攝像頭設計挑戰

　　內窺鏡所用圖像傳感器和模擬電路系統的電源噪聲容限較低。雖然電源是通過CCU的長電纜輸送到攝像頭上的，但攝像頭中另安排有電源穩壓和濾波電路，以保持攝像頭系統實現無尖峰的穩定供電。電源穩壓必須精心設計，因為電流通過長電纜所產生的阻抗會自動產生電壓尖峰。在典型的系統中，電壓尖峰可通過穩壓來減輕，方法是在PCB板上安置大電容和在PCB板上增加大電容和旁路電容。此外，增加電容量還有助于減少邏輯器件等板載本地開關電路產生的噪音。但是，在內窺鏡攝像頭這樣的小型系統中，在PCB上安置大電容顯然不適合，也沒有足夠的空間在組件周邊安置更多的電容。

　　最小化電源噪聲的最佳解決方案是和減少攝像頭中邏輯器件消耗的電量，這樣就能限制電源突波和流經電源電纜中開關電流的大小，從而降低系統的本地噪聲。

　　在選擇內窺鏡攝像頭中采用的中央圖像處理器時，一種解決方案需要實現多個ASSP和/或DSP處理器才能支持這些功能；但是，該些實現方案難以充分利用PCB板的板面布局。但單芯片解決方案是更好的解決方案，FPGA技術能以最佳的性價比為內窺鏡系統的開發人員提供低功耗的單芯片解決方案。

　　攝像機控制單元

　　CCU通過DVI或者SDI接口從攝像頭接收RGB或YUV格式的圖像數據，然后執行可增強圖像質量的任意組合的處理步驟。專用圖像處理器件通常用于在最低延遲水平下以高分辨率提供優化的圖像質量。

　　
圖3典型CCU的功能方框圖

　　第一階段的圖像增強特性一般包括：（1）降噪；（2）邊緣增強；（3）寬泛的動態范圍校正。

　　在圖像增強階段之后是用戶控制的圖像調整，一般包括：（1）數字縮放；（2）視頻轉換器；（3）靜態圖像捕獲。

　　通常情況下，不僅可將處理器用來管理數據流和控制CCU的算法和功能，而且還能監控至攝像頭、圖像管理單元和顯示器的通信。

　　降噪：保持視頻的清晰對內窺鏡系統而言至關重要。在CCU中使用降噪算法，以實現進一步的改進。在使用較低幀速率的小型應用中，降噪算法在提升圖像質量方面發揮著關鍵性的作用。時間降噪即基于運動的降噪技術通常最適合于需要解決運動問題的內窺鏡應用。如，在某些特定應用領域，我們可采用空間降噪技術。在空間降噪中，可對噪聲進行逐幀檢測和糾正，但這項技術會降低圖像的清晰度，因此可能需要混合采用空間/時間濾波器。

　　邊緣增強

　　對于內窺鏡而言，邊緣增強是一種非常重要的圖像處理技術，因為其能幫助醫生更全面地查看組織中的非正常現象。內窺鏡可充分利用各種邊緣增強技術。索貝爾算子和雙邊濾波器是兩種最常用的實現方案。

　　寬動態范圍校正

　　寬動態范圍（WDR）是指影像系統在各影像內明暗度差別很大的情況下提供清晰影像的能力。由于內窺鏡一般采用的設置是在亮前景和暗背景下采集圖像。WDR處理算法構成了系統的關鍵性組件。WDR處理器模塊越接近傳感器，對最終圖像質量的影響就越大。但是為了克服攝像頭在功耗和器件密度方面受到的制約，設計人員需要考慮將WDR處理放置在CCU中。

　　數字縮放

　　在內窺鏡系統中，縮放功能是一項非常重要的功能，可以讓醫生更加清晰地查看對象。數字縮放會以犧牲部分分辨率為代價而增大圖像的尺寸。

　　視頻轉換器

　　視頻轉換器的作用是把視頻流映射為對接收設備適合的深度位寬比和分辨率。如圖3所示，CCU可將視頻流輸出到本地顯示器和圖像管理單元。本地顯示器的分辨率和深度位寬比可以比原始視頻格式低得多，這樣視頻轉換器就可以根據顯示設備的要求相應調整視頻，并將視頻流直接傳輸至圖像管理單元。