singeap等人， 2016年）。此外，在长长的小肠中，它不能简单地进入所有的消化器官。因此，已经提出了许多新的内窥镜检查技术，例如超声和无线方案（Chi等人，*通讯作者。电子邮件地址：azitouni@uod.edu.sa（中）Abdelkrim）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2017.01.0062314-7172/© 2017电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。36Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）35×××Fig. 1.典型内窥镜系统框图。2006年）。其中，Iddan等人（2000）开发的胶囊代表了第一个使用的无线系统，而不是有线内窥镜。它可以小到足以被患者吞下而不会引起任何不适。并且，胶囊系统具有允许在没有麻醉的情况下直接检查消化系统疾病的优点（Glukhovsky，2003; Wang等人， 2007年）。因此，已经在433/868/915频带（Quinlan，2004）或2.4GHz频带（Fakher等人，2004年）。2000年开发了第一个商业化胶囊式内窥镜（Pillcam，2011）。在2006年，已经提出了专用于结肠直肠疾病筛查的扩展胶囊（Moglia et al.， 2008年）。一些其他公司，如奥林巴斯，宾得和西门子进入市场的类似产品（麦卡弗里等，2008; Moglia等人， 2008年）。下图1显示了一个典型的无线内窥镜系统。它代表电子胶囊、工作站和无线链路。患者吞咽的胶囊是密封包装的。两个LED集成到胶囊中进行照明。由CMOS传感器捕获的压缩器的输出数据图像由无线RF发射器提交到体外，在体外接收并存储它们，以便重建用于后续诊断。控制器根据从工作站输入的操作员指令命令压缩机操作无线胶囊使用一个微型无线摄像头拍摄消化道的照片，它正在拍摄大约50，000- 60，000张胶囊式内窥镜需要足够小，以便易于吞咽并通过人体胃肠道。一般来说，从口部移动到撤离需要24小时 这些图像通过无线射频发射器传输到工作站中的身体外部，在那里它们被存储（Moglia等人， 2008年）。尽管图像数据的传输占据了胶囊内窥镜检查中总功率的约90%（Moglia等人， 2008年）。 为了降低图像数据传输的功率和通信带宽，需要先对数据进行压缩。然而，有必要保存所构建的图像的分辨率，因为当医生应用缩放以执行详细诊断时，图像可能失真（Kinde等人，2016年）。而提高分辨率会导致RF传输中的功耗大幅增加。本文的结构安排如下。第二节介绍和讨论了相关的工作。第三部分介绍了体系结构设计的各个步骤和方法 实验结果见第4节。第五节讨论了这些结果，并与相关工作进行了比较。最后，结论见第6节。2. 相关作品在无线内窥镜系统的设计过程中，主要关注的是改善性能（功率、面积、计算速度等）。出于这个原因，我们主要关注内窥镜系统的主要部分（图像压缩）的优化。首先，我们采用了基于DCT的技术。事实上，到目前为止，有许多作品对这种技术感兴趣（Loeffler等人，1989;Li和Lu，1996;Park等人，2002;Shams等人，2002;Amer等人，2005;ParkandOgunfunmi，2009）. 在Amer等人（2005）中，作者提出了8 - 8变换的高性能硬件实现。该方案的目的是执行流水线计算，减少所需的内存资源和访问。参考文献Park和Ogunfunmi（2009）提供了一种支持实时约束的FPGA架构，并提出了一种简化的并行架构，以优化资源约束。自适应块大小8的架构 8和4 4转换是在公园开发等（2002）。在Loeffler等人（1989）中，Loffler提出了一种执行11次乘法的优化DCT算法Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）3537××以及29个加法，用于计算8点矢量的DCT该算法通常使用浮点技术进行算术在过去几年中，Heyne等人（2006）和Sun等人（2008）已经提出了需要38次加法和16次移位操作的简化DCT过程。（2006年）。 为了降低复杂度，我们提出了一种基于MCLA技术的DCT架构，将加法运算的次数从38次减少到30次。基于DCT的技术的缺点在于虚假形状和块残留物的出现，这可能导致在较高压缩速度下的信息丢失（Aziz和Pham ， 2012）。 另一 种称为DWT的图 像压缩技术也用 于其他一些 作品中（Daubechies 和Sweldens，1998; Shi等人，2009; Wu和Lin，2005;Lai等人，2009;Huang等人，2004;Zhang等人，2012年）。DWT技术的缺点在于它需要比DCT技术更大的计算资源。出于这个原因，我们提出了探索这两种技术的优点，将它们结合成单一的混合DCT/DWT架构。