基于CUDA的4K超高清内窥镜图像处理算法研究
发布时间：2021-03-31 17:33
作为疾病诊疗的有效手段,内窥镜可以帮助医生精确地发现病灶并进行手术治疗,具有很高的临床应用价值。随着4K时代的到来,将4K技术应用于内窥镜可以使成像更加清晰,色彩更加丰富,让治疗更加精准有效。但4K图像具有1080P的4倍数据量,实现4K视频的实时显示与处理具有很大的挑战性。本论文研发了一套基于Core-i7八代处理器,Quadro P1000 GPU的超高清内窥镜软件系统,实现了 3840*2160分辨率图像的30fps实时采集、解码、处理与显示。本文首先基于DirectShow流媒体框架捕获4K内窥镜的视频数据,并将捕获的MJPEG压缩数据经CPU/GPU的异构平台实时解码,最后将显存的RGBA数据送至OpenGL的纹理内存进行渲染显示,图像的捕获,JPEG解码,图像处理以及显示框架都经过充分的优化以最大限度的降低其延迟。其次为了实现4K实时图像处理,本文基于Sobel算子在CUDA编程框架上进行了优化实验,以设计与验证CUDA在并行化编程上的优化策略,并对轮廓增强算法从线程配置、内存访问模式以及精简运算操作等方面进行了优化加速。最后本文设计了视频去噪算法,极大的降低了随机噪声的同...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２扩展图像灰度范围，减少过度曝光的图像区域??日本的奥林巴斯于２０１５年发布第一款整合４Ｋ技术的手术内镜产品ＶＩＳＥＲＡ??４ＫＵＨＤ，包括摄像系统、超高清氣光源、超高清液晶显示器以及摄像头
??的辨认，以及操作的准确性和精确性，总体上光学成像与手术的安全性密切相关。??对于超高清腹腔镜，前端的光学结构部分对于整个系统的成像质量有着决定性的??影响，为了满足实际的医学应用需求，其光学系统需满足大视尝小孔径、光学??长度长和景深大的特性。对于本论文的４Ｋ腹腔镜系统，要求视场角为９０°，景??深１５－１００ｍｍ，外径１０ｍｍ。一个完整的腹腔镜光学系统包物镜、中继系统、目镜，??物镜实现体内器官的大视场成像功能，中继系统能延长光路，并提供转像功能，??目镜实现医生的目视观察。图１．３是一个最基础的腹腔镜光学系统示意图［１２］，中??继系统由于和成像原理关系不大故未标出。??入曈?物镜?丨：１镜?出瞳??＇?Ｔ?１?Ｔ＂??－Ｌ?丨?ｎ?ｎ，??图１．３含有目镜的腹腔镜光学系统示意图??上述光学系统是早期人眼直接观察腹腔镜所设计的，所以在系统中设计了目??镜。而随着ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等光电成像器件以及高分辨率显示屏的发展，采用显示屏??观察已是大势所趋，并且也从低分辨率逐渐发展到１０８０Ｐ全高清，如今４Ｋ分辨??率也逐渐开始普及。这需要通过取消目镜，而将腹腔镜设计简化为腹腔镜物镜、??中继系统、等效显微物镜三个部分［１３］，如图１．４所示：??—次成?二次成?二８：成?四次成?像《??厂?Ｎ．?Ｓｉｆｌ??ｉ???场?ｙ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?，??Ｉ??＿?额?三组转像系绞?錄物辕??图１．４显微物镜的腹腔镜光学系统原理图??３??
