Was ist die DSP-Karte in Endoskopsystemen?

Ein Endoskopsystem ist mehr als nur eine winzige Kamera an der Spitze eines flexiblen Schlauchs. Hinter den Kulissen verarbeitet eine spezielle Leiterplatte die Rohbilddaten vom Endoskopkameramodul, wandelt sie in ein sichtbares Videosignal um und übernimmt häufig Speicher- und Anzeigefunktionen. Diese Karte wird allgemein als DSP-Karte (Digital Signal Processor Board) bezeichnet. In diesem Artikel erklären wir, was ein DSP-Board leistet, warum es für moderne Endoskopsysteme unerlässlich ist und wie es sich von der einfachen Verwendung eines USB-Kameramoduls unterscheidet.

Was ist ein DSP-Board?

Eine DSP-Karte ist eine elektronische Schaltung, die den rohen digitalen Ausgang eines Modulkamerasensors übernimmt und eine Bildverarbeitung in Echtzeit durchführt. Der Sensor im Inneren eines Endoskopkameramoduls erfasst Bayer-Muster oder rohe RGB-Daten. Diese Rohdaten sind nicht direkt sichtbar; Es muss entmosaikiert, weißabgeglichen, farbkorrigiert und häufig komprimiert werden. Die DSP-Karte übernimmt diese Aufgaben und gibt ein Standardvideoformat wie HDMI, Composite Video (CVBS) oder USB-Video aus.

Bei älteren Endoskopsystemen war die DSP-Karte ein großes, separates Gehäuse. Heutzutage kann es so klein wie eine Briefmarke sein und in das Kameragehäuse oder die Hauptprozessoreinheit integriert werden. Für ein 4K-Endoskop-Kameramodul muss die DSP-Karte leistungsstark genug sein, um 4K-Videos mit 30 oder 60 Bildern pro Sekunde zu verarbeiten.

Schlüsselfunktionen eines DSP-Boards

1. Rohbildverarbeitung – Wandelt die Bayer-Rohdaten vom CMOS-Sensor in ein Vollfarbbild um. Dazu gehören Demosaicing, Farbinterpolation und Weißabgleich.

2. Bildverbesserung – Wendet Schärfung, Rauschunterdrückung, Kontrastanpassung und Kantenverbesserung an, um die visuelle Qualität zu verbessern.

3. Videokodierung – Komprimiert den Videostream (z. B. H.264 oder H.265) für die Aufnahme oder das Streaming.

4. On-Screen-Display (OSD) – Überlagert das Live-Video mit Text, Fadenkreuzen, Zeitstempeln oder Messgrafiken.

5. Ausgabeformatierung – Konvertiert das verarbeitete Video in eine Standardschnittstelle: HDMI, SDI, USB (UVC) oder analog (CVBS).

6. Speichersteuerung – Verwaltet das Speichern von Bildern oder Videoclips auf einer microSD-Karte, einem USB-Laufwerk oder einem internen Speicher.

Warum nicht ein einfaches USB-Kameramodul verwenden?

Viele USB-Endoskope für Endverbraucher verwenden ein USB-Kameramodul, das einen kleinen DSP (oder einen Bridge-Chip mit grundlegender Verarbeitung) direkt auf der Kameraplatine enthält. Dies ist für kostengünstige Inspektionskameras ausreichend, da der Host-Computer (PC, Laptop oder Smartphone) die umfangreiche Videoverarbeitung übernimmt. Für professionelle oder medizinische Endoskopsysteme bietet eine dedizierte DSP-Karte jedoch mehrere Vorteile:

• Keine Abhängigkeit von einem externen PC – Das System kann ohne Computer auf einem eigenständigen Monitor ausgeben.

• Geringere Latenz – Die Verarbeitung erfolgt in Hardware und nicht auf einem Allzweck-Betriebssystem.

• Erweiterte Funktionen – Messwerkzeuge, Bildeinfrieren, PIP (Bild-in-Bild) und Aufzeichnung sind in die DSP-Karte integriert.

• Konsistente Leistung – wird nicht durch die CPU-Auslastung des Hosts oder Treiberaktualisierungen beeinträchtigt.

Ein kundenspezifisches Endoskopkameramodul gepaart mit einer speziellen DSP-Karte ist der Standardansatz für medizinische Laparoskope, industrielle Endoskope und High-End-Videoendoskope.

DSP-Board vs. USB-Kameramodul für die Endoskopie

Komponenten einer typischen Endoskop-DSP-Karte

Ein modernes DSP-Board für ein Endoskop-Kameramodul enthält:

• Bildprozessor – Ein dedizierter ISP-Chip (z. B. von Ambarella, Novatek oder Nextchip).

• Mikrocontroller – Verwaltet Tasteneingaben, OSD-Menüs und die gesamte Systemsteuerung.

• Video-Encoder – Hardware-H.264/H.265-Encoder für die Aufnahme.

• Speicher – SDRAM für Frame-Pufferung; Flash für Firmware.

• Ausgabeschnittstellen – HDMI, CVBS, USB (Gerät oder Host) und manchmal Ethernet.

• Speichersteckplatz – microSD-Kartensteckplatz.

• Stromversorgung – Regler für das Kameramodul und DSP.

Wie ein DSP-Board mit einem Endoskop-Kameramodul funktioniert

1. Das Endoskopkameramodul (enthält einen Modulkamerasensor und ein Objektiv) sendet rohe Videodaten über ein flexibles Kabel – normalerweise im LVDS- oder MIPI CSI-2-Format.

