Τι είναι η πλακέτα DSP στα ενδοσκοπικά συστήματα;

Ένα σύστημα ενδοσκοπίου είναι κάτι περισσότερο από μια μικροσκοπική κάμερα στην άκρη ενός εύκαμπτου σωλήνα. Πίσω από τις σκηνές, μια ειδική πλακέτα κυκλώματος επεξεργάζεται τα ακατέργαστα δεδομένα εικόνας από τη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου, τα μετατρέπει σε σήμα βίντεο με δυνατότητα προβολής και συχνά χειρίζεται λειτουργίες αποθήκευσης και εμφάνισης. Αυτή η πλακέτα ονομάζεται συνήθως πλακέτα DSP (Digital Signal Processor board). Σε αυτό το άρθρο, εξηγούμε τι κάνει μια πλακέτα DSP, γιατί είναι απαραίτητη για τα σύγχρονα συστήματα ενδοσκοπίων και πώς διαφέρει από την απλή χρήση μιας μονάδας κάμερας USB.

Τι είναι το DSP Board;

Η πλακέτα DSP είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που λαμβάνει την ακατέργαστη ψηφιακή έξοδο από έναν αισθητήρα κάμερας μονάδας και εκτελεί επεξεργασία εικόνας σε πραγματικό χρόνο. Ο αισθητήρας μέσα σε μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου καταγράφει μοτίβα Bayer ή ακατέργαστα δεδομένα RGB. Αυτά τα ανεπεξέργαστα δεδομένα δεν είναι άμεσα ορατά. πρέπει να απομοχοποιηθεί, να εξισορροπηθεί το λευκό, να διορθωθεί το χρώμα και συχνά να συμπιεστεί. Η πλακέτα DSP χειρίζεται αυτές τις εργασίες, βγάζοντας μια τυπική μορφή βίντεο όπως HDMI, σύνθετο βίντεο (CVBS) ή βίντεο USB.

Σε παλαιότερα συστήματα ενδοσκοπίου, η πλακέτα DSP ήταν ένα μεγάλο, ξεχωριστό κουτί. Σήμερα, μπορεί να είναι τόσο μικρό όσο ένα γραμματόσημο και ενσωματωμένο στο περίβλημα της κάμερας ή στην κύρια μονάδα επεξεργαστή. Για μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου 4k, η πλακέτα DSP πρέπει να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να επεξεργάζεται βίντεο 4K στα 30 ή 60 καρέ ανά δευτερόλεπτο.

Βασικές λειτουργίες ενός πίνακα DSP

1. Επεξεργασία ακατέργαστης εικόνας – Μετατρέπει τα ακατέργαστα δεδομένα Bayer από τον αισθητήρα CMOS σε έγχρωμη εικόνα. Αυτό περιλαμβάνει απομόνωση, παρεμβολή χρώματος και ισορροπία λευκού.

2. Βελτίωση εικόνας – Εφαρμόζει ευκρίνεια, μείωση θορύβου, ρύθμιση αντίθεσης και βελτίωση άκρων για τη βελτίωση της οπτικής ποιότητας.

3. Κωδικοποίηση βίντεο – Συμπιέζει τη ροή βίντεο (π.χ. H.264 ή H.265) για εγγραφή ή ροή.

4. Οθόνη επί της οθόνης (OSD) – Επικαλύπτει κείμενο, διασταυρώσεις, χρονικές σημάνσεις ή γραφικά μέτρησης στο ζωντανό βίντεο.

5. Μορφοποίηση εξόδου – Μετατρέπει το επεξεργασμένο βίντεο σε τυπική διεπαφή: HDMI, SDI, USB (UVC) ή αναλογικό (CVBS).

6. Έλεγχος αποθήκευσης – Διαχειρίζεται την αποθήκευση εικόνων ή κλιπ βίντεο σε κάρτα microSD, μονάδα USB ή εσωτερική μνήμη.

