數(shù)字化手術(shù)室多路高清視頻合成系統(tǒng)的研究

魏 濤，楊勇勇，邵 蕾.上海市中醫(yī)醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備管理處，上海 0007 .上海醫(yī)療器械股份有限公司工程部，上海 0009 .同濟(jì)大學(xué)附屬上海同濟(jì)醫(yī)院科研處，上海 00065

·醫(yī)療器械園地·

數(shù)字化手術(shù)室多路高清視頻合成系統(tǒng)的研究

魏 濤1，楊勇勇2，邵 蕾3
1.上海市中醫(yī)醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備管理處，上海 200071 2.上海醫(yī)療器械股份有限公司工程部，上海 200093 3.同濟(jì)大學(xué)附屬上海同濟(jì)醫(yī)院科研處，上海 200065

目的數(shù)字化手術(shù)室多路高清視頻合成對(duì)于提高手術(shù)教學(xué)及手術(shù)遠(yuǎn)程會(huì)診具有重要的意義。方法針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有手術(shù)室視頻清晰度低、可視角度少、切換繁瑣等問題，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field-progtammable gatearray，F(xiàn)PGA）硬件架構(gòu)，設(shè)計(jì)了四路HD-SDI高清視頻信號(hào)的合成，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便。結(jié)論設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)手術(shù)室內(nèi)多路高清視頻合成系統(tǒng)，是數(shù)字化手術(shù)室建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

數(shù)字化手術(shù)室；高清視頻合成；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

隨著信息技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，醫(yī)院數(shù)字信息化程度越來越高，在現(xiàn)代微創(chuàng)醫(yī)療中，醫(yī)師需借助視頻顯示進(jìn)行手術(shù)，這使高清視頻在數(shù)字化手術(shù)室內(nèi)顯得十分重要。此外，數(shù)字化手術(shù)室不僅具有對(duì)患者進(jìn)行手術(shù)治療的功能，還應(yīng)滿足手術(shù)教學(xué)觀摩、學(xué)術(shù)交流及遠(yuǎn)程醫(yī)療等諸多新型應(yīng)用的需求，這就對(duì)數(shù)字化手術(shù)室內(nèi)的視頻圖像質(zhì)量和多路視頻信號(hào)的處理和顯示技術(shù)提出了更高的要求，以達(dá)到高質(zhì)量、全方位、多角度的視頻獲取和觀看效果。

1 手術(shù)室視頻系統(tǒng)

在手術(shù)室內(nèi)部安裝專用攝像頭、錄像設(shè)備等可以獲取手術(shù)室內(nèi)的動(dòng)態(tài)圖像，對(duì)手術(shù)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)控、轉(zhuǎn)播和存儲(chǔ)，以便進(jìn)行臨床手術(shù)示教并在術(shù)后對(duì)影像資料進(jìn)行學(xué)術(shù)探討，手術(shù)室視頻系統(tǒng)提升了手術(shù)室的功能和效率，也使得手術(shù)質(zhì)量得到提高。

目前，很多醫(yī)院都開發(fā)或者引進(jìn)了臨床手術(shù)示教系統(tǒng)，但現(xiàn)有的系統(tǒng)普遍存在一些設(shè)計(jì)缺陷和技術(shù)問題，最為突出的如手術(shù)視頻清晰度低、圖像失真嚴(yán)重、色彩還原能力弱、圖像質(zhì)量不高等問題，并且傳統(tǒng)的顯示系統(tǒng)往往都用一個(gè)顯示器顯示一路視頻信號(hào)，無法全面地獲取手術(shù)室內(nèi)的各種圖像信息，難以滿足全方位、多角度的視頻觀看和研究的需要。當(dāng)需要同時(shí)顯示多路視頻信號(hào)時(shí)，就需要多個(gè)顯示器，造成資源浪費(fèi)且操作不便。

針對(duì)上述情況，本研究設(shè)計(jì)了高清視頻控制器，可以對(duì)手術(shù)室內(nèi)的多路高清視頻信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)高清晰度視頻信號(hào)的多合一顯示。將多路視頻信號(hào)按照一定的比例縮小后合成一路視頻信號(hào)，傳送至顯示器屏幕顯示，這樣一臺(tái)顯示器屏幕被分割成多個(gè)大小相等的部分，每一個(gè)部分顯示一路視頻圖像，與此同時(shí)，也可以切換至某一路視頻（所輸入的視頻信號(hào)中的一路）的獨(dú)立顯示。這樣，大大增加了顯示器的靈活性，節(jié)約了空間設(shè)備資源[1]。示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of the system