??的辨认，以及操作的准确性和精确性，总体上光学成像与手术的安全性密切相关。??对于超高清腹腔镜，前端的光学结构部分对于整个系统的成像质量有着决定性的??影响，为了满足实际的医学应用需求，其光学系统需满足大视尝小孔径、光学??长度长和景深大的特性。对于本论文的４Ｋ腹腔镜系统，要求视场角为９０°，景??深１５－１００ｍｍ，外径１０ｍｍ。一个完整的腹腔镜光学系统包物镜、中继系统、目镜，??物镜实现体内器官的大视场成像功能，中继系统能延长光路，并提供转像功能，??目镜实现医生的目视观察。图１．３是一个最基础的腹腔镜光学系统示意图［１２］，中??继系统由于和成像原理关系不大故未标出。??入曈?物镜?丨：１镜?出瞳??＇?Ｔ?１?Ｔ＂??－Ｌ?丨?ｎ?ｎ，??图１．３含有目镜的腹腔镜光学系统示意图??上述光学系统是早期人眼直接观察腹腔镜所设计的，所以在系统中设计了目??镜。而随着ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等光电成像器件以及高分辨率显示屏的发展，采用显示屏??观察已是大势所趋，并且也从低分辨率逐渐发展到１０８０Ｐ全高清，如今４Ｋ分辨??率也逐渐开始普及。这需要通过取消目镜，而将腹腔镜设计简化为腹腔镜物镜、??中继系统、等效显微物镜三个部分［１３］，如图１．４所示：??—次成?二次成?二８：成?四次成?像《??厂?Ｎ．?Ｓｉｆｌ??ｉ???场?ｙ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?，??Ｉ??＿?额?三组转像系绞?錄物辕??图１．４显微物镜的腹腔镜光学系统原理图??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]医疗内窥镜影像系统的设计与实现[J]. 余杰华. 现代信息科技. 2018(06)
[2]基于再模糊理论的无参考图像质量评价[J]. 王红玉,冯筠,牛维,卜起荣,贺小伟. 仪器仪表学报. 2016(07)
[3]在VB中基于VFW视频捕获技术的研究[J]. 王瑜. 电脑知识与技术. 2015(31)
[4]基于CUDA和OpenGL互操作的彩色图像Sobel边缘检测[J]. 李驰新,兰聪花. 计算机科学. 2015(S1)
[5]无参考图像质量评价综述[J]. 王志明. 自动化学报. 2015(06)
[6]医用内窥镜关键技术的研究[J]. 陈庆. 中国医疗设备. 2015(04)
[7]BM3D视频去噪算法实现与评估[J]. 李政,刘文江,戎蒙恬,刘太智. 信息技术. 2012(04)
[8]CUDA和OpenGL互操作的实现及分析[J]. 刘进锋,郭雷. 微型机与应用. 2011(23)
[9]基于GPU的快速Sobel边缘检测算法[J]. 左颢睿,张启衡,徐勇,赵汝进. 光电工程. 2009(01)
[10]一种自适应的时空视频去噪算法[J]. 凌波,叶秀清,顾伟康,杜歆. 电子与信息学报. 2008(10)
博士论文
[1]视频图像降噪关键技术研究[D]. 谭洪涛.重庆大学 2010
硕士论文
[1]全高清腹腔镜系统设计[D]. 高丰.长春理工大学 2019
[2]高清内窥镜光学系统设计[D]. 付艳丽.长春理工大学 2018
[3]高清电子医用内窥镜图像增强技术研究[D]. 章科建.浙江大学 2018
[4]基于FFmpeg的高清实时直播系统设计与实现[D]. 席文强.长安大学 2017
[5]基于TegraX1的超高清电子内窥镜系统软件设计[D]. 吕志畅.浙江大学 2017
[6]基于嵌入式移动GPU的图像编解码并行优化[D]. 龚若皓.西南交通大学 2015
[7]基于GPU的高性能计算研究与应用[D]. 张唯唯.南京航空航天大学 2015
[8]图像和视频去噪算法的研究与实现[D]. 张超.复旦大学 2014
[9]基于USB接口的高清电子内窥镜系统设计[D]. 姚陈昀.浙江大学 2014
[10]通用GPU计算技术在高性能计算平台上的应用研究[D]. 沈玉琳.兰州大学 2012
本文编号：3111813
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２扩展图像灰度范围，减少过度曝光的图像区域??日本的奥林巴斯于２０１５年发布第一款整合４Ｋ技术的手术内镜产品ＶＩＳＥＲＡ??４ＫＵＨＤ，包括摄像系统、超高清氣光源、超高清液晶显示器以及摄像头
??的辨认，以及操作的准确性和精确性，总体上光学成像与手术的安全性密切相关。??对于超高清腹腔镜，前端的光学结构部分对于整个系统的成像质量有着决定性的??影响，为了满足实际的医学应用需求，其光学系统需满足大视尝小孔径、光学??长度长和景深大的特性。对于本论文的４Ｋ腹腔镜系统，要求视场角为９０°，景??深１５－１００ｍｍ，外径１０ｍｍ。一个完整的腹腔镜光学系统包物镜、中继系统、目镜，??物镜实现体内器官的大视场成像功能，中继系统能延长光路，并提供转像功能，??目镜实现医生的目视观察。图１．３是一个最基础的腹腔镜光学系统示意图［１２］，中??继系统由于和成像原理关系不大故未标出。??入曈?物镜?丨：１镜?出瞳??＇?Ｔ?１?Ｔ＂??－Ｌ?丨?ｎ?ｎ，??图１．３含有目镜的腹腔镜光学系统示意图??上述光学系统是早期人眼直接观察腹腔镜所设计的，所以在系统中设计了目??镜。而随着ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等光电成像器件以及高分辨率显示屏的发展，采用显示屏??观察已是大势所趋，并且也从低分辨率逐渐发展到１０８０Ｐ全高清，如今４Ｋ分辨??率也逐渐开始普及。这需要通过取消目镜，而将腹腔镜设计简化为腹腔镜物镜、??中继系统、等效显微物镜三个部分［１３］，如图１．４所示：??—次成?二次成?二８：成?四次成?像《??厂?Ｎ．?Ｓｉｆｌ??ｉ???场?ｙ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?，??Ｉ??＿?额?三组转像系绞?錄物辕??图１．４显微物镜的腹腔镜光学系统原理图??３??
