基于Qt的自動(dòng)化分裝熱室控制界面設(shè)計(jì)①

張少偉,葛 斌,張 磊,魏凌軒,伍進(jìn)平

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(Positron Emission computed Tomography,PET)是一種進(jìn)行功能代謝顯像的分子影像學(xué)設(shè)備.PET檢查采用正電子核素作為示蹤劑,通過病灶部位對示蹤劑的攝取了解病灶功能代謝狀態(tài),從而對疾病作出正確診斷[1].由于示蹤劑具有很強(qiáng)的放射性,而且要根據(jù)病人病情確定不同的劑量,所以需要在分裝熱室內(nèi)對其進(jìn)行分裝.目前示蹤劑的分裝方法主要是傳統(tǒng)人工稀釋分裝[2],即操作人員需要戴著防輻射手套伸入分裝熱室內(nèi)部進(jìn)行操作,并透過觀察分裝儀的工作狀態(tài).如果長時(shí)間進(jìn)行操作,會(huì)對操作人員造成輻射性損傷,輕者可以導(dǎo)致失眠、掉發(fā)以及皮膚潰瘍,嚴(yán)重者甚至可以導(dǎo)致癌變[3].此外,目前很多醫(yī)院是采用先取樣分裝、再稀釋的方法,患者需要有幾種不同的劑量,就需要進(jìn)行幾次分裝,這使操作過程復(fù)雜,生產(chǎn)效率低.

一般情況下,可以通過以下三種辦法減少輻射:(1)時(shí)間防護(hù),縮短受照時(shí)間.(2)距離防護(hù),增大與輻射源的距離.(3)屏蔽防護(hù),人與源之間設(shè)置防護(hù)屏障,例如鉛板,鋼板或水泥墻屏蔽,保障安全[4].自動(dòng)分裝能代替手動(dòng)分裝實(shí)現(xiàn)以上三種辦法的防護(hù).自動(dòng)分裝是指在分裝熱室中,通過電機(jī)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對藥品的抓取、安裝定位、分裝藥液以及放回鎢罐等功能,能夠替代醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行分裝操作,這樣可以有效減少醫(yī)護(hù)人員所受到輻射劑量,并提高了稀釋分裝的生產(chǎn)效率.而自動(dòng)化分裝熱室上位機(jī)界面是實(shí)時(shí)監(jiān)控分裝熱室工作狀態(tài),并能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)構(gòu)運(yùn)行調(diào)節(jié)的人機(jī)交互控制中樞,是正確處理監(jiān)控信號(hào)、保障自動(dòng)化分裝熱室安全高效運(yùn)行的重要基礎(chǔ).因此,開展自動(dòng)化分裝熱室人機(jī)界面的研究對于提升人機(jī)效能、保障機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[5].

人機(jī)界面研究是人機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié),但是分裝熱室的發(fā)展較晚,目前對于自動(dòng)化分裝界面的研究仍處于起步階段.肖蓉川等設(shè)計(jì)一種稀釋分裝系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)部分自動(dòng)化分裝過程,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,自動(dòng)化程度不高,且控制界面功能單一,不能實(shí)時(shí)監(jiān)控分裝工作情況[6].陳守強(qiáng)等設(shè)計(jì)一種全隔離防護(hù)自動(dòng)稀釋分裝系統(tǒng),界面圖標(biāo)較小,容易導(dǎo)致誤操作,而且沒有保存全部病人數(shù)據(jù)等功能[7].

因此,本文基于Qt技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合流媒體技術(shù)和嵌入式技術(shù),設(shè)計(jì)了基于Qt的自動(dòng)化分裝熱室控制界面.該界面接收通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪h(yuǎn)端攝像頭信號(hào),進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻顯示,采用RGB-HSI空間亮度均衡算法對圖像進(jìn)行亮度均衡處理.并使用串口通訊協(xié)議通過藍(lán)牙與STM32F429開發(fā)板進(jìn)行連接,設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能控件對開發(fā)板進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,控制機(jī)械升降系統(tǒng)和機(jī)械手的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)分裝熱室核素劑分裝的自動(dòng)化控制.