2 高清串行數(shù)字信號(hào)（HD-SDI）的構(gòu)成

HD-SDI的全稱是為高清非壓縮串行數(shù)字接口，數(shù)字視頻接口是非線性編輯系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)輸入和輸出的通道，對(duì)視頻質(zhì)量的好壞有直接的影響。HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)由SMPTE（電影電視工程師協(xié)會(huì)）制定，HD-SDI能夠以簡(jiǎn)單、低成本的方式傳送高速率的高清數(shù)字視頻信號(hào)，在當(dāng)今的廣播和視頻產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。SMPTE292M標(biāo)準(zhǔn)定義了通過HD-SDI傳輸速率為1.485 Gbps的串行數(shù)字接口的數(shù)據(jù)格式。

以隔行掃描1080P50i為例，每幀圖像分兩場(chǎng)掃描。數(shù)字視頻分量采用Y：Cb：ξ 4：2：2格式，每幀畫面亮度（Y）像素?cái)?shù)為1 920×1 080，帶寬為30 MHz；2個(gè)色差信號(hào)（用基色信號(hào)減去亮度信號(hào)就得到色差信號(hào)）像素?cái)?shù)各為960×1 080，帶寬為15 MHz；根據(jù)采樣定理，取樣頻率必須在帶寬的2倍以上。SMPTE將亮度信號(hào)的采樣頻率定為74.25 MHz，色差信號(hào)采樣頻率定為37.125 MHz，量化位數(shù)為10 bit。采用74.25 MHz采樣頻率，則數(shù)字設(shè)備向外輸出每幀內(nèi)的像素?cái)?shù)據(jù)時(shí)，色差信號(hào)按次序時(shí)分復(fù)用。亮度信號(hào)Y和經(jīng)過時(shí)分復(fù)用后的色差信號(hào)組合成一個(gè)包含兩個(gè)分量的數(shù)字信號(hào)（Y）或（Cr，Y），數(shù)據(jù)寬度為20 bit。復(fù)用次序如下：（Cb1，Y1）（Cr1，Y2）（Cb3，Y3）（Cc3，Y4）…，其中Yi表示每行的第i個(gè)亮度有效取樣，而Cbi、Cri表示與Yi取樣點(diǎn)位置相同的色差Cb和Cr分量的取樣。將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，即構(gòu)成串行數(shù)字信號(hào)，其傳輸速率為74.25 MHz×20=1.485 Gbps。

HD-SDI信號(hào)里，除了有效視頻信號(hào)之外，在視頻信號(hào)消隱區(qū)間里還有其他的信息[3]：

（1）EAV/SAV：定時(shí)基準(zhǔn)碼，有效數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束標(biāo)志（樣址：1920～1923，2636～2639）；

（2）LN：行數(shù)信息（樣址：1924～1925）；

（3）CRC：冗余校正碼（樣址：1926～1927），檢查亮度信號(hào)、色差信號(hào)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；

（4）ANC：輔助數(shù)據(jù)（樣址：1928～2635）。

HD-SDI隔行掃描數(shù)字場(chǎng)定時(shí)關(guān)系見圖2。

圖2 數(shù)字場(chǎng)定時(shí)關(guān)系圖Fig.2 Digital domain timing relational graph

3 多路高清視頻合成系統(tǒng)

數(shù)字視頻處理過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)傳輸和交換。其核心數(shù)據(jù)處理單元與片內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以及內(nèi)存控制器與片外存儲(chǔ)芯片之間的數(shù)據(jù)吞吐能力直接影響到視頻處理的速度[4]。隨著FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展，內(nèi)部豐富的硬件邏輯資源和可編程的特性使得FPGA在高性能、高靈活性的數(shù)字視頻處理中被廣泛采用，該多路高清視頻合成系統(tǒng)以高性能的FPGA為核心，經(jīng)過均衡后的HD-SDI信號(hào)輸入FPGA，在FPGA中進(jìn)行視頻信號(hào)的解串、存儲(chǔ)控制、幀格式的重構(gòu)等處理。FPGA中對(duì)信號(hào)的處理過程用Verilog HDL語(yǔ)言來編程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)由視頻信號(hào)均衡模塊、視頻信號(hào)解碼模塊、視頻幀存儲(chǔ)及重構(gòu)模塊、視頻輸出模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)主要模塊框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)組成框圖Fig.3 System frame composition diagram

