实时数字图像处理体系结构制造技术

本发明专利技术涉及一种数字图像处理体系结构，尤其用于处理由生物传感器读取器(100)的照相机(101)提供的数字图像。该体系结构包括像素处理单元(112)，用于关于图像区域中给定组的处理点(PSi(t))评估图像值流(I(x，y，t))，因而确定例如处理点(PSi(t))中的像素值的积分(Ei(t))的特征参数。像素处理单元(112)与高级数字控制单元(130)通信，其设置将评估的处理点(PSi(t))，并且读出像素处理单元(112)的结果并对所述结果进行后处理。

【技术实现步骤摘要】
本申请是2008年12月18日提交的申请号为200880127968.3、名称为“实时数字图像处理体系结构”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种用于实时评估照相机提供的图像帧序列的方法和数字图像处理设备。而且，其涉及一种用于执行这种方法的计算机程序产品。
技术介绍
在如DE69915481T2所述的便携式光学生物传感器中，具有待研究样本的盒体(cartridge)的大部分区域可以在一个步骤中光学地读出，并且同时，通过使用数字照相机可以获得高空间分辨率。随后，这种照相机提供的帧序列需要参考样本中发生的局部处理而得以评估。使用通用处理器上的软件进行这种处理需要在小型便携式设备中通常不可获得的高处理能力。在文献(MASON等的“Quantiative real time imaging of optical probes in living cells”，12章，FLUORESCENT AND LUMINESCENT PROBES FOR BIOLOGICAL ACTIVITY:A PRACTICAL GUIDE TO TECHNOLOGY FOR QUANTITATIVE REAL-TIME ANALYSIS(BIOLOGICAL TECHNIQUES),1993,第155-179页)中描述了用于分析生物处理的视频图像的过程。一种已知的方法包括对视频信号进行数字化，然后进行若干连续视频帧的可能积分和求平均。然后存储经处理的帧并进一步离线评估，从而例如允许以光笔监视由用户选择的像素区域中的图像值。US2001/041347A1公开了用于测量孔板中荧光的仪器。扫描该孔板并自动监测荧光细胞。然而，没有提供关于数据采集和/或数据处理硬件的细节。
技术实现思路
基于该背景，本专利技术的目的是提供用于有效评估数字图像的装置，其中需要这些装置允许在如生物传感器的便携式设备中实时评估图像。由根据权利要求1所述的数字图像处理设备、根据权利要求14所述的方法以
及根据权利要求15所述的计算机程序产品实现该目的。在从属权利要求中公开了优选实施例。根据本专利技术的数字图像处理设备用于实时评估诸如CCD或CMOS照相机的数字照相机提供的图像帧序列。该图像尤其可以描述某些光学生物传感器中的盒体区域，但是本专利技术不局限于该应用。图像处理设备包括下列两个主要部件：a)数字“像素处理单元”，其用于确定与图像区域中的一组处理点相关的至少一个特征参数，其中，根据图像值流进行所述确定。像素处理单元尤其可以由一些特定数字硬件实现，例如，现场可编程门阵列(FPGA)。“处理点”应当指照相机所成像的整个区域中的感兴趣子区域。所提及的“一组处理点”可以包括仅一个要素，然而优选地是包括多个这种处理点。通常(但是并非必须)，处理点将不重叠。最后，应当注意到，“图像值”指构成整个帧的独立图像点或像素的数字值；图像值通常表示亮度和/或颜色(例如，以RGB坐标)。b)高级“数字控制单元”，其与像素处理单元耦合用于与其通信，并且适于设置(确定和规定)当前要由像素处理单元处理的该组处理点。而且，数字控制单元适于读出和后处理由像素处理单元确定的特征参数。数字控制单元通常将包括一些通用数字数据处理硬件，例如具有相关软件的微型计算机或微控制器。所述图像处理设备提供了一种体系结构，其最优地适于快速、实时地处理来自照相机的帧，这是因为其实现了智能任务共享：一方面，由像素处理单元快速(但简单地)持续处理不断引入的图像值流；另一方面，由数字控制单元对整个过程进行高级控制并且对原始结果进一步更精密地评估。这样，设备的通用计算容量免于直接处理输入数据流，并且作为替代地集中在高级控制和评估任务上。已经提及的是，处理点一般指(已连接的或未连接的)成像区域的子区域。优选地，处理点涉及矩形图像区域，该区域的边缘分别平行于图像帧的行和列定向。然后，这种处理点能够顺利地仅由第一/最后行/列的四个坐标而描述。而且，这种形状尤其适于处理逐行表示图像的像素流。该组处理点可以仅包括一个单一处理点。优选地，其包括由像素处理单元并行处理的多个处理点。多个处理点可以散布在整个图像区域上，因而覆盖整个帧，或者处理点可以仅位于图像条纹中。在后者情况下，处理整个图像帧通常将通过逐个处理一系列图像条纹而进行。一般地，由像素处理单元确定的至少一个特征参数可以是能够根据图像值(像素)流计算的感兴趣的任何参量。在大部分情况下，特征参数将是根据图像值流
容易一次确定的参量，例如图像值的一些积分(总和)。尤其，特征参数可以包括所考虑的处理点中的所有图像值(例如灰阶)和/或所有这些图像值与给定参考值的偏差的(例如，绝对偏差或者平方偏差的)函数的(归一化)积分。第一这些积分涉及处理点的亮度，而第二这些积分表示点区域中该值的空间变化(噪声)。前述参考值和/或其变化率可以任选地由数字控制单元基于在先帧的特征参数确定。数字图像处理设备可以特别地包括至少一个寄存器，称为“影子寄存器(shadow register)”，用于暂时存储要在像素处理单元和数字控制单元之间交换的数据。这样，可以缓和对数据交换速度的需求。根据特定应用，不同的方法将最适于由数字控制单元设置像素处理单元中的当前组处理点。因而，例如，可以在评估整个帧序列之前一次设置该组处理点。如果在所有连续帧中处理点都是相同的并且如果有足够的容量来存储所有处理点数据，该方法是可行的。然而，如果处理点的位置和/或形状在不同帧之间发生变化，该组处理点将宁愿在每个新帧开始时在像素处理单元中重新设置。类似地，该组处理点可以在整个帧的每个预定子帧开始时设置，例如始终在照相机图像的新条纹(包括给定数量的图像线)的开始处。如果像素处理单元不具有足够的容量以并行处理整个帧的所有处理点，那么通常将对子帧应用这种处理。最后，能够在像素处理单元要求时设置当前组处理点。每次像素处理单元已经完成处理点的评估时，例如其可以向数字控制单元发布中断，以指示可获得处理点的结果(特征参数)并且能够设置待评估的新处理点的坐标。该方法关于处理点的位置和/或形状具有最高灵活性，即它们可以非常任意地(在一种情况下为蘑菇形)分布在图像区域上。在本专利技术的又一演变中，设计数字控制单元以迭代地使处理点适配于标记物的图像，即适配于照相机提供的图像中已知外观(形状、尺寸、强度和/或颜色)的结构。使处理点适配于标记物，通常基于逐个帧进行，并且将最终产生关于图像中的标记物的信息，例如其位置、尺寸和/或形状。该标记物例如可以由线、十字交叉、圆环或被成像的对象所包括的一些其他符号。已知一个或多个标记物的位置将允许推断区域中其他区域的位置，例如(至少最初)不可检测或者几乎不可检测的研究区域。一旦经由标记物确定了这些区域，可以将处理点分配给它们，用于评估照相机的观察力(observation)。然而，光学像差，例如正或负(枕形)
失真和/或变化的光学放大倍数，能够借助于对准标记物而被检测和校正。在本专利技术的又一演变中，图像处理设备包括聚焦模块，其用于基于至少一个确定的特征参数而改变照相机的焦点。聚焦模块可以例如包括机电机构，其能够移动照相机的透镜。而且，焦点改变可以尤其基于在处理点中所有图像值与参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字图像处理设备(100)，其用于在数字像素处理单元(112)和高级数字控制单元(130)之间实现智能任务共享，从而使得能够实时评估由照相机(101)提供的图像帧(It)序列，所述数字图像处理设备包括：a)所述数字像素处理单元(112)，其用于在时间上受所述图像帧序列控制、根据图像值(I(x，y，t))流确定图像区域中的一组处理点(PSi，PSa，PSb)的至少一个特征参数(Ei，σ'i)；b)所述高级数字控制单元(130)，其与所述像素处理单元(112)通信，从而设置供所述数字像素处理单元(112)使用的所述组处理点以及读出由所述数字像素处理单元(112)确定的特征参数并对所述确定的特征参数进行后处理。