1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)架構(gòu)

圖形用戶界面(Graphical User Interface,GUI),又稱圖形用戶接口,是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面[8].目前,人機(jī)GUI界面大多都是應(yīng)用微軟基礎(chǔ)類庫(Microsoft Foundation Classes,MFC)進(jìn)行制作,但大量的Windows API和消息機(jī)制使得其較難理解,而且模板設(shè)定了固定的結(jié)構(gòu),不方便進(jìn)行編程和維護(hù)[9].Qt最大的不同就在語法結(jié)構(gòu)簡單清晰,面向?qū)ο蟮奶匦泽w現(xiàn)的比MFC明顯[10].Qt模塊之間相互獨(dú)立,并為用戶提供了良好的封裝庫,特別是使用信號(hào)/槽機(jī)制來取代回調(diào)函數(shù),使用起來非常方便[11].因此,本系統(tǒng)基于Qt技術(shù)開發(fā)軟件,具有易維護(hù)、方便擴(kuò)展及開發(fā)靈活等特點(diǎn).系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖1.

圖1 軟件架構(gòu)圖

如圖1所示,自動(dòng)化分裝熱室控制界面主要分為4 個(gè)模塊:(1)登錄界面模塊:在使用軟件之間進(jìn)行身份驗(yàn)證,能夠保障病人信息與操作的安全性;(2)病人信息設(shè)置模塊:將每位病人的基本信息和使用劑量存儲(chǔ)起來,方便以后進(jìn)行查找;(3)視頻監(jiān)控模塊:實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)顯示.包括進(jìn)行視頻采集,通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到Qt界面,界面接收視頻信號(hào),進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示;(4)下位機(jī)串口通信模塊:實(shí)現(xiàn)Qt界面對機(jī)械系統(tǒng)控制.包括界面與STM32進(jìn)行藍(lán)牙連接,控制機(jī)械升降系統(tǒng)和機(jī)械手的運(yùn)行,停止與復(fù)位,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 登錄界面模塊

登錄模塊的主要功能是幫助操作員可以正確登錄到自動(dòng)化分裝熱室控制軟件的主界面當(dāng)中.打開軟件后,系統(tǒng)自動(dòng)彈出登錄界面,在用戶輸入正確用戶名和密碼后,即可進(jìn)入主界面,具有控制用戶權(quán)限、保護(hù)操作安全的作用.軟件通過調(diào)用MYSQL數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)用戶名和密碼,登錄時(shí)界面會(huì)將登錄信息發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行驗(yàn)證,數(shù)據(jù)庫返回驗(yàn)證結(jié)果.用戶也可以在登陸后的主界面中進(jìn)行用戶名和密碼的修改,實(shí)現(xiàn)其個(gè)性化操作.登錄界面如圖2所示.

圖2 登錄界面

2.2 病人信息設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊用于錄入病人的相關(guān)信息,并可以通過病人體重查詢到病人所需要注射的合適劑量.病人的信息設(shè)置包括病人病歷號(hào)、姓名、性別、年齡、體重、注射劑量以及入院時(shí)間等信息.病人的相關(guān)信息設(shè)置好以后可以保存在MYSQL數(shù)據(jù)庫中.病人信息設(shè)置窗口如圖3所示.

圖3 病人信息設(shè)置窗口

2.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控是本界面設(shè)計(jì)比較重要的一環(huán),設(shè)置監(jiān)控后,工作人員可以隨時(shí)查看分離熱室機(jī)械手以及分裝儀的工作狀態(tài),方便進(jìn)行必要的操作,保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全.