3.1 信號(hào)均衡電路

在視頻信號(hào)的傳輸過程中，輸入信號(hào)的衰減程度不但與電纜長(zhǎng)度成正比，而且與頻率的平方根值也成正比[5]，HD-SDI的傳輸速率高達(dá)1.485Gbit/s，頻譜分布在4 GHz以上，經(jīng)過不同長(zhǎng)度的電纜傳輸以后，信號(hào)會(huì)不同程度的衰減，抖動(dòng)增大。因此，必須使用電纜均衡器，在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)對(duì)衰減信號(hào)進(jìn)行提升和補(bǔ)償，以滿足后續(xù)處理的要求。均衡器采用National的LMH0384，該芯片支持SMPTE 424 M及SMPTE 292M標(biāo)準(zhǔn)，以1.458 Gbps的速率傳送信號(hào)，傳送距離可達(dá)200 m。

3.2 解串電路

為實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的編輯處理，需要將串行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。由于高清數(shù)字視頻信號(hào)傳輸速率較高，數(shù)據(jù)量較大，對(duì)傳輸質(zhì)量要求嚴(yán)格，因此本設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)部完成相應(yīng)的功能模塊，無需其他外圍電路，保證視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

系統(tǒng)選用Xilinx公司的高性能FPGA芯片XC6VLX240T作為核心芯片。其內(nèi)部集成24個(gè)高速串行收發(fā)器（GTX），能以480 Mb/s～6.6 Gb/s的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)靈活編碼，占用很少的FPGA邏輯資源，非常適合實(shí)現(xiàn)HD-SDI信號(hào)的接受和發(fā)射，Xilinx公司提供的triple-rate SDI core IP具有支持SMPTE標(biāo)準(zhǔn)的HD-SDI的接收器和發(fā)射器接口，通過一個(gè)GTX參考時(shí)鐘頻率就可以確定傳入的SDI的比特率和配置，并完成信號(hào)解碼功能。均衡電路輸出一對(duì)差分信號(hào)，送入GTX接收器，通過對(duì)GTX接收器的控制，輸入的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成20bit的并行信號(hào)，同時(shí)輸出并行時(shí)鐘信號(hào)RXRECCLK，傳送到triple-rate SDI，完成視頻信號(hào)分量的提取及信號(hào)誤碼檢測(cè)和糾正。

根據(jù)輸入的時(shí)鐘頻率，進(jìn)行信號(hào)模式判斷，并輸出兩路10bit的信號(hào)，分別是HD-SDI信號(hào)里的亮度信號(hào)Y和色差信號(hào)C，以及基準(zhǔn)碼、行號(hào)等標(biāo)識(shí)信息，數(shù)據(jù)時(shí)序圖見圖4。

后解串后的并行信號(hào)進(jìn)行誤碼檢測(cè)和誤碼糾正（EDH），檢測(cè)并糾正傳輸及解碼過程中出現(xiàn)的誤碼，包括視頻標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)、循環(huán)冗余碼檢測(cè)、時(shí)鐘基準(zhǔn)誤碼檢測(cè)、鎖定誤碼檢測(cè)、輔助數(shù)據(jù)效驗(yàn)檢測(cè)HD信號(hào)行數(shù)誤碼檢測(cè)及對(duì)應(yīng)的糾正。最后將2路10bit的并行信號(hào)傳輸?shù)较乱荒K進(jìn)行處理，完成HDSDI數(shù)據(jù)流的解串。

3.3 視頻有效信號(hào)的獲取

每幀視頻信號(hào)中并非都是有效數(shù)據(jù)，因此在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)要將有效視頻信號(hào)分離出來。對(duì)于HD-SDI，每行有效信號(hào)數(shù)據(jù)起始端有定時(shí)基準(zhǔn)碼SAV，結(jié)束端有EAV。定時(shí)基準(zhǔn)碼由四個(gè)字組成，每個(gè)字為10比特，前三個(gè)字固定不變，為3FF 000 000，第四個(gè)字是由奇偶場(chǎng)F、場(chǎng)消隱V和行消隱H及保護(hù)比特Pi組成，Pi的狀態(tài)取決于F、V、H的狀態(tài)，其比特分配見表1。

