睢丹 何方
摘 要： 当前的图谱图像分析系统通过图像特征高速峰值进行特征检测与分割，检测到的图谱图像脉冲峰值具有不可预测性，系统受到的干扰较大，容易产生图谱图像特征泳道粘连干扰，检测效果不佳。提出一种小型化、低功耗和全波采样的新型的图谱图像分析系统优化设计方案，引入一种置信区间的理论，根据图谱特征背景灰度值的大小计算谱带，运用高斯分布概率设定一个置信区间，运用置信区间对粘连泳道进行最优分割处理，完成分析。仿真结果表明，以DNA指纹图谱图像为例，采用该系统能有效实现对图谱进行分析，测谱准确，有效抑制了干扰失真，且功耗较低，展示了其优越性能。
关键词： 图谱分析； 灰度特征； 系统设计； 置信区间
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）24?0023?04
Optimization design of image spectrum analysis system introducing confidence interval
SUI Dan1， 2， HE Fang2
（1. School of Information Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；
2. School of Software， Anyang Normal University， Anyang 455000， China）
Abstract： The high?speed peak value of image feature is adopted in the current spectrum image analysis system to conduct feature detection and segmentation， in which the detected pulse peak value of the spectrum image has unpredictability， and the system is influenced by the interference greatly and prone to cause lane adhesion interference of the spectrum image feature， so it results in poor detection effect. An optimization design scheme applied to the new spectrum image analysis system of miniaturization， low power consumption and full?wave sampling is proposed. The theory of confidence interval is introduced to calculate the band according to the grey value of the spectrum feature background， and the confidence interval is set with Gaussian distribution probability， which can be used to conduct the optimal segmentation of the adhesion lane， so the analysis is completed. The simulation results show that， taking DNA fingerprint image as an instance， the system can analyze the image spectrum effectively， which is accurate for spectral measurement， can restrain the disturbance distortion effectively， and has low power consumption. The superior performance of the system is showed.
Keywords： image spectrum analysis； gray characteristic； system design； confidence interval
