超声后端图像处理-概述

年初的时候电脑被重置,恢复不出来了,不得不说Win10的重置真牛逼。还是把一些东西放在博客上好点,方便以后回忆。

话说超声成像系统在传统上分前端,中端和后端。

  • 前端主要是指声波发射、接收以及波束合成,最后输出射频信号。
  • 中端主要是指信号处理,把信号处理成图像。
  • 后端主要是指图像处理,把收到的图像变成可视的影像呈现在终端上。

现在很多系统上面,大多分成2部分:前端和后端。有的系统把前端和中端合并之后称为前端,有的系统把中端和后端合并称为后端。这些各有利弊,但基本的流程都没有减少,只是适应不同的实施平台罢了。

我主要做后端,所以这里我就把后端整理出来。后端的输入就是中端的输出。传统来讲,是将经过包络和抽取过的数据(信号),也就是大家常说的线数据。为什么叫线数据呢?因为他是在极坐标系中沿着声束扫描线接收的数据,简称线数据。

那么后端里面都有哪些基本模块呢?

  1. 动态压缩。
  2. 帧相关
  3. 空间滤波
  4. 扫描变换
  5. 灰阶映射

这5个模块都是做什么用的呢?

  1. 动态压缩:主要是把超声回波的动态范围(约100dB),压缩到显示器能够显示的范围(约20dB)上去。这样显示器就能把超声回波完整的显示出来。在数学上就是要把(0~2047)这样的范围压缩到(0~255)。
  2. 帧相关:主要是在时间上保留图像的相关性,去掉与图像无关的闪烁噪声。
  3. 空间滤波:基本上可以用美图秀秀来形容了,你懂的。
  4. 扫描变换:这是一种空间变换,把极坐标系的数据转换到卡笛尔(还记得百岁山逛够里那个被抢走水的老头么,就是他)直角坐标系上。
  5. 灰阶映射:改变图像的灰阶曲线(相当于对比度、亮度)或者把图像变成伪彩(不是变成彩超)。

当然除了这5个模块之外还有其他的模块,比如:空间复合、多焦点等等。这里先放放,后面有机会再讲。

这5个模块的流程顺序依据不同的系统会有所不同。我们这里讲一个通用的流程:

动态压缩 -> 帧相关 -> 空间滤波 -> 扫描变换 -> 灰阶映射

这个流程有啥好处呢?总体计算量最小,需要的资源最少。贴2张图,一张是经过动态压缩的,一张是整个流程跑完的。有点小bug请忽略。

经过动态压缩的线数据
经过动态压缩的线数据
输出图像
经过灰阶映射的图像

 

### 超声合成孔径成像 FPGA 实现方案及应用 #### FPGA 的优势 FPGA(Field Programmable Gate Array)作为一种可编程逻辑器件,因其高并行计算能力和实时性而被广泛应用于超声相控阵合成孔径成像中[^1]。这种特性使得 FPGA 可以高效地处理复杂的信号运算和像合成任务。 #### 成像流程概述超声合成孔径成像过程中,通过发射一系列不同角度的超声波束,并接收反射回来的信息来构建最终的二维或三维像。为了提升成像质量和速度,采用 FPGA 进行硬件加速是非常有效的手段之一。具体来说: - **前端数据采集**:利用多通道 ADC 对来自换能器阵列接收到的模拟电信号进行高速采样转换为数字形式; - **预处理阶段**:包括去噪滤波、增益补偿等操作,这些都可以借助于 FPGA 内部丰富的 DSP Slice 完成; - **核心算法实现**:对于诸如延迟求和(DAS)、全聚焦方法(TFM)这样的关键算法,则可以通过编写 Verilog 或 VHDL 描述文件定义相应的电路模块,在 FPGA 上运行;这不仅提高了系统的灵活性也增强了其适应不同类型应用场景的能力[^3]; ```verilog module tfm_algorithm ( input wire clk, input wire rst_n, // ... other inputs ... ); // Implementation of TFM algorithm using parallel processing units within the FPGA. endmodule ``` - **后端显示控制**:最后经过重构得到完整的灰度或者彩色血流之后再传输给显示器呈现来供医生诊断使用。 #### 应用实例分析 实际案例证明了基于 FPGA 构建的超声合成孔径成像系统能够显著改善传统软件解决方案中存在的延时大、帧率低等问题。特别是在工业无损检测领域内,当面对复杂几何形状工件内部缺陷探测需求时,该类系统凭借快速响应特性和精确的空间分辨率表现了明显的优势。
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