劉 平，黃 平

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州510640）

0 引 言

自1795年德國(guó)學(xué)者Bozzini用金導(dǎo)管制成直腸鏡以來(lái)，經(jīng)歷了硬式內(nèi)鏡、軟式內(nèi)鏡［1］、胃內(nèi)照相機(jī)、纖維內(nèi)鏡及電子內(nèi)鏡等階段。內(nèi)窺鏡的研究與發(fā)展，已經(jīng)在醫(yī)療儀器中占據(jù)重要位置。消化道疾病困擾著全球無(wú)數(shù)患者，傳統(tǒng)的電子內(nèi)窺鏡采用機(jī)械式插入方法，在檢測(cè)的時(shí)候存在重大的缺陷［2］。小腸是消化道最長(zhǎng)的器官，具有彎曲和游離的特點(diǎn)，普通設(shè)備只能達(dá)到小腸0.8～1m的地方，再住下會(huì)給病人造成極大的痛苦，許多患者因恐懼而放棄檢查［3］。

隨著微創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)醫(yī)學(xué)理念的普及，醫(yī)療 “人性化”被提升到了一定高度，口服式膠囊內(nèi)窺鏡作為新興的消化道疾病診斷系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。目前，以色列、日本、韓國(guó)和中國(guó)等都在致力于這方面的研究。膠囊內(nèi)窺鏡是多種技術(shù)相結(jié)合的綜合系統(tǒng)，它集微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS）、光電工程、無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)等于一身，它包含無(wú)線(xiàn)圖像傳輸、照明、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)等多個(gè)子系統(tǒng)［4］。病人檢查時(shí)服下膠囊，膠囊借助消化道的蠕動(dòng)在消化道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，對(duì)胃腸道進(jìn)行拍攝取樣，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞綄⑷拥玫降膱D像傳輸至體外接收裝置，為醫(yī)生提供診療依據(jù)。

基于USB2.0高速接口，本系統(tǒng)從圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸入手，運(yùn)用了DirectShow接口技術(shù)，通過(guò)VC＋＋軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出用于圖像處理的軟件，將從膠囊內(nèi)窺鏡的無(wú)線(xiàn)發(fā)設(shè)模塊發(fā)射出來(lái)的圖像信息直接顯示在電腦屏幕上，同時(shí)將圖像信息直接存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基本原理

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為軟件和硬件兩大部分。硬件部分主要包括：基于OV6920的體內(nèi)無(wú)線(xiàn)窺視膠囊［5］、調(diào)頻接收器、天敏UV200視頻采集棒、計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)終端軟件利用自主開(kāi)發(fā)的膠囊內(nèi)窺鏡圖像處理軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

檢測(cè)時(shí)，被病人服下進(jìn)入消化道的膠囊，利用內(nèi)置的攝像頭對(duì)消化道特定位置和非特定位置進(jìn)行拍攝，膠囊內(nèi)鏡OV6920圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成視頻信號(hào)。視頻信號(hào)與發(fā)射電路內(nèi)部產(chǎn)生的高頻載波進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的復(fù)合視頻信號(hào)再通過(guò)緩沖放大送至交天線(xiàn)，轉(zhuǎn)變成電磁波的形式向外發(fā)射［6］。調(diào)頻接收器將無(wú)線(xiàn)電磁波信號(hào)還原為復(fù)合視頻信號(hào)，復(fù)合視頻信號(hào)通過(guò)UV200視頻采集棒轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)USB接口傳給計(jì)算機(jī)。圖像采集流程圖如圖2所示。

圖2 圖像采集流程

計(jì)算機(jī)接收到視頻數(shù)據(jù)流之后，通過(guò)基于DirectShow的應(yīng)用程序，將視頻信號(hào)在顯示器上進(jìn)行顯示，從而可以對(duì)膠囊內(nèi)窺鏡得到的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以將視頻圖像以AVI的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，以供后需之用。對(duì)于存儲(chǔ)在本地的AVI視頻圖像，可以運(yùn)用基于VC的膠囊內(nèi)窺鏡圖像處理軟件進(jìn)行相關(guān)處理。