关于在压缩步骤之后执行的图像编码部分（Dongdong等人，2015），许多技术可以在内窥镜系统内使用（Huffman、Lempel-Ziv技术（Ziv和Lempel，1977）需要可寻址存储器来存储编码器字典（Tajallipour和Wahid，2010）。 霍夫曼技术（Turgis和Puers，2005）还需要存储器以便存储霍夫曼概率表（Rigler等人，2007年）。还可以使用两种无损压缩熵编码技术，CAVLC和CABAC。CABAC算法（Chen和Lin，2009）与类似算法相比需要大量处理来解码。此外，CAVLC（Bjøntegaard和Lillevold，2002）用于不需要高质量编码图像或视频的情况由于其效率比其他技术，我们选择了CABAC技术在编码步骤的内窥镜系统图像。事实上，与CAVLC相比，CABAC更有效，平均节省了9%嵌入式模块（图像压缩、图像编码、数据传输等）在内窥镜检查系统内部可能不可避免地需要通信和共享公共资源。由几个研究人员进行的涉及内窥镜胶囊系统内的通信的集成的大多数工作集中于点对点互连的研究（Al-Rawhani等人，2013; Hasan Khan和Wahid，2011; Wahid等人，2008年;Zargari和Azimi，2009年），仅举几例。这种类型的通信架构有时会导致系统由于组件间布线而可能包括增加的面积 其他研究人员对I2C总线或特定并行总线协议的改进感兴趣，以便强调性能并促进内窥镜检查系统内部的通信模块的接口连接（Cavallotti等人，2011; Xie等人， 2011年）。这些工作提出了基于I2C总线的通信架构，该总线配备了总线逆变器和总线编码器/解码器，用于连接所使用的存储器和图像传感器。由于所使用的存储器和图像传感器的缓冲器是8位宽的，因此这些方法使用串行/并行转换器和16/32位CRC校正方案，这导致硅面积增加。 在Gu et al. （2012），已经提出了基于8位特定并行总线的Micro-Ball和多相机主从系统。这种架构可能导致硅面积增加，因为它们是基于每个从设备的分布式和混合存储器方案为了提高系统的通信性能，我们设计了一种基于AMBA/I2C总线的桥接结构。3. 建筑设计所提出的内窥镜设计以针对性能标准的优化的方式集成了三个主要部分（压缩、编码和通信）。3.1. 压缩步骤压缩任务是基于一个混合的2D-DWT-DCT架构，允许应用的DWT和DCT技术顺序如图所示。 二、首先，将原始帧（例如256 256）划分成32个块。然后，通过使用2D-DWT技术分解每个块。具有最高频率（HL、LH和HH）的系数被拒绝，并且最低频率（LL）被传递到下一步骤（Shrestha，2010），并且也由2D-DWT处理此外，将8-DCT点应用于这些（LL）系数。量化的系数通过标量比例因子（SF）减少（图1）。 3）。38Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）35图二. 2D-DWT-DCT压缩技术流程。图三. Gall 5/3 DWT步骤的公式化。3.1.1. 二维离散小波变换部分在这个架构部分中，5/3提升使用了Zhang等人提出的一种新方法。（2012），并且允许相对于传统卷积DWT降低DWT计算复杂度（Parhi和Nishitani，1993;Wu和Chen，2001）。 该方法也称为DWT-Gall 5/3，由3个主要步骤组成：（i）拆分，（ii）预测，（iii）Darji等人（2012）和Babu和Prasad（2011）。所提出的关于2D-DWT的修改由三个单元构成：如图4所示的行计算单元、转置单元和列计算单元。第一部分主要研究（LH）系数的计算。然后，转置单元执行对线计算单元的现有系数的管理，以便于线计算单元对细节和近似系数的计算（图1）。 5）。3.1.2. 2D-DCT部分DCT结构部分由8个2D-DCT模块组成，并行寻址像素并生成列量化矩阵。该架构以并行方式与量化块合并，以便允许系数的量化合并的DCT和量化模块允许每个时钟周期量化simul-simul 8系数，因此在一个点击周期期间计算列DCT-Q架构和量化部分分别在图6a量化模块由三个二进制块和一个移位器组成。该架构旨在覆盖所有乘法因子。包括门控时钟技术，以减少开关活动，从而降低功耗，基于有限状态机控制器（图1）。 6 c）。3.1.3. MCLA零件在2D-DCT和2D-DWT部分的混合压缩架构的计算任务执行的MCLA技术。该技术由于其计算速度快和简化的表面而被使用 由于执行速度是评估加法器质量需要考虑的最重要因素，因此所提出的电路使用与非门来代替传统CLA中的与门和非门（Cheng等人，1997年;Nabirra等人， 1997），可以降低成本，提高CLA的速度。Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）3539见图4。修改后的2D-DWT架构的模块：（a）行计算，（b）转置，和（c）列计算。图五.所提出的2D-DCT算法的架构。