本文選題：激光散斑血流成像　切入點(diǎn)：算法　出處：《華中科技大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：激光散斑血流成像(LSI,Laser Speckle Imaging)是一種非侵入的、無需掃描的全場光學(xué)高分辨成像技術(shù),能夠用于術(shù)中血流實(shí)時(shí)監(jiān)測,皮膚疾病治療效果評(píng)估,視網(wǎng)膜血流監(jiān)測等。實(shí)時(shí)快速的激光散斑血流成像系統(tǒng)具有重大意義,但是激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理計(jì)算量過高,因此,實(shí)時(shí)快速的激光散斑血流成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)面臨很大挑戰(zhàn)。本文的主要目的是在數(shù)據(jù)處理算法上進(jìn)行優(yōu)化、采用并行計(jì)算、研制專用硬件處理器等方法,實(shí)現(xiàn)激光散斑血流成像數(shù)據(jù)快速處理分析；基于激光散斑血流成像專用硬件處理器,研制出一種激光散斑血流成像的SoC (System on Chip)系統(tǒng)；并進(jìn)一步在SoC系統(tǒng)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)無線傳輸功能,研制出一種微型激光散斑血流成像系統(tǒng)。本文的內(nèi)容包括： (1)對(duì)運(yùn)行在CPU上的激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行優(yōu)化,提出了更加快速的數(shù)據(jù)處理算法,該算法不僅在速度上提高約14%,而且在內(nèi)存需求上,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于已有的優(yōu)化算法。此外,采用多核計(jì)算技術(shù),進(jìn)一步地提升激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法的性能。 (2)采用具備高性能通用計(jì)算能力的GPU (Graphics Processing Unit)加速激光散斑血流成像數(shù)據(jù)的分析處理。提出了一種優(yōu)化的基于GPU的激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法。相對(duì)于已有的算法,新算法的計(jì)算量由原來的O(n2)降到了現(xiàn)在的O(2n)。當(dāng)用于數(shù)據(jù)分析的空間窗口的尺寸取5到17時(shí),可以獲得約1到4倍的速度提升。另外,本文還提出了一種使用多GPU加速激光散斑圖像數(shù)據(jù)處理的方法。 (3)提出了一種適合硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法。該算法可以通過FPGA上的電路單元來實(shí)現(xiàn)。基于該算法,我們采用流水線技術(shù)和對(duì)稱并行構(gòu)架,設(shè)計(jì)出了一種用于激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理的專用硬件處理器。當(dāng)該專用硬件處理工作在130MHz時(shí),每秒可以處理約85幀640×480尺寸大小的原始散斑圖像。進(jìn)一步,基于該專用硬件處理器,提出了一種用于激光散斑血流成像的SoC(System on Chip)方案,該SoC設(shè)計(jì)把CCD相機(jī)控制器,內(nèi)存控制器,激光散斑成像專用硬件處理器,LCD顯示控制器等電路單元集成到了一個(gè)FPGA芯片中。稍加修改,該SoC方案有望進(jìn)一步用于制造一種激光散斑血流成像系統(tǒng)的集圖像采集,分析處理和結(jié)果顯示于一體的專用集成電路(ASIC, Application Specific Integrated Circuit)。 (4)基于前述SoC,把系統(tǒng)中的圖像采集和傳輸部分分離出來,圖像數(shù)據(jù)采用無線傳輸,設(shè)計(jì)出了一種微型激光散斑血流成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)的圖像采集及傳輸部分采用微型化設(shè)計(jì),可以直接固定在處于非麻醉狀態(tài)大鼠的頭部及背部。其中,為了進(jìn)一步節(jié)約電路資源,減小電路體積,專門為這個(gè)微型的激光散斑成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)輕量級(jí)的CPU。
[Abstract]:Laser Speckle imaging is a non-invasive, non-scanning, full-field optical high-resolution imaging technique, which can be used for real-time monitoring of intraoperative blood flow and evaluation of therapeutic effects of skin diseases. Real time and fast laser speckle flow imaging system is of great significance, but the calculation of laser speckle blood flow imaging data processing is too high, so, The realization of real time and fast laser speckle flow imaging system is facing a great challenge. The main purpose of this paper is to optimize the data processing algorithm, adopt parallel computing, develop special hardware processor, etc. Based on the special hardware processor of laser speckle blood flow imaging, a SoC system on Chip system for laser speckle blood flow imaging is developed, which is based on the SoC system. A micro laser speckle blood flow imaging system is developed to realize the wireless transmission of image data. The contents of this paper are as follows:. 1) the data processing algorithm of laser speckle flow imaging running on CPU is optimized, and a faster data processing algorithm is proposed. The algorithm not only improves the speed by about 14%, but also requires more memory. In addition, the performance of laser speckle flow imaging data processing algorithm is further improved by using multi-core computing technology. In this paper, GPU Graphics Processing Unit, which has high performance and universal computing ability, is used to accelerate the analysis and processing of laser speckle flow imaging data. An optimized algorithm for processing laser speckle blood flow imaging data based on GPU is proposed. The computational complexity of the new algorithm has been reduced from the original one to the present one. When the size of the spatial window for data analysis is 5 to 17:00, the speed can be increased by about 1 to 4 times. A method of accelerating the processing of laser speckle image using multiple GPU is also presented in this paper. (3) A real-time laser speckle flow imaging data processing algorithm suitable for hardware implementation is proposed. The algorithm can be implemented by circuit unit on FPGA. Based on this algorithm, we adopt pipeline technology and symmetric parallel architecture. A special hardware processor for laser speckle flow imaging data processing is designed. When the special hardware processing works at 130 MHz, it can process about 85 frames of original speckle images of 640 脳 480 sizes per second. Based on the special hardware processor, a scheme of SoC(System on Chip for laser speckle flow imaging is proposed. The SoC designs the CCD camera controller and the memory controller. The special hardware processor for laser speckle imaging, such as LCD display controller, has been integrated into a FPGA chip. With some modifications, the SoC scheme is expected to be further used to produce an image collection system for laser speckle blood flow imaging system. ASIC, Application Specific Integrated Circuit, which are integrated with analytical processing and result display. Based on the above SoC, the image acquisition and transmission part of the system is separated, and the image data is transmitted wirelessly. A micro laser speckle blood flow imaging system is designed. The image acquisition and transmission part of the system is designed in miniature. In order to save circuit resources and reduce circuit volume, a lightweight CPU was designed for this miniature laser speckle imaging system.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R310;TP391.41

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1576090