2 圖像采集及處理軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的另一個(gè)重點(diǎn)，而軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于解決視頻圖像的采集。

Windows系統(tǒng)環(huán)境下有3種視頻采集方式，分別是基于VFW的視頻采集方式、基于DirectShow的視頻采集方式和基于SDK軟件開(kāi)發(fā)包的視頻采集方式。

VFW是由Microsoft公司1992年推出的基于Windows的視頻軟件工作平臺(tái)，它提出了AVI文件標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了視頻和音頻交錯(cuò)存放的格式。VFW為用戶(hù)提供了一整套應(yīng)用程序接口 （API），通過(guò)開(kāi)發(fā)工具，用戶(hù)可以完成視頻采集、壓縮、解壓縮、回放和編輯程序［7］。但VFW處理效率低，采集質(zhì)量差。

SDK［8］是由視頻采集卡廠(chǎng)家所提供的用于開(kāi)發(fā)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的一組庫(kù)函數(shù)，通過(guò)使用SDK庫(kù)函數(shù)，用戶(hù)可以無(wú)需了解視頻壓縮、視頻回放、視頻網(wǎng)絡(luò)與視頻存盤(pán)操作等技術(shù)，同樣可以進(jìn)行視頻相關(guān)的程序開(kāi)發(fā)。但SDK的缺點(diǎn)在于兼容性差，不同采集卡廠(chǎng)商提供的SDK通常沒(méi)辦法兼容，所以編寫(xiě)的程序無(wú)法移植并應(yīng)用到新的操作環(huán)境當(dāng)中。

DirectShow和DirectX同時(shí)發(fā)布，它是建立在Direct－Sound與DirectDraw組件基礎(chǔ)之上的多媒體應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具包。DirectShow對(duì)視頻的捕捉、回放和音頻視頻采集等高性能求的多媒體的應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。DirectShow作為完整的基于COM的應(yīng)用程序，為其它符合COM組件接口的所有第三方開(kāi)發(fā)的組件對(duì)象都能夠提供相應(yīng)的視頻操作的支持［9］。DirectShow建立在組件對(duì)象的基礎(chǔ)上，由許多組件模塊組成，使用DirectShow能夠簡(jiǎn)單、高速地對(duì)流媒體文件進(jìn)行處理。因此通過(guò)對(duì)比以3種視頻采集方法，DirectShow無(wú)疑更適合手于開(kāi)發(fā)Windows系統(tǒng)環(huán)境下圖像采集系統(tǒng)。

2.1 圖像采集及處理軟件功能

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用功能強(qiáng)大的Visual C＋＋應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Visual C＋＋是C＋＋語(yǔ)言的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)它與Win32緊密相連，利用Visual C＋＋開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以完成各種應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，從底層軟件一直到客戶(hù)端軟件都可以通過(guò)應(yīng)用Visual C＋＋來(lái)完成開(kāi)發(fā)。而且Visual C＋＋調(diào)試功能的強(qiáng)大，為大型、復(fù)雜軟件的開(kāi)發(fā)提供了相當(dāng)有效的排錯(cuò)手段。隨著Visual C＋＋軟件版本的日漸升級(jí)，它的功能變得越來(lái)越強(qiáng)大，幾乎延伸到了Windows應(yīng)用的各個(gè)層面，Visual C＋＋日漸成了Windows系統(tǒng)環(huán)境中最強(qiáng)大的應(yīng)用程序［10］。

基于OV6920的無(wú)線(xiàn)內(nèi)窺鏡膠囊，設(shè)計(jì)的軟件主要具有如下功能：

（1）對(duì)膠囊內(nèi)窺鏡的拍攝進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能將圖像以AVI格式存放到硬盤(pán)上；