3.2. 编码步骤编码步骤由CABAC编码器执行，CABAC编码器由3个阶段组成：二值化，上下文建模和算术编码。 上下文建模器（Marpe等人， 2003）读取二进制串并根据左上宏块的相邻数据生成上下文值。在建模步骤中，将概率分布模型分配给给定的该模型允许实际引擎的驱动以生成位序列，在编码阶段中根据建模分布的符号的编码表示。第一种类型的CABAC设计类型涉及上下文模板，该上下文模板具有在要编码的当前语法元素针对语法元素定义第二类型的上下文模型最后，将第三和第四类型的上下文模型应用于残差系数。算术编码器块由三个编码步骤组成：常规、旁路和终止。二进制化方法包括将（SE）的整数值映射到比特序列（bin字符串）。该过程允许减小编码符号大小。因此，它简化了上下文建模的成本以及40Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）35图六、DCT-Q架构（a）、量化框图（b）和基于门控时钟控制器的架构（c）。见图7。 二值化架构。算术编码为了实现二进制过程，CABAC定义了四种方法：一元，截断一元，固定长度，一元/第K个指数哥伦布（UEGk）。二值化架构（图7）由一个解复用器、一个多路复用器、二值化模块和一个门控时钟模块组成，门控时钟模块连接到另一个模块，以便在它不运行时停止它。Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）35413.3. 通信步骤当必须在两个或多个总线之间进行适配以提供本地所需的性能时，在胶囊式内窥镜系统中使用桥接器是必要的。我们使用AMBA总线控制内窥镜系统，并确保其与外界（如传感器和执行器）的通信事实上，这些模块可以组装到机器人上，以便执行多项任务，例如在探索阶段停止内窥镜胶囊，组织采样，pH传感等。由于I2C总线提供的可扩展性，它可以防止数据损坏，并且不会占用大量的硅面积。因此，我们使用该总线确保内窥镜模块通信。基于Poujet（2002）中提出的架构探索，我们已经分配了在同一总线上通信方面具有相同亲和力的系统模块（图1）。 8 a）。所设计的桥使得能够通过保证给定的带宽来适配属于同一总线或属于两个总线的两个通信资源为了开始传输，发起者提交请求和目标模块的地址（例如，信道编码模块），其需要与之通信。为了将同步与AMBA/I2C总线分离，使用了两个缓冲存储器这些FIFO允许管理两个具有不同速度的模块之间的传输，并支持适合AMBA/I2C总线的带宽（图10）。 8 b）。还使用了一个控制单元4. 实验结果采用硬件描述语言VHDL设计了内窥镜系统的硬件电路，采用Matlab语言设计了内窥镜系统的软件电路。仿真步骤是通过使用Modelsim工具执行的综合步骤证明使用Synplify和ISE 13.1工具，目标是到Virtex2/Virtex 5 Xilinx FPGA的实现使用XPower工具估计功耗。通过测量PSNR来评价图像质量。关于压缩2D-DWT-DCT体系结构的2D-DWT模块，为了研究使用MCLA的效果，我们将原始图像分解为4个块LL、LH、HL和HH，并从建模提升方程开始然后，我们插入了建议的MCLA方程。我们已经测量了在4个图像示例的情况下通过传统方法和所提出的方法获得的PSNR（表1a）。表1结果：（a）与原始DWT的PSNR比较，（b）DCT-Q模块的FPGA合成，以及（c）CABAC合成。（一）图像类型峰值信噪比1PSNR-拟定内镜27.8229.11结肠26.4428.38贲门31.1832.97莉娜27.2930.98（b）第（1）款技术Xilinx频率（MHz）297输入/输出全局时钟总计Luts51441共有165104功率（mW）204（c）第（1）款N. 切片N. DFFN. LUTF. MHz400431751145.1542Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）35×见图8。(a)内窥镜通信架构，以及（b）桥接架构。所获得的DCT-Q模块的频率和耗散功率分别为约297 MHz和204 mW（表1b）。所创建的设计包含约5104个LUT。该结构通过整数变换和量化块处理一个8 - 8矩阵需要8个时钟周期。在Xilinx XC 5VLX 30 FPGA上实现的全混合2D-DWT-DCT结构的综合结果表明，该结构占用10,200个切片中的1447个切片和19,200个逻辑单元中的1619个逻辑单元，工作频率为133.761 MHz，功耗为150 mW。Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）3543×表2(a)与Shr-2010架构的PSNR比较;（b）硬件设计结果比较。（一）图像类型PSNR-拟议PSNR-Shr内镜29.1123.29贲门32.9729.00（b）第（1）款提出Darji等人LUT计数247477切片计数188251频率（MHz）151.5174CABAC二进制化架构的RTL合成结果（包括切片的数量、触发器的数量、LUT的数量和时钟频率）在表Ic中示出。