CN103389953B - 一种影像波束形成方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种影像波束形成方法和装置，其中，影像波束形成方法包括：利用串并转换接收器接收串行数据并将其转换为并行数据；利用先进先出数据缓存器存储并行数据，以作为原始数据；利用插值滤波器将原始数据进行升采样运算，以得到升采样数据；利用随机存储器存储升采样数据，并使升采样数据转换为矢量数据；利用矢量数据存储器存储矢量数据，然后再利用微控制单元处理矢量数据存储器输出的矢量数据，并产生矢量地址；以及利用矢量地址存储器存储矢量地址，并将矢量地址反馈至随机存储器，其中，微控制单元设置有微控制单元存储器，作为微控制单元的运算所需存储器，从而解决了处理器和波束形成数据流的匹配问题。
Description
技术领域
本发明涉及医用影像技术领域，具体而言，涉及一种影像波束形成方法和装置。
背景技术
近年来，影像***对信号处理运算量的要求不断提高，例如在超声影像领域：前端通道数大量增加，由64通道向256通道乃至更多通道过渡；高分辨影像画质，如多波束形成，连续聚焦，彩色，码激励等；高速实时多维影像，如3D影像、4D影像、高频心脏影像等，因此，运算量成百倍增加，对处理器运算能力提出了前所未有的要求，但随着医疗影像设备的日益普及化，处理器的成本压力却不降反升，已经严重束缚了影像***技术的发展和应用。目前所采用的解决上述技术手段有：(1)现场可编程门阵列(field programmable gate arrays，FPGA是可编程芯片，FPGA的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分，硬件包括FPGA芯片电路、存储器、输入输出接口电路以及其它设备，软件即是相应的HDL程序以及嵌入式C程序，在工程实践中存在软件编译时长的问题，由于大型设计包含多个复杂的功能模块，其时序收敛与仿真验证复杂度很高，为了满足时序指标的要求，往往需要反复修改源文件，再对所修改的新版本进行重新编译，直到满足要求为止，由此导致容易产生两个问题：首先，软件编译一次需要长达数小时甚至数天的时间，这是开发所不能容忍的，其次，重新编译和布局布线后结果差异很大，会将已满足时序的电路破坏，另外，FPGA还有高功耗及高价格，因此，FPGA也无法满足要求；(2)多核处理器(Multi-core and Many-core CPU and DSP)，虽然具有成本优势，但其通用体系架构无法满足波束形成的计算要求，多核处理器功耗大，并且需要应用软件支持额外支持，通用多核处理器可以给出相当大的数据处理能力，但它们都是基于超标量(superscalar)或矢量(vector)处理器的精简指令***(RISC)体系结构，例如单指令多数据(SIMD)、超长指令(VLIW)及矢量(VECTOR)数据架构等，它们只有有限的且简单的数据寻址方式，海量的影像数据无法匹配上述数据结构及多核体系，运算效率十分低下，况且当前的新型成像***多采用多点聚焦或逐点连续聚焦方式形成波束，这是一种非线形的寻址方式，多核RISC处理器无法有效地取得所需的数据，因此多核处理器也无法满足要求；(3)图形处理器(GPU)，虽然其处理量较大，但其以点阵处理为目的的集束架构也无法有效的应付波束形成的线处理***。
因此，目前的影像***信号处理技术有待进一步改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种影像波束形成方法及装置，旨在解决处理器和波束形成数据流的匹配技术问题。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种影像波束形成方法。根据本发明的实施例，该方法包括：数据的接收与转换，利用串并转换接收器接收串行数据并将其转换为并行数据；数据的储存，利用先进先出数据缓存器存储所述并行数据，作为原始数据；数据的升采样运算，利用插值滤波器将所述原始数据进行升采样运算，以得到升采样数据；数据的矢量化，利用随机存储器存储所述升采样数据，并使所述升采样数据转换为矢量数据；数据的处理，利用矢量数据存储器存储所述矢量数据，然后再利用微控制单元处理所述矢量数据存储器输出的所述矢量数据，并产生矢量地址；以及矢量地址的反馈，利用矢量地址存储器存储所述矢量地址，并将所述矢量地址反馈至所述随机存储器，其中，所述微控制单元设置有微控制单元存储器，作为所述微控制单元的运算所需存储器。
优选地，所述升采样数据为原始数据的K倍，K为不小于16的整数。
优选地，所述数据的矢量化的过程如下列公式所示：vRAM(n)＝sRAMn(*iRAM(n))，其中，n为不小于1的整数，vRAM为矢量数据存储器内的矢量数据，sRAMn为随机存储器内的矢量数据，iRAM为矢量地址存储器内的矢量地址。
优选地，n个矢量地址与n个矢量数据一一对应，并且，n为不小于1的整数。
优选地，所述串并转换接收器、所述先进先出数据缓存器、所述插值滤波器以及所述随机存储器的设置数量均为N个，其中，N为不小于32的整数。