（2）軟件支持多種格式視頻、音頻文件的讀取，能夠進(jìn)行暫停、回放、慢速播放及快速播放；

（3）對(duì)于有疑點(diǎn)的圖像，可以進(jìn)行圖片截取，支持多幅圖片連續(xù)截取、同時(shí)預(yù)覽，把有需要的圖片以BMP的格式進(jìn)行保存；

（4）能夠?qū)D片進(jìn)行相關(guān)的圖像處理，并添加相應(yīng)的文字描述；

（5）實(shí)現(xiàn)打印功能?？梢詫D片和相關(guān)的文字描述，通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。

具體軟件運(yùn)行流程圖如圖3所示。

圖3 軟件運(yùn)行流程

2.2 DirectShow采集原理

DirectShow是作為一套基于COM的編程接口的開(kāi)放性的應(yīng)用框架，兼?zhèn)渑c底層代碼和高層應(yīng)用程序打交道的功能。圖4所示為DirectShow的系統(tǒng)框架圖［11］。我們可以看到，其中最大的一塊就是DirectShow系統(tǒng)［12］，“流水線(xiàn)”是它的基本工作原理，通過(guò)Filter Graph Manager統(tǒng)一處理整個(gè)數(shù)據(jù)流處理過(guò)程。其中Ring0用戶(hù)級(jí)應(yīng)用層包括顯卡、聲卡、VFW采集設(shè)備、MPEG2硬件解碼器、WDM采集設(shè)備等；而Ring3特權(quán)級(jí)別的應(yīng)用層提供了統(tǒng)一規(guī)范的COM接口。通過(guò)這種分離底層硬件設(shè)備和高層應(yīng)用程序的方式可以很方便地編程實(shí)現(xiàn)從設(shè)備獲得多媒體的數(shù)據(jù)［13］。

圖4 DirectShow的系統(tǒng)框架

DirectShow通過(guò)Filter［14］與各式各樣的設(shè)備進(jìn)行通信。Filter是一個(gè)COM組件，是完成DirectShow處理過(guò)程的基本單元［15］。按照功能劃分，F(xiàn)ilter主要可分成下面3種類(lèi)型：

（1）Source filter（源過(guò)濾器）：通常數(shù)據(jù)來(lái)源有網(wǎng)絡(luò)、文件、攝相機(jī)等等，而源過(guò)濾器主要用于負(fù)責(zé)引入數(shù)據(jù)到過(guò)濾器圖表中；

（2）Transform filter（交換過(guò)濾器）：數(shù)據(jù)流的獲取以及數(shù)據(jù)處理如：格式分離與合成、編碼與解碼、壓縮與解壓縮由交換過(guò)過(guò)濾器來(lái)完成和實(shí)現(xiàn)；

（3）Randering filter（提交過(guò)濾器）：作為過(guò)濾器圖表里的最后一級(jí)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)提交給顯卡、聲卡等外部設(shè)備。

3 圖像采集及處理的實(shí)現(xiàn)

3.1 利用DirectX相關(guān)的API函數(shù)采集圖像信息

（1）構(gòu)建FilterGraph

本系統(tǒng)中，圖5是Filter Graph［16］結(jié)構(gòu)圖。如圖6所示是它的執(zhí)行流程圖。

（2）VC＋＋開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)源代碼 （只給出主要代碼）

／／ 用于創(chuàng)建filter graph組件

HRESULT hl；

／／創(chuàng)建GraphBuilder接口

hl＝CoCreateInstance（

CLSID＿FilterGraph，／／創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符

NULL，CLSCTX ＿ ALL，IID ＿IGraphBuilder，（LPVOID＊）＆m＿pGraphl）；

／／創(chuàng)建CaptureGraphBuilder2接口

hl＝CoCreateInstance（

CLSID＿CaptureGraphBuilder2，／／創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符