0 引 言
对各种特征进行图谱分析，在很多领域有着广泛的应用，其中以图像处理为代理的图谱分析技术是相关技术的基础。传统的图谱分析系统主要采用高速峰值检测器实行图像信号峰值检验，一旦检验到图像脉冲图谱峰值，经过后面的图谱峰值维持器把峰值维持住，转为图像数字信号，每个数字信号对应单片机内存中的一个地址，实现对相关图谱的检测与分析[1?2]。对此，相关文献进行了系统的设计与实现，其中，文献[3]提出一种基于基阵激励驱动电路宽频带分析的图谱分析系统，将伽马射线转换为电脉冲信号，检测图谱，进行能谱测量，但是该系统的缺点是测谱过程中按图谱能级分别计数，但是误差较大；文献[4]提出一种基于自振荡功率放大控制的图谱分析系统，采用模糊自振荡功率放大控制方法，对DNA图谱特征进行能谱分析和定量递归特征提取，提高检测性能，但是该系统的设计过程中没有采用数字集成电路设计，导致系统构成复杂，可靠性不好[5?6]。可见，传统的图谱分析系统过高速峰值检测器进行峰值检测，检测到图谱脉冲峰值具有不可预测性，系统受到的干扰较大，稳定性和可靠性不高。
1 新一代图谱分析系统硬件设计与实现
1.1 器件选择和外围电路设计
图谱分析系统主要是通过相关硬件结合图像处理结束完成相关的工作。主要的外围器件包括：A/D转换器和D/A转换器。系统的外围电路芯片选择ADI公司的ADSP?BF537，为了高性能、高可靠性地进行一些特征含量检测和图谱分析，将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加器（MAC）结合。ADSP?BF537芯片具有16位DSP，主频600 MHz，采用动态电源管理能力， 以实现600 MHz的持续工作。本文采用ADSP?BF537进行图谱分析系统设计的系统框图如图1所示。
图1 ADSP?BF537系统框图
由图1可见，采用ADSP?BF537进行图谱分析系统设计，ADSP?BF537具有12通道DMA，有专用管脚支持外部DMA请求，在进行图谱检测中，采用8个32位定时器/计数器，支持PWM。根据上述分析，设计图谱检测分析系统的A/D转换器和D/A转换器外围电路，如图2所示。
图2 系统的A/D转换器和D/A转换器外围电路
通过图2给出的电路分析，外围电路需一个晶振和两个电容设计图谱分析系统的图谱脉冲转换电路，设计过程中选择好合适输出电平，注意配置正确的负载电容，使输出时钟频率精确。
1.2 系统硬件电路模块化设计实现
在上述实行外围电路计划的基本上，采用ADSP?BF537，结合最新的数字信号处理技术进行系统的硬件模块设计，使用ADUM1201及PCA82C250策划图谱解析电路，为了能够提升总线节点的抗干预实力，图谱分析闪烁探头输出的电脉冲信号通过电容耦合进入检测系统，采用自振荡功率放大控制输入调谐回路，清除CAN电源上的瞬态抨击，在电源进口处并联瞬态二极管TVS，保卫收发芯片。得到图谱分析系统的CAN电路通信电路如图3所示。
图3给出的CAN总线驱动器提供了CAN控制器与图谱分析物理总线之间的接口进行图谱脉冲检测，基于光电耦合器实现通道之间的集成。一旦检测到图谱脉冲峰值，分析器荧光屏上便显示成脉冲幅度谱。
2 引入置信区间的图谱分割
方法
在图谱解析的进程中许多泳道特性轻易产生粘连，这导致把背景断定成谱带影响的状况，这种状况在两条谱带间隔较短时更轻易产 生，其效果是把两条谱带“粘贴”成一条，如图4所示，能够从泳道的一维数据里清晰地发现两条“粘合”泳道的波峰也“粘合”在一起。
从图4中能够得出原图像里有28条谱带，衔接一维线性曲线能够呈现第19，20条及第25，26条谱带很轻易看成一条谱带；因而，从现实来看存在较大的粘连干扰。对于这一状况，本文开发了一种新的算法，经实验证明效果很好，因其关键是基于置信区间的表面，故定名为置信区间法。对曾经分割出来的单个泳道图像做一维线性模子，那么可以获得一维数据如图5所示。
如果图谱背景暗（灰度值较小），谱带亮（灰度值较大），那么图5里每一个大的波峰可当作谱带，而小波则是噪声；相反，即指纹图谱配景亮，谱带暗，那么图5中比较大的波谷可当作是谱带，而比较小波谷则可以是噪声。后者能事先转变成前者并利于解析中，图5中波峰值是某一谱带（或噪声）最大亮度，它的波宽是谱带（或者噪声）振幅，因而可获得一系列波峰值。以次类推，在每一个[y]方向上全有位移及亮度关联，可获得一系列波峰值。因而，可看出图谱某条泳道的全部波峰值。