【技术特征摘要】
2008.03.12 EP 08102552.01.一种数字图像处理设备(100)，其用于在数字像素处理单元(112)和高级数字控制单元(130)之间实现智能任务共享，从而使得能够实时评估由照相机(101)提供的图像帧(It)序列，所述数字图像处理设备包括：a)所述数字像素处理单元(112)，其用于在时间上受所述图像帧序列控制、根据图像值(I(x，y，t))流确定图像区域中的一组处理点(PSi，PSa，PSb)的至少一个特征参数(Ei，σ'i)；b)所述高级数字控制单元(130)，其与所述像素处理单元(112)通信，从而设置供所述数字像素处理单元(112)使用的所述组处理点以及读出由所述数字像素处理单元(112)确定的特征参数并对所述确定的特征参数进行后处理。2.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于所述处理点涉及矩形图像区域(PSi，PSa，PSb)。3.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于每组处理点(PSi，PSa，PSb)包括仅仅单一处理点、来自图像条纹(Sj)的多个处理点，和/或来自整个图像区域的多个处理点。4.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于所述特征参数包括处理点(PSi)中所有图像值(I(x，y，t))的积分(Ei)和/或它们与参考值(êi)的偏差的函数的积分(σ'i)。5.根据权利要求4所述的图像处理设备(100)，其特征在于所述参考值(êi)和/或其变化率由所述数字控制单元(130)基于在先帧的特征参数(Ei)确定。6.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于其包括至少一个影子寄存器(120－124)，所述影子寄存器用于存储在
\t所述像素处理单元(112)和所述数字控制单元(130)之间待交换的数据。7.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于在评估帧序列之前、在每帧开始时、在子帧(Sj)开始时和/或根据所述像素处理单元(112)的要求，一次设置每组处理点(PSi，PSa，PSb)。8.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于所述数字控制单元(130)使至少一个处理点(PSa，PSb)迭代地与标记物(AM)的图像位置适配。9.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于其包括聚焦模块(143)，所述聚焦模块用于基于所述特征参数(Ei，σ'i)来改变所述照相机(101)的焦点。10.根据权利要求9所述的图像处理设备(100)，其特征在于所述特征参数(Ei，σ'i)是在处理点(PSa，PSb)中所有图像值(I(x，y，t))与参考值(êi)的偏差的函数。11.根据权利要求1所述的图像处理设备(100)，其特征在于其包括状态指示器(141)，所述状态指示器用于在检测到至少一个图像帧(It)中的异常状态时发出信号。12.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·H·M·卡尔曼，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL