Luận Văn Thạc Sĩ Về Lọc Nhiễu Đốm Cho Ảnh Siêu Âm Trên FPGA

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thực hiện lọc nhiễu đốm cho ảnh sáng siêu âm trên fpga, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Phạm Thị Trinh
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Lê Chí Thông
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm Trên FPGA
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp cao học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Công nghệ FPGA
• 2.2. Giới thiệu FPGA
• 2.3. Cyclone II 2C35 FPGA
• 2.4. Tổng quan về Verilog
• 2.5. Giới thiệu kit DE2
• 2.6. Khái quát về các loại nhiễu thƣờng gặp trong ảnh siêu âm
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM SỬ DỤNG MATLAB
• 3.1. Giới thiệu về Matlab và các phƣơng pháp lọc nhiễu sử dụng Matlab
• 3.2. Hệ thống giao diện
• 3.3. Hộp công cụ xử lý ảnh
• 3.4. Phƣơng pháp lọc nhiễu
• 3.5. Thiết kế và lọc nhiễu đốm sử dụng Matlab
• 3.6. Lƣu đồ giải thuật lọc ảnh
• 3.7. Kết quả và thảo luận
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM CHO ẢNH SIÊU ÂM TRÊN FPGA
• 4.1. Nhiệm vụ khối PixelCount
• 4.2. Nhiệm vụ khối Load Data
• 4.3. Nhiệm vụ khối Filter
• 4.4. Nhiệm vụ khối Data_Collector
• 4.5. Nhiệm vụ khối Display_Select
• 4.6. Nhiệm vụ khối VGA_Ctr
• 4.7. Nhiệm vụ khối Display_Ctr
• 4.8. Giao tiếp với VGA và SRAM trên kit DE2
• 4.9. Chức năng và cách thiết kế khối VGA
• 4.10. Sơ đồ tổng hợp khối VGA
• 4.11. Nhiệm vụ của SRAM
• 4.12. Lƣu đồ giải thuật đọc và ghi SRAM
• 4.13. Kết quả và thảo luận
• 4.14. Truyền ảnh từ PC xuống kit DE2
• 4.15. Hiển thị ảnh gốc lên monitor thông qua cổng VGA của kit DE2
• 4.16. Thiết kế bộ lọc
• 4.17. Lọc ảnh và xuất lên màn hình thông qua cổng VGA của kit DE2
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hƣớng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm Trên FPGA

Lọc nhiễu đốm ảnh siêu âm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y học hiện đại. Nhiễu đốm thường làm giảm chất lượng hình ảnh siêu âm, gây khó khăn trong việc chẩn đoán. Việc áp dụng công nghệ FPGA trong xử lý ảnh siêu âm giúp cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh. FPGA cho phép thực hiện các thuật toán lọc phức tạp với tốc độ cao, mang lại kết quả chính xác hơn.

1.1. Khái niệm về Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm

Lọc nhiễu đốm là quá trình loại bỏ các tín hiệu không mong muốn trong ảnh siêu âm. Nhiễu đốm có thể làm che khuất các chi tiết quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng chẩn đoán. Các phương pháp lọc khác nhau được áp dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh.

1.2. Tầm quan trọng của FPGA trong Lọc Nhiễu

FPGA (Field Programmable Gate Array) là công nghệ cho phép lập trình lại mạch tích hợp. Việc sử dụng FPGA trong lọc nhiễu ảnh siêu âm giúp tăng tốc độ xử lý và cải thiện độ chính xác. FPGA có khả năng thực hiện các thuật toán phức tạp mà không làm giảm hiệu suất.

II. Vấn đề và Thách thức trong Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm

Mặc dù có nhiều phương pháp lọc nhiễu, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc xử lý ảnh siêu âm. Nhiễu đốm không chỉ làm giảm chất lượng hình ảnh mà còn gây khó khăn trong việc phân tích và chẩn đoán. Các phương pháp hiện tại vẫn chưa hoàn toàn hiệu quả trong việc bảo tồn các chi tiết quan trọng trong ảnh.

2.1. Các loại Nhiễu Thường Gặp trong Ảnh Siêu Âm

Nhiễu đốm và nhiễu muối tiêu là hai loại nhiễu phổ biến trong ảnh siêu âm. Chúng có thể làm giảm độ tương phản và che khuất các chi tiết quan trọng. Việc nhận diện và xử lý các loại nhiễu này là rất cần thiết để cải thiện chất lượng hình ảnh.