模塊采用STM32F429微處理器芯片為核心的開發(fā)板作為硬件平臺(tái),PC端操作系統(tǒng)選用Windows10操作系統(tǒng),采集端使用的攝像頭是WX151HD攝像頭,該攝像頭支持輸出最大為100萬像素的圖像(1280×720分辨率),支持使用VGA時(shí)序輸出圖像數(shù)據(jù).由于需要對視頻信號(hào)進(jìn)行無線傳輸,需要在視頻采集端搭建一個(gè)簡易通用性好的視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,這里使用了開源軟件Mjpg-streamer,能從攝像頭采集圖像,然后將圖像以流的形式通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絈t所設(shè)計(jì)的界面上[12].

2.3.1 建立 ARM 交叉編譯工具鏈

交叉開發(fā)環(huán)境是嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)時(shí)一個(gè)顯著特點(diǎn).為了能夠讓軟件Mjpg-streamer在STM32F429上運(yùn)行,需要交叉編譯器將高級(jí)計(jì)算機(jī)語言編寫的源程序翻譯成微處理芯片運(yùn)行的匯編語言.宿主機(jī)使用的是 Red Hat Enterprise Linux 6.3,建立編譯環(huán)境后,在Mjpg-streamer源碼目錄中,把所有Makefile使用armlinux-gcc交叉編譯器進(jìn)行編譯,生成各部分組件.然后將生成的組件移植到開發(fā)板中.

2.3.2 視頻監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)

為了能讓Qt界面能顯示攝像頭的圖像,需要在Qt界面文件添加一個(gè)QLabel標(biāo)簽類,重命名為display,用來顯示從攝像頭采集到的圖像.在多媒體中,Qt5常用的是QtMultimedia模塊,在模塊中有很多關(guān)于多媒體有關(guān)的類,顯示攝像頭圖像主要用到了QCamera類和QCameraViewfinder類,QCamera類主要用于接口相應(yīng)相機(jī)設(shè)備,QCameraViewfinder類是用來將采集到的信號(hào)顯示在建立的QLabel類中,稱為取景器.QCamera類有7種方法,本系統(tǒng)主要用到setPort函數(shù)設(shè)置攝像頭設(shè)備名,stop函數(shù)完成停止攝像頭的資源釋放以及接收到數(shù)據(jù)后需要到paintEvent函數(shù)中實(shí)現(xiàn)重繪[13].攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)特別占用主線程的資源,影響界面的運(yùn)行,因此將QCamera類繼承QThread類,并調(diào)用start()函數(shù),采用多線程來處理采集到的信息.

當(dāng)啟動(dòng) Qt界面后,按下“打開攝像頭”按鍵時(shí),觸發(fā)與之對應(yīng)的captureImage()函數(shù),函數(shù)創(chuàng)建camera對象,執(zhí)行start函數(shù)后攝像頭會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程,這個(gè)線程會(huì)執(zhí)行函數(shù)run中的內(nèi)容.這樣,視頻監(jiān)控的功能就能實(shí)現(xiàn)了.

2.3.3 TCP 客戶端程序設(shè)計(jì)

由于服務(wù)器使用的是TCP協(xié)議來傳輸圖像數(shù)據(jù)的,所以在Qt上也需要建立網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸.QT自有的QTcpSocket類可以用來實(shí)現(xiàn)TCP客戶端[14].QTcpSocket通過父類QAbstractSocket繼承了QIODevice.在QThread類的start()函數(shù)的子函數(shù)run()中,初始化一個(gè) TCP 服務(wù)器,調(diào)用 connectToHost連接服務(wù)器,然后調(diào)用waitForConnected判斷是否連接成功,使用bytesAvailable()函數(shù)來判斷是否有數(shù)據(jù)可讀,并通過函數(shù)的返回值確定一幀多少數(shù)據(jù)需要讀[10].所有程序?qū)懞煤?對程序進(jìn)行編譯運(yùn)行.電腦和開發(fā)板連接好網(wǎng)線,在編譯好的Qt界面里輸入IP地址和端口號(hào),點(diǎn)擊“網(wǎng)絡(luò)連接“按鈕,來自攝像頭的監(jiān)控畫面就能夠在Qt界面中顯示出來.圖4為自動(dòng)化分裝熱室控制界面.