为了研究MPSoC通信方案的性能，将内窥镜系统划分为11个模块，并集成到基于I2C/AMBA桥的架构中。控制器方案相比，最流行的技术（TDMA，固定优先级和循环优先级）。5. 讨论大多数所获得的结果进行了讨论，并与其他有效的技术在相关的作品中提出的结果进行比较。在两幅图像的情况下，将2D-DCT-DWT压缩架构生成的PSNR度量与（Shrestha，2010）的PSNR度量进行比较（表2）。这些结果表明，我们的架构优于这一个约20%和12%的情况下，内窥镜和心脏图像分别。的2D-DCT-DWT压缩架构的硬件成本相比，Darji等人。（2012）工作如表2 b所示。这些结果表明，所提出的架构的特点是减少了FPGA的LUT和切片的数量。所获得的151 Hz频率在很大程度上支持通常仅需要62MHz的30帧/s速率的图像压缩。并将结合MCLA技术的DCT-Q与其它在FPGA上实现8 - 8变换和量化的这种比较包括表3a中所示的区域LUT成本、并行性和频率。使用我们的架构对捕获的帧进行编码所需的时间的值比Amer等人（2005）中提出的架构所需的时间少约4倍。以同样的方式，我们的设计比时间表3DCT-Q设计比较，（b）CABAC编码合成比较。（一）Amer公园提出并行性1648频率（MHz）111.868.5297关键路径（ns）8.94314.593.36LUTs288729,0185140（b）第（1）款作品功能技术面积（切片）F. MHz[6]美国值化FPGA403–[1]第一章值化FPGA509142.40拟议工作值化FPGA400145.1544Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）35图9.第九条。（a）混合2D-DWT-DCT算法的性能比较。（b）通信性能比较ParkandOgunfunmi（2009）. 因此，它可以表明，我们的架构尊重实时约束和guarantied吞吐量，并减少了所需的内存访问。表3b给出了CABAC模块与Andre等人（2010年）和Roberto和Bruguera（2006年）作品的比较。这些结果表明，我们的设计节省了21.5%的硬件资源，并以更高的频率相对于Andre等人。（2010年）。此外，我们的设计在硬件资源方面比Roberto和Bruguera（2006）稍好。图9总结了不同DCT架构的操作数量。可以观察到，与先前的基于Cordic的Loeffler DCT相比，所提出的设计仅需要30次加法和16次移位操作，Z. Abdelkrim等人/电气系统与信息技术学报5（2018）3545这需要38个加法器和16个移位器。此外，与需要36次加法和17次移位操作的binDCT算法相比，它具有较低的计算复杂度。因此，所提出的设计是更有效的，并具有较低的硬件复杂度比以前的算法Cordic-LoefflerDCT和binDCT。因此，它更适合于低功耗和高质量的编解码器，特别是基于电池的系统。关于所提出的MPSoC换向架构的讨论，通过使用业务生成器仿真，平均图像分组延迟随着业务传输的增加（0.2、0.3和0.4微片/周期）而被规划 如图所示。在图9b中，Y轴和X轴分别指示在不同传输速率的情况下所指示的优先级方案的平均分组延迟和仲裁性能。我们的结论是，平均延迟是最小的情况下，我们的MPSoC方案。在0.3微片/循环传输速率的情况下，该度量为约350个循环。在TDMA、固定优先级方案和循环优先级方案的情况下，该度量分别约为395个周期、520个周期和因此，所提出的MPSoC方案通过为内窥镜系统提供低平均延迟而提供了传统优先级方案的重要替代方案。6. 结论提出了一种低复杂度、低功耗的无线胶囊内窥镜系统结构。压缩任务是基于一个混合的2D-DWT-DCT架构，允许应用程序的DWT和DCT技术顺序。由于MCLA加法器比传统的CSA技术效率更高，因此使用MCLA加法器来实现算术运算。在系统图像的编码步骤中，我们选择了CABAC技术。事实上，与其他技术如CAVLC相比，CABAC是更有效的，实现了平均更重要的9%为了提高系统的通信性能，我们设计了一种基于AMBA/I2C总线的桥接结构。为了将同步从两条总线中分离出来，在该架构中使用了两个缓冲存储器（FIFO）。所提出的设计是更有效的，具有较低的硬件复杂度和低功耗比以前的技术在相关的作品。因此，它更适合于低功耗和高质量的编解码器，特别是基于电池确认这项工作是在项目编号（2014088）期间进行的，该项目由KSA达曼大学科学研究院院长资助。引用Al-Rawhani，M.，Chitnis，D.，Beeley，J.，大卫河，2013年。 适用于生物组织自体萤光强度侦测之无线胶囊设计与实现。IEEETrans.BioMed. 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