2.2. Thách thức trong Việc Bảo Tồn Chi Tiết Hình Ảnh

Một trong những thách thức lớn nhất trong lọc nhiễu là bảo tồn các chi tiết quan trọng trong ảnh. Nhiều phương pháp lọc có thể làm mất đi các thông tin cần thiết, dẫn đến chẩn đoán sai. Cần có các giải pháp hiệu quả hơn để giải quyết vấn đề này.

III. Phương Pháp Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm Trên FPGA

Có nhiều phương pháp lọc nhiễu được áp dụng trong xử lý ảnh siêu âm. Trong đó, bộ lọc Median và Modified Hybrid Median là hai phương pháp phổ biến. Việc triển khai các bộ lọc này trên FPGA giúp tăng tốc độ xử lý và cải thiện chất lượng hình ảnh.

3.1. Bộ Lọc Median trong Xử Lý Ảnh

Bộ lọc Median là một trong những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả trong việc loại bỏ nhiễu đốm. Phương pháp này hoạt động bằng cách thay thế giá trị của một pixel bằng giá trị trung bình của các pixel lân cận. Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu mà không làm mất đi các chi tiết quan trọng.

3.2. Bộ Lọc Modified Hybrid Median

Bộ lọc Modified Hybrid Median kết hợp giữa bộ lọc Median và các phương pháp khác để cải thiện hiệu quả lọc. Phương pháp này không chỉ loại bỏ nhiễu mà còn bảo tồn các cạnh trong ảnh, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh siêu âm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm

Việc áp dụng các phương pháp lọc nhiễu trên FPGA trong thực tế đã mang lại nhiều kết quả khả quan. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc Median và Modified Hybrid Median giúp cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh siêu âm. Điều này không chỉ giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác hơn mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình điều trị.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu và So Sánh

Nghiên cứu cho thấy bộ lọc Modified Hybrid Median cho kết quả tốt hơn so với bộ lọc Median trong việc loại bỏ nhiễu đốm. Các chỉ số như PSNR, MSE cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong chất lượng hình ảnh siêu âm.

4.2. Ứng Dụng trong Y Tế

Các phương pháp lọc nhiễu ảnh siêu âm trên FPGA đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực y tế. Việc cải thiện chất lượng hình ảnh giúp bác sĩ có thể chẩn đoán chính xác hơn, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Lọc nhiễu đốm ảnh siêu âm trên FPGA là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Các phương pháp hiện tại đã cho thấy hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Hướng phát triển tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện tốc độ xử lý và độ chính xác của các phương pháp lọc.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng FPGA trong lọc nhiễu ảnh siêu âm mang lại nhiều lợi ích. Các bộ lọc như Median và Modified Hybrid Median đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh.

5.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tương Lai

Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán lọc mới, cải thiện khả năng xử lý của FPGA và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 4 năm 2014 Phạm Thị Trinh i LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè.

Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Lê Chí Thông, người đã tận tình và trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên những kiến thức rất bổ ích, quý báu để học viên tiến hành nghiên cứu luận văn này. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn quí Thầy, Cô Trường Trung Cấp Kinh Tế Kỹ Thuật Long An đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn.

Và xin gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn! ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này tác giả đã tiến hành nghiên cứu các kỹ thuật lọc nhiễu, đặc biệt là nhiễu đốm trên ảnh siêu âm. Tác giả đã thực hiện lọc nhiễu đốm, nhiễu muối tiêu sử dụng Matlab cho các ảnh thông thƣờng và ảnh siêu âm nhằm so sánh các kết quả để cuối cùng chọn ra bộ lọc tốt nhất để lọc ảnh siêu âm bị nhiễu đốm. Đặc biệt là tác giả đã thực hiện lọc nhiễu đốm cho ảnh siêu âm trên FPGA với hai bộ lọc Median và Modified hybrid median cùng hiển thị trên một màn hình giúp cho ngƣời xem dễ dàng phân biệt đƣợc ƣu, nhƣợc điểm của từng bộ lọc.

Các kết quả thực hiện cụ thể cũng đƣợc tác giả trình bày chi tiết trong luận văn này. iii ABSTRACT In this paper the authors have studied the interference filtering techniques, especially the spots on the ultrasound image. The author made a noise spots, salt and pepper noise to the image using Matlab and conventional ultrasound imaging to compare the final results to choose the best filter to filter noise in ultrasound spots. Especially the authors have made a noise on the ultrasound image spots with two FPGA and Modified hybrid median filter median and displayed on a screen to help viewers easily distinguish the advantages and disadvantages of each filter.