圖4 自動(dòng)化分裝熱室控制界面

2.4 下位機(jī)通信模塊

在分裝熱室的自動(dòng)化控制中,需要將裝有空藥瓶的鎢合金藥罐通過機(jī)械升降系統(tǒng)升至指定高度,然后將藥罐蓋打開,機(jī)械手取出里面的空藥瓶,放在分裝儀下進(jìn)行核素劑分裝,待分裝儀分裝好以后,將裝滿核素劑的藥瓶放回藥罐中,藥罐蓋好,最后升降系統(tǒng)降落到初始位置,這樣就完成了核素劑的整個(gè)分裝過程.使用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)裝有行程開關(guān),系統(tǒng)上電以后可以按照規(guī)定的程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn).因此,在上位機(jī)操作界面上只需控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行、停止、復(fù)位以及其他輔助功能.圖5為自動(dòng)化分裝熱室結(jié)構(gòu)示意圖.

2.4.1 HC-05 藍(lán)牙模塊以及與 STM32 的連接

為了實(shí)現(xiàn)其控制,需要將上位機(jī)通過串口與STM32 進(jìn)行連接,Qt界面需要設(shè)計(jì)控制按鈕,以及運(yùn)行狀態(tài)反饋顯示,通過給STM32發(fā)送指令,從而控制分裝熱室自動(dòng)化的運(yùn)行狀態(tài).藍(lán)牙作為一種短距離的無線通訊技術(shù),只要在有效范圍內(nèi),可以穿透不同的物質(zhì),不限角度進(jìn)行設(shè)備間的互聯(lián),方便性大大增強(qiáng),具有效率高、準(zhǔn)確性好等特點(diǎn)[15].因此,本文選用藍(lán)牙HC-05模塊與STM32進(jìn)行連接,免去了傳統(tǒng)串口線的束縛,增加了系統(tǒng)的實(shí)用性.

圖5 自動(dòng)化分裝熱室結(jié)構(gòu)示意圖

HC-05具有三種工作模式:主(Master)、從(Slave)和回環(huán)(Loopback),擁有十分寬泛的可調(diào)范圍.它與嵌入式設(shè)備(STM32)連接時(shí),模塊兼容性非常好[16].HC-05擁有USART(同步/異步收發(fā)器)接口和射頻輸出,與STM32能夠直接連接,不需要轉(zhuǎn)換電路.用戶通過USART發(fā)動(dòng)AT指令并通過射頻單元發(fā)送出去.連接時(shí),藍(lán)牙模塊的接收端(RXD)與STM32的發(fā)送端(TXD)相連接,藍(lán)牙模塊的發(fā)送端(TXD)與STM32的接收端(RXD)相連接.圖6為STM32與HC-05連接電路圖.

2.4.2 STM32 的串口操作

電路接好以后,需要對單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫才能實(shí)現(xiàn)串口通信,對STM32的串口操作步驟如下:

(1)打開GIPO的時(shí)鐘使能和USART的時(shí)鐘使能;

(2)設(shè)置串口IO的IO口模式(輸入是模擬輸入,輸出為復(fù)用推挽輸出);

(3)初始化USART(包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)長度、停止位、校驗(yàn)位等);

(4)進(jìn)行中斷接收,設(shè)置NVIC并打開中斷使能(設(shè)置它的中斷優(yōu)先級(jí)).