优选地，所述先进先出数据缓存器的大小为32B；和/或，所述插值滤波器为多相位插值滤波器；和/或，所述随机存储器的大小为256B；和/或，所述矢量数据存储器的大小为128B；和/或，所述矢量地址存储器的大小为128B。
优选地，所述矢量数据存储器、所述矢量地址存储器、所述微控制单元以及所述微控制单元的数量均为1个。
优选地，所述微控制单元包括至少一个多核处理器。
优选地，所述多核处理器为四核Cortex A15处理器。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种影像波束形成方法的影像波束形成装置。根据本发明的实施例，该装置包括：串并转换接收器，用于接收外部串行数据并转换为并行数据，以得到并行数据；先进先出数据缓存器，与所述串并转换接收器连接，用于存储所述串并转换接收器输出的所述并行数据，以得到原始数据；插值滤波器，与所述先进先出数据缓存器连接，用于将所述先进先出数据缓存器输出的所述原始数据进行升采样运算，以得到升采样数据；随机存储器，与所述插值滤波器连接，用于存储所述插值滤波器输出的所述升采样数据，并使所述升采样数据转换为矢量数据；矢量数据存储器，与所述随机存储器连接，用于存储所述随机存储器输出的所述矢量数据；微控制单元，与所述矢量数据存储器连接，用于处理所述矢量数据存储器输出的所述矢量数据，并产生矢量地址；以及矢量地址存储器，与所述微控制单元和所述随机存储器连接，用于存储所述微控制单元输出的所述矢量地址，并将所述矢量地址反馈至所述随机存储器，其中，所述微控制单元包含微控制单元存储器，作为所述微控制单元的运算所需存储器。
本发明的影像波束形成方法和装置的积极效果是：解决了通用处理器和波束形成数据流的匹配问题，极易实现的存储器架构允许数据处理高速运行，可以最大限度的使用本地储存器以降低数据的移动，故降低了功耗，进而达到高效而低功耗处理的目的，并且解决了现有技术中影像波束合成架构不易扩展的问题和数据处理不及时的问题；本发明的影像波束形成方法和装置把复杂的非线性动态聚焦寻址变成矢量数据结构，独特的波束矢量转换单元把线形扫描数据变成处理器希望的矢量数据结构，进而极大地提高了数据通过量；采用多核超标量处理器的大规模集成电路可以高效地形成多波束影像。另外，还可以根据实际需要选择不同的通道数量，通过结构调整，例如增加处理器，实现多通道信号处理，从而使本发明的影像波束形成方法和装置的适用范围更广泛。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的影像波束形成方法的方法流程示意图；
图2是根据本发明另外一个实施例的影像波束形成装置的结构框图；
图3是根据本发明又一个实施例的实施本发明的优选实施方式的示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，另外，实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种影像波束形成方法。如图1所示，根据本发明的实施例，该方法包括：S100数据的接收与转换、S200数据的储存、S300数据的升采样运算、S400数据的矢量化、S500数据的处理以及S600矢量地址的反馈步骤。在S100步骤中，利用串并转换接收器接收串行数据，并将高速串行数据转换为并行数据；在S200步骤中，
利用先进先出数据缓存器存储并行数据，得到原始数据；在S300步骤中，利用插值滤波器将原始数据进行升采样运算，以得到升采样数据；在S400步骤中，利用随机存储器存储升采样数据，并使升采样数据转换为矢量数据；在S500步骤中，利用矢量数据存储器存储矢量数据，然后再利用微控制单元处理矢量数据存储器输出的矢量数据，并产生矢量地址；在S600步骤中，利用矢量地址存储器存储矢量地址，并将矢量地址反馈至随机存储器，其中，微控制单元设置的微控制单元存储器作为微控制单元的运算所需存储器。
在本发明中，通过将串行数据转换为并行数据，使处理数据速度更快，处理数据量更大；通过升采样运算，能够采集更多地图像数据，而采样的图像数据越多，获取的图像信息精确，能提高后期图像的显示精度及分辨率；通过储存矢量数据，不仅适合存储海量的数据，并且更适合微控制单元进行处理，提高处理效率；通过矢量地址的反馈，可以根据后期的图像质量对输入数据进行有效地控制。
如图1所示，根据本发明实施例，在S300数据的升采样运算步骤中，升采样数据为原始数据的K倍，K为不小于16的整数，从而通过升采样运算能够采集更多地图像数据，提高图像的显示精度及分辨率。
如图1所示，根据本发明实施例，S400数据的矢量化的过程如下列公式所示：
vRAM(n)＝sRAMn(*iRAM(n))，
其中，n为不小于1的整数，vRAM为矢量数据存储器内的矢量数据，sRAMn为随机存储器内的矢量数据，iRAM为矢量地址存储器内的矢量地址；根据本发明的具体实施例，优选地，一个矢量地址指向一个矢量数据，n个矢量地址指向n个矢量数据，并且，第n个矢量地址指向第n个矢量数据，其中，n为不小于1的整数，矢量地址和矢量数据一一对应。