NULL，CLSCTX ＿ALL，IID ＿＃ICaptureGraph－Builder2，（LPVOID＊）＆m＿pCapturel）；

／／獲得所需Video Window接口

hl＝m ＿pGraphl－＞QueryInterface （IID ＿IVideoWindow，／／指明需要查詢(xún)的接口的IID

（LPVOID＊）＆m＿pVW）；

／／獲得所需MediaControl接口

hl＝m ＿pGraphl－＞QueryInterface （IID ＿IMediaControl，／／指明需要查詢(xún)的接口的IID

（void＊＊）＆m＿pMC）；

／／獲得所需BasicVideo接口

hl＝m ＿pGraphl－＞QueryInterface （IID＿IBasicVideo，／／指明需要查詢(xún)的接口的IID

（void＊＊）＆mBasicVideo）；

其中VideoWindow接口用于視頻連接視頻渲染窗口，MediaControl接口用于控制流媒體數(shù)據(jù)，如：播放、停止等。

創(chuàng)建好filter graph之后，還要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備枚舉器filter用于USB視頻信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)如下：

CComPtr＜ICreateDevEnum＞pDeviceEnumLeo＝NULL；

／／創(chuàng)建所需設(shè)備枚舉器

hl＝CoCreateInstance （CLSID ＿SystemDeviceEnum，／／創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符

NULL，CLSCTX ＿ALL，IID ＿ICreateDevEnum，（LPVOID＊）＆pDeviceEnumLeo）；

CComPtr＜IEnumMoniker＞pClassEnumLeo＝NULL；

／／用于創(chuàng)建設(shè)備種類(lèi)枚舉器

hl ＝ pDeviceEnumLeo－＞ CreateClassEnumerator（CLSID＿VideoInputDeviceCategory，／／創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符

＆pClassEnumLeo，0）；

在創(chuàng)建filter的過(guò)程中，如果創(chuàng)建失敗，程序通過(guò)return hl進(jìn)行返回，并具對(duì)話(huà)框報(bào)警。

程序運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)ilter之間利用Sample數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)一些接口函數(shù)可以獲得Sample數(shù)據(jù)，并獲得數(shù)據(jù)的內(nèi)在緩沖地址，對(duì)內(nèi)存沖進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成我們需要的AVI數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行保存。

3.2 AVI文件保存

設(shè)備種類(lèi)枚舉器根據(jù)不同種類(lèi)的枚舉器，例如，視頻壓縮、視頻播放對(duì)每一個(gè)設(shè)備返回一個(gè)獨(dú)立的名稱(chēng) （moniker）。本系統(tǒng)視頻壓縮存儲(chǔ)過(guò)程如下：

（1）創(chuàng)建枚舉器組件，CLSID為DLSID＿SystemE－num；

（2）利用ICreateDevEnumCreateClassEnuMerator可以獲取某一種類(lèi)的枚舉器，該函數(shù)可以返回一個(gè)IEnumMoniker接口指針，成功時(shí)返回S＿OK，反之返回S＿FALSE。

（3）接著通過(guò)IEnumMoniker的Next方法，枚舉所有的moniker，并且返回一個(gè)IMoniker接口指針。

pClassEnuml－＞Next （1， ＆pMoniker， ＆cFetched） ＝S＿OK；

（4）相應(yīng)的設(shè)備名稱(chēng)可以利用pMonike的BindToStorage方法獲得。

pMoniker－＞BindToStorage （0，0，IID ＿IProperty－Bag，（LPVOID＊）＆pMyProp）；

VARIANT varName；

varName.vt＝ VT＿BSTR；

pMyProp－＞Read （L"FriendlyName"，＆varName，0；

（5）通過(guò)調(diào)用IMoniker：：BindToObject函數(shù)生成綁定到設(shè)備上的filter。然后利用IFilterGraph：：AddFilter將filter加入到Graph圖中。

pMoniker－＞ BindToObject （0，0，IID ＿IBaseFilter，／／綁定設(shè)備

（void＊＊）＆pCompressl）；

m＿pGraphl－＞AddFilter （pCompressl，L"com"）；

（6）設(shè)置AVI輸出文件，本系統(tǒng)是將AVI以當(dāng)前時(shí)間命名保存的，所以在設(shè)置AVI輸出文件之前，應(yīng)該先得到文件名。