F為0表示奇數(shù)場(chǎng)，1表示偶數(shù)場(chǎng)，V為1表示場(chǎng)消隱，0表示場(chǎng)有效，H為1表示在EAV中，0為SAV中。只有在這兩個(gè)標(biāo)志位之間的數(shù)據(jù)才是有效的視頻數(shù)據(jù)，要將其分離出來，構(gòu)造一個(gè)檢測(cè)電路，對(duì)定時(shí)基準(zhǔn)碼進(jìn)行檢測(cè)，代碼如下：

wireV_check=（ （R3==10'h3ff） && （R2== 10'h000）&&（R1==10'h000））?1：0；

always@（posedge CLK）

begin

R1_buf=V_DATA；R2_buf=R1；R3_buf=R2；

end

always@（negedge CLK）

begin

R1=R1_buf；R2=R2_buf；R3=R3_buf；

end

always@（posedge CLK）

begin

if（V_check==1）

begin

START=～V_DATA[6]；Field=V_DATA[8]；

end

當(dāng)檢測(cè)到三個(gè)存儲(chǔ)器的值為3FF、000、000時(shí)，V_check將會(huì)置1，然后存儲(chǔ)下一位數(shù)據(jù)XYZ，由表1可知，區(qū)分SAV和EAV是根據(jù)XYZ[6]來區(qū)分，區(qū)分奇偶場(chǎng)是根據(jù)XYZ[8]來區(qū)分，當(dāng)XYZ[6]的值為0即SAV時(shí)，START有效，系統(tǒng)開始采集視頻數(shù)據(jù)，完成有效數(shù)據(jù)的分離。

3.4 視頻信號(hào)的存儲(chǔ)及讀取

以四畫面合成為例，將四路1 920×1 080格式的高清視頻數(shù)據(jù)合成一路，每一路視頻畫面的有效像素點(diǎn)變換為原始數(shù)據(jù)的1/4，即為960×540，應(yīng)在垂直方向和水平方向上進(jìn)行1/2的抽值?？紤]到系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)單路信號(hào)的切換顯示，應(yīng)對(duì)每路視頻信號(hào)的全部有效數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)合成時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隔點(diǎn)和隔行的讀取即可。

在外部存儲(chǔ)芯片中，為每路信號(hào)預(yù)留出一幀圖像的存儲(chǔ)空間，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，四路信號(hào)各進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的寫入操作，并對(duì)其中的一路信號(hào)的存儲(chǔ)空間進(jìn)行一次讀操作，其仿真時(shí)序圖如圖5所示。

圖4 視頻數(shù)據(jù)流時(shí)序圖Fig.4 Video data flow sequence diagram

表1 視頻定時(shí)基準(zhǔn)碼比特分配Tab.1 Bit allocation of video timing reference number

圖5 視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取仿真時(shí)序圖Fig.5 Emulation sequence chart of video data storing and reading

數(shù)據(jù)的寫入操作按照每一路信號(hào)規(guī)定好的起始地址分別進(jìn)行地址累加寫入即可，四路高清視頻信號(hào)的存儲(chǔ)起始地址分別設(shè)為Aij、Bij、Cij、Dij，當(dāng)下一個(gè)數(shù)據(jù)寫入時(shí)，地址j自動(dòng)加1，當(dāng)j的值為1 919時(shí)，說明圖像中第一行的像素點(diǎn)寫入完畢，j數(shù)值清零，i數(shù)值增加1，進(jìn)行下一行數(shù)據(jù)的寫入，當(dāng)i為1 079，j為1 919時(shí)，即一幀圖像寫入完畢，i、j清零，進(jìn)行下一幀圖像的寫入。

根據(jù)畫面合成模式要求，對(duì)每路數(shù)據(jù)進(jìn)行隔點(diǎn)和隔行讀取，進(jìn)行組合，構(gòu)成1 920×1 080個(gè)有效像素?cái)?shù)據(jù)。合成視頻的有效數(shù)據(jù)的前540行由第一、第二路數(shù)據(jù)構(gòu)成，后540行由第三、第四路數(shù)據(jù)構(gòu)成。第一行數(shù)據(jù)前面960個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)由第一路A0j里的A00、A02、A04…A01918隔點(diǎn)抽取出構(gòu)成的，后960個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)由第二路B0j里隔點(diǎn)抽取構(gòu)成的。下一行則有A2j和B2j隔點(diǎn)抽取構(gòu)成。同理第541行是由第三路數(shù)據(jù)C0j和第四路數(shù)據(jù)D0j隔點(diǎn)抽取構(gòu)成，直至第1 080行，一并構(gòu)成新的一幀圖像里的有效數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)地址映射示意圖見圖6。