本系統(tǒng)使用的是USART1,所以采用USART復(fù)用I/O口PA9作為串口發(fā)送引腳(TXD),PA10作為串口接收引腳(TXD),并對兩個(gè)引腳GPIO的配置.在初始化USART1中,需要設(shè)置波特率為9600,8位數(shù)據(jù)位,無校驗(yàn)位,1 位停止位.采用中斷來接收和發(fā)送數(shù)據(jù),而本文要使用 USART1 的中斷函數(shù)叫做:void USART1_IRQHandler(void).在函數(shù)里使用 USART 兩個(gè)中斷UASRT_IT_RXNE(接收緩存空中斷)和USART_IT_TXE(發(fā)送緩存空中斷),一個(gè)設(shè)備的所有中斷包含在一個(gè)中斷服務(wù)中,因此使用USART_GetITStatus()來確定是哪一個(gè)中斷.確定中斷類型后,采用 USART_SendDate()發(fā)送數(shù)據(jù),USART_ReceiveDate()接收數(shù)據(jù),最后使用USART_GetITStatus()函數(shù)獲取中斷狀態(tài)標(biāo)志,來確定數(shù)據(jù)是否發(fā)完,將編輯好的程序進(jìn)行編譯并進(jìn)行燒寫.

圖6 STM32 與 HC-05 電路圖

2.4.3 Qt界面串口協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

在Qt控制界面的設(shè)計(jì)上,為了能夠與STM32進(jìn)行串口通信,需要使用QtSerialPort模塊,該類繼承于QIODevice類,提供操作串口所需要的變量和函數(shù).當(dāng)前的QtSerialPort模塊中提供了兩個(gè)C++類,分別是QSerialPort類和 QSerialPortInfo 類[17].QSerialPort類提供了操作串口的各種接口.QSerialPortInfo 類是一個(gè)輔助類,可以提供計(jì)算機(jī)中可用串口的各種信息[18].在具體程序中,首先需要用QSerialPort 類創(chuàng)建一個(gè)串口currentport,設(shè)定其波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等基本串口參數(shù),然后使用QSerialPortInfo幫助類獲取系統(tǒng)上可用的串口的信息,可以枚舉系統(tǒng)上存在的所有串口,獲取串口的正確名稱.最后傳遞一個(gè)該類的對象作為setPortName方法的參數(shù)指定想要訪問的串口設(shè)備.在設(shè)置完串口后,以讀寫模式調(diào)用open(QIODevice::ReadWrite)方法打開串口,實(shí)現(xiàn)串口的準(zhǔn)備工作.為了識(shí)別串口是否成功打開,在函數(shù)中加入if()語句進(jìn)行判斷,并將識(shí)別出來的狀態(tài)通過StatusBar狀態(tài)欄顯示出來.

3 視頻圖像的亮度均衡處理算法

當(dāng)攝像頭放入熱室進(jìn)行圖像采集時(shí),由于熱室是點(diǎn)光源進(jìn)行照明,攝像頭采集到的圖像會(huì)出現(xiàn)亮度跨度較大的現(xiàn)象,因此需要對圖像的亮度進(jìn)行均衡.亮度均衡是指由于光照不均勻或者攝像頭曝光不足,使得圖像中目標(biāo)物體和背景亮度不均勻,給圖像識(shí)別造成很大干擾[19].因此采用特定的算法或方法,對圖像中亮度過高或過低的部分進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)圖像的亮度均衡.

彩色圖像可以采用RGB或HSI等顏色模型來描述,它們之間存在著嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系,可以相互轉(zhuǎn)換.因?yàn)镠IS顏色空間中的分量I代表圖像的亮度(Instensity),和圖像的色彩信息無關(guān),可以在不改變圖像色彩的情況下進(jìn)行亮度均衡.HIS顏色模型反應(yīng)了人的視覺系統(tǒng)觀察彩色的方式,優(yōu)勢在于將顏色信息和灰度信息分開了[20].因此本文對圖像進(jìn)行RGB和HSI空間互相轉(zhuǎn)換,然后對HIS顏色模型中的分量I進(jìn)行直方圖均衡,然后再轉(zhuǎn)換成RGB顏色模型,從而實(shí)現(xiàn)圖像的亮度均衡.