??的辨认，以及操作的准确性和精确性，总体上光学成像与手术的安全性密切相关。??对于超高清腹腔镜，前端的光学结构部分对于整个系统的成像质量有着决定性的??影响，为了满足实际的医学应用需求，其光学系统需满足大视尝小孔径、光学??长度长和景深大的特性。对于本论文的４Ｋ腹腔镜系统，要求视场角为９０°，景??深１５－１００ｍｍ，外径１０ｍｍ。一个完整的腹腔镜光学系统包物镜、中继系统、目镜，??物镜实现体内器官的大视场成像功能，中继系统能延长光路，并提供转像功能，??目镜实现医生的目视观察。图１．３是一个最基础的腹腔镜光学系统示意图［１２］，中??继系统由于和成像原理关系不大故未标出。??入曈?物镜?丨：１镜?出瞳??＇?Ｔ?１?Ｔ＂??－Ｌ?丨?ｎ?ｎ，??图１．３含有目镜的腹腔镜光学系统示意图??上述光学系统是早期人眼直接观察腹腔镜所设计的，所以在系统中设计了目??镜。而随着ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等光电成像器件以及高分辨率显示屏的发展，采用显示屏??观察已是大势所趋，并且也从低分辨率逐渐发展到１０８０Ｐ全高清，如今４Ｋ分辨??率也逐渐开始普及。这需要通过取消目镜，而将腹腔镜设计简化为腹腔镜物镜、??中继系统、等效显微物镜三个部分［１３］，如图１．４所示：??—次成?二次成?二８：成?四次成?像《??厂?Ｎ．?Ｓｉｆｌ??ｉ???场?ｙ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?，??Ｉ??＿?额?三组转像系绞?錄物辕??图１．４显微物镜的腹腔镜光学系统原理图??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]医疗内窥镜影像系统的设计与实现[J]. 余杰华. 现代信息科技. 2018(06)
[2]基于再模糊理论的无参考图像质量评价[J]. 王红玉,冯筠,牛维,卜起荣,贺小伟. 仪器仪表学报. 2016(07)
[3]在VB中基于VFW视频捕获技术的研究[J]. 王瑜. 电脑知识与技术. 2015(31)
[4]基于CUDA和OpenGL互操作的彩色图像Sobel边缘检测[J]. 李驰新,兰聪花. 计算机科学. 2015(S1)
[5]无参考图像质量评价综述[J]. 王志明. 自动化学报. 2015(06)
[6]医用内窥镜关键技术的研究[J]. 陈庆. 中国医疗设备. 2015(04)
[7]BM3D视频去噪算法实现与评估[J]. 李政,刘文江,戎蒙恬,刘太智. 信息技术. 2012(04)
[8]CUDA和OpenGL互操作的实现及分析[J]. 刘进锋,郭雷. 微型机与应用. 2011(23)
[9]基于GPU的快速Sobel边缘检测算法[J]. 左颢睿,张启衡,徐勇,赵汝进. 光电工程. 2009(01)
[10]一种自适应的时空视频去噪算法[J]. 凌波,叶秀清,顾伟康,杜歆. 电子与信息学报. 2008(10)
博士论文
[1]视频图像降噪关键技术研究[D]. 谭洪涛.重庆大学 2010
硕士论文
[1]全高清腹腔镜系统设计[D]. 高丰.长春理工大学 2019
[2]高清内窥镜光学系统设计[D]. 付艳丽.长春理工大学 2018
[3]高清电子医用内窥镜图像增强技术研究[D]. 章科建.浙江大学 2018
[4]基于FFmpeg的高清实时直播系统设计与实现[D]. 席文强.长安大学 2017
[5]基于TegraX1的超高清电子内窥镜系统软件设计[D]. 吕志畅.浙江大学 2017
[6]基于嵌入式移动GPU的图像编解码并行优化[D]. 龚若皓.西南交通大学 2015
[7]基于GPU的高性能计算研究与应用[D]. 张唯唯.南京航空航天大学 2015
[8]图像和视频去噪算法的研究与实现[D]. 张超.复旦大学 2014
[9]基于USB接口的高清电子内窥镜系统设计[D]. 姚陈昀.浙江大学 2014
[10]通用GPU计算技术在高性能计算平台上的应用研究[D]. 沈玉琳.兰州大学 2012
本文编号：3111813
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