圖6 視頻數(shù)據(jù)合成地址映射圖Fig.6 Mapping of video data synthesis location

由于數(shù)據(jù)量較大，選用外部的存儲(chǔ)器件DDR3 SDRAM MT4JSF6464HY-1G1。利用Xilinx公司的存儲(chǔ)器接口生成器工具（MIG），在MIG工具的GUI圖形界面，根據(jù)存儲(chǔ)器件型號(hào)選擇相對(duì)應(yīng)的模板、總線寬度和速度級(jí)別，并設(shè)置CAS延遲、突發(fā)長(zhǎng)度、引腳分配等關(guān)鍵參數(shù)，即可生成控制器的RTL代碼（HDL代碼）和UCF文件（約束文件）。并且可以在代碼生成后靈活修改這些代碼，方便實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和重構(gòu)。

3.5 并串轉(zhuǎn)換電路

通過數(shù)據(jù)的緩存和重構(gòu)，對(duì)四路高清信號(hào)中的Y、C分量分別進(jìn)行了組合，將信號(hào)傳送至FPGA內(nèi)部的高速串行收發(fā)器GTX的發(fā)送器部分，并輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘頻率，通過對(duì)GTX發(fā)送器的控制，將輸入的20 bit并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，完成YC的復(fù)合處理。

3.6 幀信號(hào)消隱信息的添加

重構(gòu)數(shù)據(jù)要滿足高清HD-SDI并行分量信號(hào)所要求的格式輸出，則要在信號(hào)中構(gòu)造高清分量信號(hào)中的視頻定時(shí)基準(zhǔn)碼SAV、EAV，行消隱數(shù)據(jù)、場(chǎng)消隱數(shù)據(jù)，處理過程的流程圖如圖7所示。

圖7 HD-SDI幀信號(hào)構(gòu)造流程圖Fig.7 HD-SDI flow diagram of frame signal structure

3.7 視頻輸出

HD-SDI信號(hào)在輸出傳輸過程中會(huì)有不同程度的衰減，會(huì)導(dǎo)致阻抗失配、反射、信號(hào)損耗等，降低了信號(hào)的保真度。因此高清視頻信號(hào)的輸出端，設(shè)計(jì)高清視頻信號(hào)電纜驅(qū)動(dòng)器模塊，采用National的電纜驅(qū)動(dòng)器LMH0303，支持多種SMPTE標(biāo)準(zhǔn)并具有輸入信號(hào)丟失檢測(cè)功能，保證了高清視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是針對(duì)手術(shù)室內(nèi)的多路HD-SDI信號(hào)進(jìn)行的處理變換，對(duì)各路高清視頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)均衡、解串、有效視頻信號(hào)分離、存儲(chǔ)并重構(gòu)成一路高清視頻信號(hào)，傳送至高清視頻顯示屏，進(jìn)行多畫面的顯示。該設(shè)計(jì)在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約了設(shè)備資源，符合現(xiàn)代醫(yī)院數(shù)字化手術(shù)室對(duì)空間的要求，能夠滿足醫(yī)院高清晰度、全方位、多角度的手術(shù)室視頻觀看和研究的需要。

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Research on multiplex high definition video synthesis system for digital operating room

WEI Tao1，YANG Yongyong2，SHAO Lei3
1.Department of Medical Equipment，Shanghai Traditional Chinese Medicine Hospital，Shanghai 200071，China；2.Department of Engineering，Shanghai Medical Instruments Co.，Ltd，Shanghai 200093，China；3.Office of Scientific Research，Tongji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China

ObjectiveThe multiplex high definition video synthesis system for digital operating room is important for improving the quality of medical teaching and tele-surgery.MethodsTo solve the problems such as lower resolution and less visual angles of video in domestic operating room，a system of four HD-SDI video signals synthesis was designed，with the hardware structure of field-progtammable gatearray，and on-site tests were performed.ResultsThe system worked stably，and was convenient for operation.ConclusionDesigning and implementing multiplex high definition video synthesis system plays a vital role in the construction of digital operating room.

Digital operating room；High definition video synthesis；Field-progtammable gatearray

R197.39

A

2095-378X（2016）04-0281-06

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.04.016

2016-11-11）

魏 濤（1982—），男，本科，助理工程師，研究醫(yī)學(xué)裝備管理

邵 蕾，電子信箱：13818165282@163.com