HSI顏色模型是描述景物的另外一種顏色模型,即用色調(diào)、飽和度、亮度來表示[21].色調(diào)(Hue)分量是描述顏色的波長,飽和度(Saturation)分量是描述顏色的深淺程度,亮度(Instensity)分量描述顏色的亮暗程度[22].常用的RGB-HSI轉(zhuǎn)換公式大概有5種,包括幾何推導(dǎo)法、坐標(biāo)變換法、分段定義法、Bajon近似法和標(biāo)準(zhǔn)模型法[23].其中幾何推導(dǎo)法與HIS錐形空間相對應(yīng),相比較以上幾種轉(zhuǎn)換算法,幾何推導(dǎo)法對顏色的分辨率高且逆向還原最為精確[24].因此,本文使用幾何推導(dǎo)法對圖像進(jìn)行處理.

3.1 亮度均衡算法原理[25]

RGB彩色格式的圖像,每個(gè)RGB像素的色調(diào)H分量可用下式得到:

其中,

飽和度S分量可用下式得到:

亮度I分量可用下式得到:

當(dāng)轉(zhuǎn)換成HIS色彩空間后,需要對分量I進(jìn)行直方圖均衡.直方圖均衡化公式為:

其中,n是圖像中像素的總和,nj是當(dāng)前灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù),L是圖像中可能的灰度級(jí)總數(shù).

在進(jìn)行直方圖均衡以后,需要把HIS轉(zhuǎn)換成RGB,這樣圖像能重新顯示在屏幕上.HIS-RGB轉(zhuǎn)換公式可由下式得到:

(1)當(dāng)H在之間:

(2)當(dāng)H在之間:

(3)當(dāng)H在之間:

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

在基于Qt制作的監(jiān)控系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)圖像由RGB-HIS空間的轉(zhuǎn)換,需要對圖像進(jìn)行一幀一幀的處理,通過 QCameraImageCapture::CaptureToBuffer截取視頻的每一幀圖像.在一幀的圖像中,通過QImage類pixel函數(shù)得到每個(gè)像素的RGB顏色值,聲明函數(shù)RGBtoHIS()函數(shù),定義 float型 6 個(gè)變量,按照 RGBHIS公式進(jìn)行公式的輸入,在有分?jǐn)?shù)的地方需要建立判別式,以確保分母不能為0,頭文件里需要包含#include "cmath".之后調(diào)用函數(shù)為即可得到每個(gè)像素的HIS分量值.

得到每個(gè)像素的 HIS 分量值后,typedef struct定義存放HIS空間分量的結(jié)構(gòu)體,申請一個(gè)二維結(jié)構(gòu)體數(shù)組,用來存放每個(gè)像素轉(zhuǎn)換成HIS三分量的值.然后將I分量提取出來計(jì)算頻率和每個(gè)數(shù)量級(jí)出現(xiàn)的概率,根據(jù)公式對概率累加并計(jì)算均值,實(shí)現(xiàn)對I分量均衡化需要.最后,同樣聲明函數(shù) HIStoRGB()函數(shù),定義float型6個(gè)變量,按照HIS-RGB公式進(jìn)行表達(dá)式的輸入.將HIS轉(zhuǎn)換成RGB,這樣圖像能重新顯示在屏幕上.

3.3 處理結(jié)果

3.3.1 亮度直方圖評價(jià)

圖像經(jīng)過處理后的效果圖如圖7所示.

圖7 圖像處理后的效果圖

圖7中,圖7(a)是沒有經(jīng)過亮度均衡得到的圖像,從圖像上能很明顯看出,特別在方框標(biāo)記的區(qū)域內(nèi),圖片顯得有些模糊不清,且亮度不均衡,影響到操作者觀察的清晰度.而圖7(b)是經(jīng)過亮度均衡得到的圖像,圖像經(jīng)過處理后,圖像變得清晰,亮度也變得均衡很多.同樣,圖7(c)處理前的亮度直方圖亮度主要集中在0.3–0.7 之間,亮度呈現(xiàn)出不均衡的狀況.而圖 7(d)處理后的亮度直方圖中可以看出,亮度分布變得均衡很多,每個(gè)亮度級(jí)都有分布.