／／獲取系統(tǒng)時(shí)間給ts

CString ts；

SYSTEMTIME t；

GetLocalTime （＆t）；

ts.Format（"%.2d年%.2d月%.2d日%.2d%.2d%.2d 秒.avi"，t.wYear，t.wMonth，t.wDay，t.wHour，t.Minute，t.wSecond）；

得到文件名之后調(diào)用SetOuptFileName設(shè)置輸出文件。

m ＿ pCapturel－＞ SetOutputFileName（＆MEDIASUBTYPE ＿ Avi，ts.AllocSysString （ ），＆pMyMux，NULL）；

（7）最后連接壓縮模塊Filter將視頻壓縮存儲(chǔ)。

m＿pCapturel－＞RenderStream （＆PIN＿CATEGORY ＿CAPTUREL，／／設(shè)置類(lèi)型

＆MEDIASUBTYPE＿Video，／／設(shè)置媒體類(lèi)型pMySrcFilter，pCompressl，pMyMux）；

3.3 軟件運(yùn)行結(jié)果

本系統(tǒng)硬件實(shí)物圖如圖7所示，其中，1為UV200視頻采集棒；2為高頻接收器；3為OV6920膠囊。

連接好硬件系統(tǒng)之后，便可以進(jìn)行軟件系統(tǒng)的圖像采集。軟件運(yùn)行界面如圖8所示。

如圖8所示，1是一個(gè)靜態(tài)圖片框?qū)ο螅糜谝曨l預(yù)覽；2是一個(gè)列表框，用于顯示截取的圖片；3是一組按扭控件，用于控制視頻流的播放、暫停等。

點(diǎn)擊 “攝像”按扭控件，會(huì)彈出視頻采集對(duì)話(huà)框，此時(shí)便可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，點(diǎn)擊 “開(kāi)始錄像”按扭控件，視頻流就會(huì)開(kāi)始以AVI的格式保存到程序默認(rèn)的件夾中，如圖9所示。

圖9 視頻采集對(duì)話(huà)框

對(duì)于本地的視頻文件，同樣可以通過(guò)軟件進(jìn)行預(yù)覽和截圖，只要在運(yùn)行軟件開(kāi)始的時(shí)候單擊 “打開(kāi)”按扭，找到想要打開(kāi)的視頻文件，單擊確實(shí)就可以方便地進(jìn)行播放，軟件支持拖拽播放，可以直接將文件直接拖進(jìn)軟件界面進(jìn)行播放。同時(shí)可以通過(guò) “捕獲”按扭進(jìn)截圖，而截取的圖片將會(huì)依次顯示在圖像列表框中。如圖10所示。

根據(jù)需要，可以將把截取的圖片以BMP的格式進(jìn)行保存。

圖10 視頻文件播放

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)系統(tǒng)地分析膠囊內(nèi)窺鏡圖像信息由產(chǎn)生、傳遞到接收的原理和過(guò)程，設(shè)計(jì)了合理的硬件采集系統(tǒng)，整個(gè)硬件系統(tǒng)是以現(xiàn)有基于OV6920的體內(nèi)無(wú)線(xiàn)窺視膠囊為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的。在軟件設(shè)計(jì)方面，運(yùn)用DirectShow采集原理，通過(guò)Visual C＋＋應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出基于DirectShow的圖像采集及處理軟件。通過(guò)最后的測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)視頻圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以將膠囊內(nèi)窺鏡所拍攝的圖像顯示到計(jì)算機(jī)上，并成功地將圖像的信息和數(shù)據(jù)以AVI格式文件保存到計(jì)算機(jī)上。

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