在本发明的中，以上所述的串并转换接收器、先进先出数据缓存器、插值滤波器、随机存储器，矢量数据存储器、矢量地址存储器、微控制单元以及微控制单元储存器的数量以及型号大小不受特别限制，例如，串并转换接收器、先进先出数据缓存器、插值滤波器、随机存储器的设置数量均为N个，其中，N为不小于32的整数；先进先出数据缓存器的大小为32B、插值滤波器为多相位插值滤波器，随机存储器的大小为256B，矢量数据存储器的大小为128B，以及矢量地址存储器的大小为128B；矢量数据存储器、矢量地址存储器、微控制单元以及微控制单元的数量均为1个。
根据本发明的实施例，以上所述的微控制单元包括至少一个多核处理器，优选四核Cortex A15处理器。
需要特别说明的是，本发明是一个灵活的可扩充或缩小的技术方案，能够根据具体的通道数量，通过例如增加或减少上述处理器等构成部件数量的方式十分容易地解决多通道信号处理问题。例如，使用1个的处理器可以实现N个通道影像***，那么2个处理器可实现2N个通道影像***，3个处理器可实现3N个通道影像***，以此类推，使本发明的影像波束形成方法的实用性更强，适用范围更广泛。
在本发明的另外一个方面，本发明提供了一种影像波束形成装置。如图2所示，根据本发明的实施例，该装置包括：串并转换接收器100、先进先出数据缓存器200、插值滤波器300、随机存储器400、矢量数据存储器500、矢量地址存储器600以及微控制单元700、微控制单元700包含微控制单元存储器(未示出，下同)，其中，先进先出数据缓存器200与串并转换接收器100连接，插值滤波器300与先进先出数据缓存器200连接，随机存储器400与插值滤波器300连接，矢量数据存储器500与随机存储器400连接和微控制单元600连接，矢量地址存储器700与微控制单元600和随机存储器400连接。另外，前面针对影像波束形成方法所描述的特征和优点，也当然地适用该装置，不再赘述。
为进一步说明，结合图1～3，下面提供一个实施本发明的的优选实施方式：
S100：数据的接收与转换
用64个串并转换接收器(Deserializer)接收64个通道的影像数据，将600Mbps的串行数据转换成每秒50M样点12bit的并行数据。
S200：数据的储存
64个大小为32B的先进先出数据缓存器(First in first out buffers，FIFO)分别与64个串并转换接收器(Deserializer)连接，用于存储串并转换接收器(Deserializer)输出的并行数据。
S300：数据的升采样运算
64个多相位插值滤波器(Multiphase Interpolation Filter)分别与64个先进先出数据缓存器(FIFO)连接，用于将先进先出数据缓存器(FIFO)输出的原始数据升采样16倍，50MSPS信号成为800MSPS。
S400：数据的矢量化
64个大小为256kB的随机存储器(Static random access memory，sRAM)分别与64个多相位插值滤波器(Multiphase Interpolation Filter)连接，用于储存多相位插值滤波器(Multiphase Interpolation Filter)输出的升采样数据并产生矢量数据；设置2个大小为128B的矢量地址存储器(Delay Indexing RAM，iRAM)与随机存储器(sRAM)连接，用于存储生成矢量数据的矢量地址，每一个矢量地址指向一个扫描通道的某个矢量数据，则64矢量地址可以指向64个扫描通道的64个矢量数据；设置2个大小为128B的矢量数据存储器(Beam Vector Data RAM，vRAM)与随机存储器(sRAM)连接，用于存储矢量化后的矢量数据。
S500：数据的处理：
设置2个四核Cortex A15处理器，并设置2个微控制单元存储器(MCU Memory mRAM)作为四核Cortex A15的运算所需存储器，Cortex A15处理器与矢量地址存储器(DelayIndexing RAM，iRAM)和矢量数据存储器(Beam Vector Data RAM，vRAM)连接，用于处理矢量数据并产生矢量地址，矢量地址存储到矢量地址存储器(Delay Indexing RAM，iRAM)中。
S600：矢量地址的反馈：
矢量地址存储器(Delay Indexing RAM，iRAM)与四核Cortex A15处理器和随机存储器(sRAM)连接，输出的矢量地址作为的索引，将随机存储器(sRAM)内的数据读出，存入矢量数据存储器(Beam Vector Data RAM，vRAM)，实现数据矢量化，矢量化过程可用如下公式表示：
vRAM(n)＝sRAMn(*iRAM(n))，
其中，1≤n≤64，并且n为整数，vRAM为矢量数据存储器内的数据，sRAMn为随机存储器内的数据，iRAM为矢量地址存储器内的数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种影像波束形成方法，其特征在于，包括：