2. Das DSP-Board empfängt diese Rohdaten. Es führt zunächst eine Schwarzwertkorrektur, eine Korrektur fehlerhafter Pixel und eine Korrektur der Linsenschattierung durch.

3. Die Bayer-Rohdaten werden in RGB demosaikiert und dann in den YUV-Farbraum konvertiert.

4. Es wird eine Bildverbesserung (Schärfung, Rauschunterdrückung, Kontrast) angewendet.

5. OSD-Grafiken werden überlagert.

6. Das endgültige Video wird kodiert (bei Aufnahme) und auf dem Display (HDMI, CVBS) oder über USB an einen Host-Computer ausgegeben.

7. Benutzersteuerungen (Tasten, Joystick, Touchscreen) werden vom Mikrocontroller gelesen, der Parameter (Zoom, Helligkeit, Farbmodus) anpasst.

DSP-Boards für 4K-Endoskop-Kameramodule

Ein 4K-Endoskopkameramodul erfordert eine DSP-Karte, die eine 4K-Auflösung mit 30 oder 60 fps verarbeiten kann. Die Datenrate ist gewaltig – etwa 12 Gbit/s für unkomprimiertes 4K bei 30 fps. Daher muss der DSP über Folgendes verfügen:

• Ein MIPI-Empfänger mit hoher Bandbreite (4 Spuren, jeweils 1,5 Gbit/s oder mehr).

• Ein leistungsstarker ISP-Kern mit 4K-Demosaikierung und -Skalierung.

• Schneller Speicher (DDR3 oder DDR4) zum Puffern von Frames.

• H.265-Encoder für effiziente Speicherung.

In professionellen 4K-Endoskopsystemen werden häufig mehrere Chipsätze von Ambarella (z. B. S5L, H22), Novatek oder Hisilicon verwendet.

Kundenspezifisches Endoskop-Kameramodul und DSP-Integration

Für OEM-Kunden kann ein kundenspezifisches Endoskop-Kameramodul mit einer speziell abgestimmten DSP-Karte gekoppelt werden. Der Hersteller kann Folgendes anpassen:

• Weißabgleichskurven für die jeweilige LED-Beleuchtung.

• Stärke der Rauschunterdrückung basierend auf dem Rauschprofil des Sensors.

• OSD-Menülayout und Messwerkzeuge.

• Ausgabeauflösung und Bildrate.

Durch diese Integration wird sichergestellt, dass das gesamte System – von der Spitze bis zum Display – für die beabsichtigte klinische oder industrielle Anwendung optimiert ist.

Wann würden Sie stattdessen ein USB-Kameramodul verwenden?

Wenn Ihr Endoskopsystem bereits über einen PC oder ein Tablet verfügt (z. B. für Bildarchivierung, Telemedizin oder KI-Analyse), ist ein USB-Kameramodul möglicherweise praktischer. Das USB-Modul verfügt über einen kleinen integrierten Bridge-Chip, der UVC-Videos ausgibt, und der Host-PC übernimmt die gesamte Verarbeitung, Aufzeichnung und Messung. Dies reduziert die Hardwarekosten und die Komplexität. Allerdings opfern Sie eine geringe Latenz und Unabhängigkeit vom Computer.

Endoskop-DSP-Lösungen von Sincere

Bei Sincere entwickeln und fertigen wir sowohl Endoskopkameramodule als auch begleitende DSP-Karten. Unser Produktsortiment umfasst:

• Eigenständige DSP-Karten für 1080p- und 4k-Endoskopkameramodule mit HDMI- und CVBS-Ausgängen.

• Auf USB-Kameramodulen basierende Lösungen für PC-verbundene Systeme.

• Benutzerdefiniertes Endoskopkameramodul gepaart mit benutzerdefinierter DSP-Firmware (OSD, Messwerkzeuge, Benutzeroberfläche).

Wir können auch einen Modulkamerasensor Ihrer Wahl (Sony IMX, OmniVision) mit einer DSP-Karte integrieren, die auf Ihre klinische oder industrielle Umgebung zugeschnitten ist.

Abschluss

Eine DSP-Karte ist das Gehirn eines Endoskopsystems. Es nimmt Rohvideos vom Endoskopkameramodul auf, verarbeitet es zu einem hochwertigen Bild, fügt Grafiken hinzu und gibt es auf einem Display oder Rekorder aus. Für professionelle medizinische und industrielle Endoskope bietet eine spezielle DSP-Karte geringe Latenz, erweiterte Funktionen und Unabhängigkeit von einem PC. Ein 4K-Endoskopkameramodul erfordert einen leistungsstarken DSP, der riesige Datenraten verarbeiten kann. Während ein USB-Kameramodul eine einfachere, kostengünstigere Alternative für den Verbraucher- oder semiprofessionellen Einsatz darstellt, bietet ein kundenspezifisches Endoskopkameramodul in Kombination mit einer speziell entwickelten DSP-Karte die Leistung und Zuverlässigkeit, die in Operationssälen und Fabrikhallen erforderlich ist.

Wenn Sie ein individuelles Endoskopkameramodul oder ein komplettes Endoskopsystem mit DSP-Karte benötigen, wenden Sie sich an Sincere. Wir bieten umfassende Design- und Fertigungsdienstleistungen.