医学监测仪器中叠加及滚动显示技术的探讨

摘要 研究显示芯片中图形控制和视频通道的原理。提出一种利用图形控制和视频通道功能实现便携式医学监测仪器中文字，图形和连续波形叠加显示的方法。 关键词 医学监测仪器；图形控制；视频通道；叠加滚动显示。 Discussion of displaying technique in the mode of overlaying and rolling in the medical monitoring instruments Lv shal-li(Aeromedical Research Institute, Beijing 100036) Abstract Study the mechanism of graphic controlling and video channels enclosed in the display chips. Propose a realizing method of overlaying text, graphic and rolling curves in the portable medical instrument by making use of mechanism of graphic controlling and video channels. Keywords: medical monitoring instruments; Graphic control;video channel; overlay; video capture; playback; rolling display. 一．医学监测仪器中叠加及滚动显示的意义： 医学监测仪器所监测的内容主要分为波形类参数和数据类参数。在波形参数中有心电波形、呼吸波形、脉搏波形、脑电波形、动脉压力和静脉压力波形等；在数据类参数中有心率、呼吸率、血氧饱和度、无创血压值等。 波形类参数的显示主要分为两种：刷新式显示和滚动式显示。如下图： （图一） 所谓刷新式显示就是在显示屏幕上延水平方向不断画出当前波形的同时擦除前一时间段的波形，波形整体在屏幕上固定不动。而滚动式显示是波形整体在屏幕上平移，新的波形移入；旧的波形移出。刷新式显示由于波形在屏幕上固定显示不动，具有相对静止观察的特点，但由于波形在屏幕上首尾相接，缺乏时间上的连续感，观察者需要移动眼球跟踪新波形的生成显示。而在滚动式显示时，整个屏幕显示的波形是连续的。观察者不需要移动目光，在屏幕上任何一点就可以观察波形的连续变化，有如医生习惯的多导心电描记器或脑电描记器走纸。从人的视觉感受角度上看，滚动显示更能如实表达人体生理信号波形（如心电图等）的形成时序。 数据类参数的显示是静止的。对于叠加及滚动式显示来说，静止的数据和滚动的波形就象是两个独立的显示层，可以重叠而互不影响。这对于在监测不中断的情况下冻结异常生理波形（如心电早搏，呼吸暂停等）便于医生观察、分析来讲是十分方便和生动的。 二．医学监测仪器中叠加及滚动显示的发展历史： 为了追求显示界面的完美和友好，人们在实现叠加及滚动显示方面做了大量的工作。在图形显示卡出现之前，人们曾在示波器中添加存储器，利用慢写/快读的方法来实现滚动显示这一功能，后来又利用单片机取代了硬件控制电路，同时提高了滚动显示的稳定性和灵活性。示波器+存储器方法实现滚动显示的原理如下图： （图二） 在图二中假设每行256个象素点；单踪示波器。每一场采样一次输入信号，并存入256字节的RAM中。显示的象素也是从RAM中取出，经过D/A变换输出给显象管。其中8位可预置计数器保证每行最后一个显示的象素是最新采样进去的值。这样写入RAM的速度是每场1个；而从RAM读出的速度是每场256个。这就是所谓慢写/快读滚动显示的原理。 随着图形显示芯片的出现，我们还曾用过Trident 公司的两个8900D显示芯片同时在一台计算机上独立工作，通过软件控制使它们分别显示静止和滚动图形，但DAC转换器共用一个。将DAC转换器的输入分为两组，分别来自这两个8900D显示芯片的输出，于是DAC转换器输出的信号在屏幕上显示的结果就是静止图形和滚动图形的叠加。 三．医学监测仪器中叠加及滚动显示技术新的探讨： 大多数医疗仪器都涉及到波形连续显示问题，尤其是监测类仪器，如多参数病人监护仪，睡眠监测仪等。它们不仅要求显示连续的波形，还要求显示生理参数数据。目前医疗仪器市场上连续波形的显示方式还是分为刷新显示和滚动显示。从编程技术角度上看，滚动显示的难度远远大于刷新显示。因为理想的滚动显示在要求波形平滑移动的同时还要求显示文字参数如：心率，呼吸率和血氧饱和度等，并且最好是滚动的波形和固定的文字可以叠加，从而使画面更加生动（比如当你冻结某一时间段的心电波形时，冻结的波形可以覆盖在继续滚动的心电波形之上）。