图4 谱带“粘合”问题
图5 一维位移与亮度关系图
从理论上来说，这些波峰满足高斯分散（Gaussian Distibution），它的概率密度函数为：
[fNx=1σ2πe-12x-μσ2] （1）
式中：[x]是某一亮度值；[μ]是图像谱带波峰值的整体平均数；[σ]是谱带波峰值标准差；[fN（x）]是某一波峰值[x]呈现的函数值，其概率累积函数为：
[FN（x0）=-∞01σ2πe-12（x-μσ）2dx=-∞0fN（x）dx] （2）
式中：[FN（x0）]是Gaussian分布的累积函数，其值是从[-∞]至[x0]的累积概率。由Gaussian分散的本质可看出，如果[x0=+∞]时，则[FN（+∞）=1]，图中曲线与[x]轴所形成的面积大小是1。此式也可以用概率的形式表示成：
[P（-∞ 所以，把图谱上谱带波峰值当作一个具有平均数是[μ]，标准差是[σ]的整体，在这个整体中，由上图能够得知，当x值在[μ-2σ]～[μ+2σ]范畴中，相当于4个[σ]范围中，它的面积依然占到了总面积的95.45%。 对于整体一个波峰值来说，在[[（μ-2σ），（μ+2σ）]]区间里的亮度值已经占到了全部波峰值的95.45%。此时，区间[[（μ-2σ），（μ+2σ）]]称为置信区间（Confidence Interval），而概率为95.45%称为置信度（Confidence Limit）。依据“小概率事故实际不能够发生原理，当一个波峰值大小位于区间[[（μ-2σ），（μ+2σ）]]以外时，能够断定该波峰值不属于所研讨的波峰值整体。所以，区间[[（μ-2σ），（μ+2σ）]]也称为“接受区”，而区间[（-∞，μ-2σ）]与[（μ+2σ，+∞）]称为“否定区”，进而实现图片分割。 3 DNA检测图谱分析实验 为了测试本文设计的优化的图谱分析系统性能，进行实验。本文设计的系统尺寸为70 mm[×]50 mm，图像检测采样率不低于25 MHz，图谱分析的分辨率不低于8位，系统功耗小于2 W。
根据上述指标进行电路调试和检测，检测的D/A电路测试采用方波模拟的方法完成，假设两路D/A一起输送最小值0 V，等候200 000个nop命令后再输送最大值，通过低速A/D将砷含量过高的脉冲峰值电压进行量化分析，转为数字信号在图谱分析的道中加1，在分析器荧光屏上便显示成被测的指纹DNA检测图谱特征，得到指纹图像特征脉冲峰值量化分析结果如图6所示。
图6 DNA脉冲峰值量化分析结果
从图6能得出，图谱中峰值方波高电平为5 V，低电平为3.3 V，与设置值一样。在此基础上进行图谱分析，不同的方法下的分析结果如图7所示。
图7 不同方法下的分析结果
从图7可以看出，本文方法的分割结果更为优秀，其他结果发生了明显的粘连。试验结果表明，传统图谱分析系统由于器件的温度升高，谱形逐渐漂移，而新型图谱分析系统谱形保持不变，达到测谱准确的要求。另外，本文系统的功耗为[2×12×0.03+][5×0.09+3.3×0.13][≈1.6 W]，达到低功耗的要求。
4 结 语
本文研究了一种有效的图谱分析系统，提高图谱分析准确性，提出一种小型化、低功耗和全波采样的新型图谱分析系统设计方法，进行系统的硬件和软件设计。实验分析结果表明，采用该系统能有效实现对DNA指纹图谱分析，测谱准确，功耗低，且能有效抑制漂移失真，展示了较好的应用价值。
参考文献
[1] 王平心.亏损特征值的灵敏度分析[J].应用数学学报，2013，36（4）：688?697.
[2] 周翟和，汪丽群，沈超，等.基于 CPLD 的磁致伸缩高精度时间测量系统设计[J].仪器仪表学报，2014，35（1）：103?108.
[3] 辜新宇，郭际，施韶华，等.多通道精密时间间隔测量系统的研制[J].电子测量与仪器学报，2013，27（1）：69?75.
[4] 李阳，朱宗胜.基于改进人工免疫和神经网络的柴油机故障诊断[J].计算机测量与控制，2013，21（8）：2080?2086.
[5] 仝兆景，石秀华，许晖，等.基于贝叶斯网络的柴油机故障诊断研究[J].计算机测量与控制，2013，21（5）：1118?1125.
[6] 黄文卿，张兴春，张幽彤.一种交流逆变器死区效应半周期补偿方法[J].电机与控制学报，2014，18（5）：24?29.
[7] 仇放文，徐武军，朱良龙，等.航管二次雷达威力试飞技术研究[J].现代电子技术，2010，33（1）：18?20.