3.3.2 平均梯度與信息熵評價(jià)

為了定量評價(jià)圖像的增強(qiáng)效果,這里選用平均梯度和信息熵兩種方法來評價(jià)處理前后圖像的改進(jìn)效果.

(1)平均梯度

圖像平均梯度是指把整個(gè)圖像的梯度和平均分到每個(gè)像素上的均值.可以敏感的反映圖像的清晰度和紋理變化,平均梯度越大說明圖像越清晰.平均梯度的計(jì)算公式為[26]:

其中,M×N表示圖像的大小,表示水平方向的梯度,表示垂直方向的梯度.

(2)信息熵

信息熵是一種特征的統(tǒng)計(jì)形式,它反映了圖像中平均信息量的多少.一張清晰的圖像所包含的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不清晰的圖像,因此可以作為評價(jià)圖像的一個(gè)量化指標(biāo).信息熵越大說明圖像越清晰.信息熵的計(jì)算公式為[27]:

其中,p(ai)是序號(hào)為i的圖像灰度出現(xiàn)的歸一化頻率.

因此,根據(jù)上述兩個(gè)指標(biāo)公式,應(yīng)用Matlab軟件可以求出圖7中原始圖像與處理后圖像的平均梯度和信息熵,處理結(jié)果如表1所示.

表1 圖像質(zhì)量評價(jià)結(jié)果

從表1可以看出,本文所提出的RGB-HSI空間亮度均衡算法,圖像的平均梯度從68.34提高到了82.15,信息熵從7.40提高到了7.64,圖像的清晰度得到了明顯提高.

根據(jù)以上的對評價(jià)結(jié)果,使用RGB-HSI空間亮度均衡算法進(jìn)行處理能使視頻亮度變得更加均衡,清晰化程度高,能大大提高工作人員辨識(shí)分裝熱室情況的清晰度和操作的準(zhǔn)確性,從而提高分裝熱室自動(dòng)化控制效率.

4 系統(tǒng)性能測試

在軟件開發(fā)過程中測試是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié),是產(chǎn)品發(fā)布并且提交給用戶的穩(wěn)定化階段[28].在測試中可以發(fā)現(xiàn)軟件的缺點(diǎn)與不足,及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)和修正,從而提高軟件的實(shí)用性與準(zhǔn)確性.

4.1 視頻延時(shí)特性測試

監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象.這是由于視頻信號(hào)經(jīng)攝像頭采集后需要通過視頻電纜,編碼器以及輸出設(shè)備等環(huán)節(jié).延時(shí)的原因有很多,主要有幾個(gè)方面的原因:(1)編碼效率.(2)解碼設(shè)備的性能.(3)傳輸鏈路和設(shè)備[29].因此,在設(shè)備條件不能改變的前提下,可以通過提升軟件性能來減少延時(shí)現(xiàn)象.本軟件與目前常用的監(jiān)控軟件MiniVCap和VCam進(jìn)行了延時(shí)測試.系統(tǒng)測試的環(huán)境:CPU 為 Intel i7-7600HQ,顯卡NVIDAIA+2G顯存.所采集視頻圖像分辨率為1280×720,幀率 30 f/s.測試方法為電腦打開秒表,將攝像頭和電腦進(jìn)行連接,并用軟件顯示出監(jiān)控畫面,將攝像頭對準(zhǔn)秒表,把整個(gè)屏幕截圖,計(jì)算出兩個(gè)秒表之間的絕對值,即為延時(shí)時(shí)間.測試結(jié)果如圖8所示.