计算机显示芯片的发展速度很快，现在市面上流行的显示芯片的种类繁多，它们的功能更强，速度更快，一般都带图形加速和支持多媒体播放功能。比如：S3 775，Vood系列TNT2等，所以现在完全可以利用显示芯片的硬件功能只用一个显示芯片来实现滚动和叠加显示。平滑移动显示波形已经不是特殊技术。通过显示芯片的BITBLT控制可以随意的上下左右地移动显示内容，而且是由硬件完成，速度很快。但是在移动图形的同时实现叠加还没有现成的软件包。 比较直接的实现滚动和叠加显示的方案就是依赖芯片的高速能力在显示的每一祯都刷新整个显示缓存区。这种方案对计算机CUP和显示芯片的速度要求很高。对于基于自带显示芯片的嵌入式计算机主板，尤其是PC104主板（常用于大多数便携式医疗仪器内），其档次远低于台式高档计算机，自然不可能胜任如此频繁的针对每一显示祯的刷新工作。但是现在显示芯片都提供至少两个输入数据流通道：一个是通过PCI/VL总线进入，也就是我们可以通过CPU控制显示内容的通道；另外还有用于多媒体显示输入的Video capture数据流通道。以C&T69000显示芯片为例，芯片内的数据流框图如下： （图三） 从图三中可以看到进入显示芯片的数据流有两部分：一路是从计算机总线进入；另一路从视频通道进入。这两路数据通过存储器控制器（Memory control）放入显示存储器中，在64位图形引擎的控制下可以合成输出。这也就是图形显示术语中的video capture, playback 和overlay。 针对滚动和叠加显示的需要，我们可以设法将视频输入数据流存放的缓存区作为固定的参数显示层；将计算机总线输入数据流作为平滑移动的波形显示层。根据特定的滚动叠加需要，我们没有必要去考虑视频数据流的输入问题，我们只要关心它的格式和存放方式以及回放的原理就可以达到我们的目的。 1.彩色图形数据的格式： 彩色图像的记录,有很多种不同的格式,一般常见的有 RGB,YUV,CMYK 等。RGB是直接对应于人眼对色彩的感应，是以三原色红、绿、蓝（Red、Green、Blue） 为基础；YUV对应的是人眼视觉对于亮度的敏感程度大于对彩度的敏感程度,因而将彩色画面讯号分为 Y 与 UV 两 部份分别记录，Y 代表的是亮度,明暗的程度,UV 代表的是彩度,色彩鲜艳的程度. 常用格式中 Y:UV 记录的比重通常 1:1 or 2:1;至于 CMYK,这是印刷用的格式, 属于减色的表示法,与 RGB和YUV 又不相同。YUV与RGB的转换公式为： 红=1.402 * v + y + 0.5 绿=y - 0.7143 * v -0.3437 * u + 0.5 蓝=1.77 * u + y +0.5 红绿蓝取值均为0-255范围。 2.多媒体捕获和显示系统： C&T69000显示芯片在片内使用独立的多媒体捕获和显示系统。捕获系统将数据放置在显示存储器中（通常是在屏幕窗口外的显示存储器中）；显示系统将数据放置在屏幕的窗口中。捕获系统可以从系统总线输入数据或从视频端口输入RGB或YUV格式数据。输入的数据在存储到显示存储器前还可以进行比例缩小的变换。64位图形引擎可以将数字式视频信号通过一种称为“视频覆盖”（Video Overlay）的技术进行处理。通过“视频覆盖”，显示卡就会在当前屏幕上绘制一个新的图像层来显示视频图像。这也正是为什么我们可以在电脑的桌面上开一个小窗口播放视频节目如VCD/DVD的原因。由于这个图像层有自己的显示设置（通过Multimedia Registers控制），和正常显示设定是不同的，即使你通过调整显示卡的亮度或者对比度使屏幕显示效果看起来不错，但这对DVD等视频播放的效果却没有一点作用。基于以上原理，我们可以利用视频信号的存储区作为一个新的显示层。只要存放数据的格式符合RGB或YUV标准，通过比例变换调整到满屏就可以和当前屏幕窗口中的内容叠加显示。当前屏幕窗口中的内容可以通过位块移动（BITBLT）功能进行平移，而此时视频信号存储区的显示内容是不会随之移动的。位块移动功能是可以通过控制一组BITBLT寄存器组来实现。 利用了显示芯片的硬件功能达到叠加及滚动显示效果的好处就是速度快，对显示芯片的档次要求不高，一般嵌入式计算机板卡上自带的显示芯片都可以胜任此工作。这一方法已经在Angel-120多参数病人监护仪; Angel-120c八床中央监护站中应用。 参考文献 1．《65550（HiQV32TM）High Performance Multimedia Flat Panel/CRT GUI Accelerator》 2．俞梦孙、吕沙里、张洪成《生物信号推进式滚动显示的全隔离的数据采集系统与方法》。专利号： ZL 95 1 09947。7 国际专利主分类号：G06F 17/60