The results of the specific author and are presented in detail in this thesis. iv MỤC LỤC Trang TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN. iii MỤC LỤC .v DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT.

vii DANH SÁCH CÁC HÌNH. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG .xi Chƣơng 1: TỔNG QUAN .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố .2 Mục đích của đề tài .3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu .10 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Công nghệ FPGA. Giới thiệu FPGA .2 Cyclone II 2C35 FPGA. Tổng quan về Verilog.3 Giới thiệu kit DE2 .4 Khái quát về các loại nhiễu thƣờng gặp trong ảnh siêu âm .32 Chƣơng 3: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM SỬ DỤNG MATLAB .1 Giới thiệu về Matlab và các phƣơng pháp lọc nhiễu sử dụng Matlab .3 Hệ thống giao diện.4 Hộp công cụ xử lý ảnh.5 Phƣơng pháp lọc nhiễu .2 Thiết kế và lọc nhiễu đốm sử dụng Matlab .2 Lƣu đồ giải thuật lọc ảnh .3 Kết quả và thảo luận .48 Chƣơng 4: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM CHO ẢNH SIÊU ÂM TRÊN FPGA .1 Nhiệm vụ khối PixelCount .2 Nhiệm vụ khối Load Data .3 Nhiệm vụ khối Filter .4 Nhiệm vụ khối Data_Collector .5 Nhiệm vụ khối Display_Select .6 Nhiệm vụ khối VGA_Ctr .7 Nhiệm vụ khối Display_Ctr.3 Giao tiếp với VGA và SRAM trên kit DE2 .1 Chức năng và cách thiết kế khối VGA .2 Sơ đồ tổng hợp khối VGA .3 Nhiệm vụ của SRAM.

Lƣu đồ giải thuật đọc và ghi SRAM .4 Kết quả và thảo luận .1 Truyền ảnh từ PC xuống kit DE2 .2 Hiển thị ảnh gốc lên monitor thông qua cổng VGA của kit DE2 .3 Thiết kế bộ lọc .4 Lọc ảnh và xuất lên màn hình thông qua cổng VGA của kit DE2 .70 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .3 Hƣớng phát triển .75 TÀI LIỆU THAM KHẢO .76 vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT FPGA : Field programmable Gate Array DE : Developmentand and Education. PLDs : Programmable Logic Device ASICs : Application-specific Integrated Circuit LAB : Logic Array Block PLL : Phase-Locked Loop CLK : Clock DPCLK : Clock dual-purpose DSP : Digital signal processing VGA : Video Graphics Array DAC : Digital-to-analog converter CRT : Cathode ray tube RGB : Red Green Blue RAM : Random Access Memory SRAM : Static random-access memory SDRAM : Synchronous dynamic random access PC : Personal Computer SNR : Signal-to-noise ratio RMSE : Root-mean-square error PSNR : Peak signal-to-noise ratio QI : Quality index SSI : Similar structure index EPF : Ability to preserve edges MSE : Mean square error LUT : Look up table vii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Ảnh siêu âm tim lấy từ các vị trí khác nhau của tim bệnh nhân khác nhau. Error! Bookmark not defined.2: Nhiễu đốm trong hình ảnh đƣợc lọc bởi SRAD .3: Ảnh đƣợc lọc với bộ lọc Hybrid đã loại bỏ đƣợc cả nhiễu đốm và nhiễu xung.1: Cấu trúc của chip Cyclone II .2: Sơ đồ cấu trúc của LE trong Cyclone II .3: Cấu trúc LAB trong Cyclone II .4: Minh họa cách kết nối trực tiếp .5: Mô tả các tín hiệu khối LAB .6: Mô tả kết nối nhiều LAB .7: Sơ đồ liên kết chuỗi thanh ghi .9: Sơ đồ khối điều khiển clock .10: Bộ phân kênh xung clock .11: Các vùng clock I/O và LAB .12: Sơ đồ khối của PLL .13 : Mô tả kết nối giữa LAB với M4K.14 : Cấu trúc khối nhân .15 : Giao tiếp giữa khối nhân với LAB .16 : Cấu trúc IOE .17 : Sơ đồ kết nối khối IO hàng vào mạng lƣới liên kết .18 : Sơ đồ kết nối khối IO cột vào mạng lƣới liên kết .19 : Đƣờng tín hiệu đi qua khối IO .20 : Lựa chọn tín hiệu điều khiển cho IOE .21 : Cấu hình 2 chiều của IOE .23: Các bộ phận kết nối kit DE2 .24: Ảnh nhiễu muối tiêu .25: Ảnh nhiễu đốm .1: Các kiểu dữ liệu trong Matlab .2: Giao diện của Matlab .3: Minh họa ảnh nhị phân .4: Minh họa ảnh indexed .5: Minh họa ảnh mức xám .6: Minh họa ảnh RGB .7: Tọa độ điểm ảnh .8 : Ma trận bộ lọc Modifed hybrid median .9: Lƣu đồ lọc ảnh sử dụng Matlab .10: Lọc ảnh thông thƣờng và ảnh siêu âm nhiễu đốm thật dùng Matlab .11: Lọc ảnh thông thƣờng và ảnh siêu âm nhiễu đốm giả dùng Matlab .12: Dùng Matlab lọc nhiễu đốm cho ảnh siêu âm .13: Dùng matlab lọc nhiễu muối tiêu cho ảnh thông thƣờng (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .14: Dùng Matlab lọc nhiễu đốm cho ảnh ảnh thông thƣờng (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .15: Dùng Matlab lọc nhiễu muối tiêu cho ảnh ảnh siêu âm (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .16: Dùng Matlab lọc nhiễu đốm cho ảnh ảnh siêu âm (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .1: Sơ đồ khối Image Process.3: Lƣu đồ giải thuật khối PixelCount .5: Khối VGA_control và các port giao tiếp.6: Sơ đồ khối VGA đƣợc tổng hợp bởi Quartus II .7: Các vùng trong bộ nhớ của SRAM .8: Dạng sóng giao tiếp với SRAM .11: Dữ liệu ảnh gốc .12: Dữ liệu lấy từ SRAM .13: Ảnh gốc đƣợc xuất ra từ cổng VGA của kit DE2 lên màn hình CRT .14: Dạng sóng mô tả bộ lọc Modified hybrid median .15: Ảnh gốc (a) và ảnh sau lọc bằng bộ lọc Median (b); các mũi tên chỉ các điểm nhiễu đốm .16: Ảnh gốc (a) và ảnh sau lọc bằng bộ lọc bằng Median (b), bộ lọc Modified hybrid median hình “chữ X” (c) và bộ lọc Modified hybrid median hình “chữ +” (d); các mũi tên chỉ các điểm nhiễu đốm. 73 x DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thống kế thông số các tiêu chuẩn nhƣ PSNR, MSE, RMSE của bộ lọc đề xuất và phƣơng pháp SRAD đối với hình ảnh siêu âm tim.2: Chất lƣợng bộ lọc đánh giá thông qua các thông số PSNR, IQI, ENL, MSSIM và thời gian thực hiện yêu cầu .1 : Kết quả so sánh hai bộ lọc Median và Modified hybrid median với σ2 = 0,2 .2 : Kết quả so sánh hai bộ lọc Median và Modified hybrid median cho ảnh dùng trong đề tài.