圖8 延時(shí)特性測試結(jié)果

通過圖8可以看出,在使用三種不同類型的攝像頭情況下,本軟件視頻延時(shí)都明顯比MiniVCap和VCam軟件延時(shí)低,減少了17%左右.這是因?yàn)橥ǔＧ闆r下,應(yīng)用程序都是在一個(gè)線程中執(zhí)行操作.當(dāng)調(diào)用耗時(shí)操作時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象,影響畫面的流暢質(zhì)量.但是本軟件使用多線程,將監(jiān)控視頻顯示和其他操作分離,置于一個(gè)新的線程,提高了應(yīng)用程序的相應(yīng)速度.

4.2 CPU占有率測試

CPU的占有率是檢測一個(gè)軟件性能好壞的重要指標(biāo),反應(yīng)軟件的運(yùn)行的時(shí)間特性與任務(wù)狀態(tài)[30].因此,本軟件與目前常用的監(jiān)控軟件MiniVCap和VCam進(jìn)行了CPU占有率對比測試.測試選用三種攝像頭,分辨率分別是480P、720P和1080P.占有率分6個(gè)時(shí)間段進(jìn)行測量,分別是監(jiān)控開始的 10 s、20 s、40 s、80 s、160 s和 320 s,測量以后取平均值作為測量的結(jié)果.在相同的測試環(huán)境下,測試結(jié)果如圖9所示.

通過圖9可以明顯的看出:在使用三種不同類型的攝像頭情況下,本軟件CPU占有率都明顯比MiniVCap和VCam軟件CPU占有率低.因此,在實(shí)現(xiàn)相同功能的情況下,本軟件明顯比其他同類軟件的CPU占有率低,這樣不會(huì)過多的占用處理器時(shí)間,有效的提高了計(jì)算機(jī)的整體性能.

系統(tǒng)測試結(jié)果表明:本界面基于Qt技術(shù)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了功能可擴(kuò)展和人機(jī)交互的友好界面功能,并很好的提高了應(yīng)用程序的相應(yīng)速度,相比常用的監(jiān)控軟件,視頻延時(shí)和CPU占有率都有明顯的降低.

圖9 CPU 占用率測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的界面優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)思維創(chuàng)新:本文在實(shí)現(xiàn)原有手動(dòng)分裝核素劑功能的基礎(chǔ)上,提出了一種自動(dòng)化分裝熱室實(shí)現(xiàn)方案,并設(shè)計(jì)了基于Qt的自動(dòng)化分裝熱室控制界面.該界面能很好實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和對STM32F429單片機(jī)的指令操作,如果在單片機(jī)上搭建好分裝機(jī)械系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化分裝核素劑的功能.這樣既能減少醫(yī)護(hù)人員所接收的輻射劑量,又能較好的減輕工作負(fù)擔(dān),提高工作效率,使分裝核素劑變得更安全更有效.

(2)技術(shù)創(chuàng)新:本文基于Qt技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一個(gè)功能可擴(kuò)展的用戶終端.實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的友好界面功能,使界面簡潔,重點(diǎn)內(nèi)容突出,并采用多線程技術(shù),很好的提高了應(yīng)用程序的相應(yīng)速度,相比常用的監(jiān)控軟件,視頻延時(shí)和CPU占有率都有明顯的降低.

總之,本文的自動(dòng)化分裝熱室控制界面將人機(jī)交互界面、藍(lán)牙通訊和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃屡d技術(shù)融為一體,具有很大的實(shí)用性,在未來分裝熱室實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過程中肯定會(huì)有很大的發(fā)展.然而要實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能完善、界面友好的系統(tǒng)還有很多工作要做,比如分裝機(jī)械系統(tǒng)需要進(jìn)一步設(shè)計(jì),界面功能還需要完善等等,根據(jù)用戶的需要進(jìn)行完善和改進(jìn),為用戶提供更方便實(shí)用的系統(tǒng).