数据的接收与转换，利用串并转换接收器接收串行数据并将其转换为并行数据；
数据的储存，利用先进先出数据缓存器存储所述并行数据，以作为原始数据；
数据的升采样运算，利用插值滤波器将所述原始数据进行升采样运算，以得到升采样数据；
数据的矢量化，利用随机存储器存储所述升采样数据，并将所述升采样数据转换为矢量数据；
数据的处理，利用矢量数据存储器存储所述矢量数据，然后再利用微控制单元处理所述矢量数据存储器输出的所述矢量数据，并产生矢量地址；以及
矢量地址的反馈，利用矢量地址存储器存储所述矢量地址，并将所述矢量地址反馈至所述随机存储器，
其中，
所述微控制单元设置有微控制单元存储器，作为所述微控制单元的运算所需存储器。
2.根据权利要求1所述的影像波束形成方法，其特征在于，所述升采样数据为原始数据的K倍，K为不小于16的整数。
3.根据权利要求1所述的影像波束形成方法，其特征在于，采用如下公式将所述数据转换为矢量数据
vRAM(n)＝sRAMn(*iRAM(n))，
其中，
n为不小于1的整数，vRAM为矢量数据存储器内的矢量数据，sRAMn为随机存储器内的矢量数据，iRAM为矢量地址存储器内的矢量地址。
4.根据权利要求3所述的影像波束形成方法，其特征在于，n个矢量地址与n个矢量数据一一对应，
并且，
n为不小于1的整数。
5.根据权利要求1～4任一项所述的影像波束形成方法，其特征在于，所述串并转换接收器、所述先进先出数据缓存器、所述插值滤波器以及所述随机存储器的设置数量均为N个，其中，N为不小于32的整数。
6.根据权利要求5所述的影像波束形成方法，其特征在于，所述先进先出数据缓存器的大小为32B；
和/或，所述插值滤波器为多相位插值滤波器；
和/或，所述随机存储器的大小为256B；
和/或，所述矢量数据存储器的大小为128B；
和/或，所述矢量地址存储器的大小为128B。
7.根据权利要求5所述的影像波束形成方法，其特征在于，所述矢量数据存储器、所述矢量地址存储器、所述微控制单元以及所述微控制单元存储器的设置数量均为1个。
8.根据权利要求7所述的影像波束形成方法，其特征在于，所述微控制单元包括至少1个多核处理器。
9.根据权利要求8所述的影像波束形成方法，其特征在于，所述多核处理器为四核CortexA15处理器。
10.一种影像波束形成装置，其特征在于，包括：
串并转换接收器，用于接收外部串行数据并转换为并行数据，以得到并行数据；
先进先出数据缓存器，与所述串并转换接收器连接，用于存储所述串并转换接收器输出的所述并行数据，以得到原始数据；
插值滤波器，与所述先进先出数据缓存器连接，用于将所述先进先出数据缓存器输出的所述原始数据进行升采样运算，以得到升采样数据；
随机存储器，与所述插值滤波器连接，用于存储所述插值滤波器输出的所述升采样数据，并使所述升采样数据转换为矢量数据；
矢量数据存储器，与所述随机存储器连接，用于存储所述随机存储器输出的所述矢量数据；
微控制单元，与所述矢量数据存储器连接，用于处理所述矢量数据存储器输出的所述矢量数据，并产生矢量地址；以及
矢量地址存储器，与所述微控制单元和所述随机存储器连接，用于存储所述微控制单元输出的所述矢量地址，并将所述矢量地址反馈至所述随机存储器，
其中，
所述微控制单元包含微控制单元存储器，作为所述微控制单元的运算所需存储器。
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Legal Events
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Denomination of invention: Image wave beam forming method and image wave beam forming device Effective date of registration: 20180910 Granted publication date: 20160824 Pledgee: Silicon Valley Bank Co.,Ltd. Pledgor: Beijing East Whale Image Technology Co.,Ltd. Registration number: 2018310000054 |
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Effective date of registration: 20190606 Granted publication date: 20160824 |
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Effective date of registration: 20191206 Granted publication date: 20160824 |
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