48 xi Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố Trong những năm gần đây, siêu âm đang đƣợc sử dụng rộng rãi để chẩn đoán các cơ quan khác nhau trong cơ thể ngƣời nhƣ: tim, thận, tuyến tiền liệt, gan, buồng trứng, tử cung, tuyến giáp, v.v đặc biệt là siêu âm thai nhi, phƣơng pháp siêu âm đã mang lại những kết quả nhất định trong lĩnh vực y khoa. Tuy nhiên, một trong những hạn chế của nó là sự tƣơng phản thấp, hình ảnh nhiễu cao ảnh hƣởng đến kết quả là điều không thể tránh khỏi. Nhiễu thƣờng gặp trong ảnh siêu âm là nhiễu đốm, nhiễu đốm đã che lấp một phần hoặc toàn phần các chi tiết trong một hình ảnh hoặc có thể gây chuẩn đoán nhầm và dẫn đến kết luận sai. Do đó lọc nhiễu đốm là một điều kiện tiên quyết trong siêu âm, với điều kiện là các tính năng cho chẩn đoán tƣơng đối chuẩn xác.

Hiện nay xử lý ảnh là một kỹ thuật đang đƣợc ứng dụng rất phổ biến, bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Với sự tiến bộ không ngừng của nền khoa học kỹ thuật trong và ngoài nƣớc, lĩnh vực xử lý ảnh ngoài việc tạo ra một bức ảnh đẹp, sắc nét, đáp ứng thẩm mỹ của con ngƣời, mà còn có ý nghĩa trong lĩnh vực y khoa vì xử lý ảnh có thể tạo ra những hình ảnh trung thực, rõ nét, giúp đội ngũ y bác sĩ có thể chẩn đoán chính xác cho bệnh nhân trong siêu âm, giảm sai sót đáng tiếc có thể xảy ra.