Γιατί να μην χρησιμοποιήσετε μια απλή μονάδα κάμερας USB;

Πολλά καταναλωτικά ενδοσκόπια USB χρησιμοποιούν μια μονάδα κάμερας USB που ενσωματώνει ένα μικρό DSP (ή ένα τσιπ γέφυρας με βασική επεξεργασία) απευθείας στην πλακέτα της κάμερας. Αυτό είναι αρκετό για χαμηλού κόστους κάμερες ελέγχου, επειδή ο κεντρικός υπολογιστής (PC, φορητός υπολογιστής ή smartphone) χειρίζεται τη βαριά επεξεργασία βίντεο. Ωστόσο, για επαγγελματικά ή ιατρικά συστήματα ενδοσκοπίου, μια ειδική πλακέτα DSP προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα:

• Καμία εξάρτηση από εξωτερικό υπολογιστή – Το σύστημα μπορεί να πραγματοποιήσει έξοδο σε μια αυτόνομη οθόνη χωρίς υπολογιστή.

• Χαμηλότερη καθυστέρηση – Η επεξεργασία πραγματοποιείται σε υλικό, όχι σε λειτουργικό σύστημα γενικής χρήσης.

• Προηγμένες λειτουργίες – Εργαλεία μέτρησης, πάγωμα εικόνας, PIP (εικόνα-σε-εικόνα) και εγγραφή είναι ενσωματωμένα στην πλακέτα DSP.

• Συνεπής απόδοση – Δεν επηρεάζεται από το φορτίο της CPU του κεντρικού υπολογιστή ή τις ενημερώσεις προγραμμάτων οδήγησης.

Μια προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου σε συνδυασμό με μια ειδική πλακέτα DSP είναι η τυπική προσέγγιση για ιατρικά λαπαροσκόπια, βιομηχανικά βορεσκόπια και βίντεο ενδοσκόπια υψηλής τεχνολογίας.

Πίνακας DSP έναντι μονάδας κάμερας USB για ενδοσκόπηση

Στοιχεία μιας τυπικής πλακέτας ενδοσκοπίου DSP

Μια σύγχρονη πλακέτα DSP για μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου περιέχει:

• Επεξεργαστής εικόνας – Ένα αποκλειστικό τσιπ ISP (π.χ. από Ambarella, Novatek ή Nextchip).

• Μικροελεγκτής – Διαχειρίζεται τις εισόδους κουμπιών, τα μενού OSD και τον συνολικό έλεγχο του συστήματος.

• Κωδικοποιητής βίντεο – Κωδικοποιητής υλικού H.264/H.265 για εγγραφή.

• Μνήμη – SDRAM για αποθήκευση καρέ. φλας για υλικολογισμικό.

• Διεπαφές εξόδου – HDMI, CVBS, USB (συσκευή ή κεντρικός υπολογιστής) και μερικές φορές Ethernet.

• Υποδοχή αποθήκευσης – υποδοχή κάρτας microSD.

• Τροφοδοτικό – Ρυθμιστές για τη μονάδα κάμερας και το DSP.

Πώς λειτουργεί μια πλακέτα DSP με μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου

1. Η μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου (που περιέχει μια μονάδα αισθητήρα κάμερας και έναν φακό) στέλνει ακατέργαστα δεδομένα βίντεο μέσω ενός εύκαμπτου καλωδίου – συνήθως σε μορφή LVDS ή MIPI CSI‑2.

2. Η πλακέτα DSP λαμβάνει αυτά τα πρωτογενή δεδομένα. Εκτελεί πρώτα διόρθωση επιπέδου μαύρου, ελαττωματική διόρθωση pixel και διόρθωση σκίασης φακού.

3. Τα ακατέργαστα δεδομένα της Bayer απομοχοποιούνται σε RGB και στη συνέχεια μετατρέπονται σε χρωματικό χώρο YUV.

4. Εφαρμόζεται βελτίωση εικόνας (όξυνση, μείωση θορύβου, αντίθεση).

5. Τα γραφικά OSD επικαλύπτονται.

6. Το τελικό βίντεο κωδικοποιείται (αν γίνεται εγγραφή) και εξάγεται στην οθόνη (HDMI, CVBS) ή σε κεντρικό υπολογιστή μέσω USB.

7. Τα χειριστήρια χρήστη (κουμπιά, joystick, οθόνη αφής) διαβάζονται από τον μικροελεγκτή, ο οποίος προσαρμόζει τις παραμέτρους (zoom, φωτεινότητα, λειτουργία χρώματος).

Πλακέτες DSP για μονάδες κάμερας ενδοσκοπίου 4K

Μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου 4k απαιτεί μια πλακέτα DSP ικανή να χειρίζεται ανάλυση 4K στα 30 ή 60 fps. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι τεράστιος – περίπου 12 Gbps για ασυμπίεστο 4K στα 30 fps. Επομένως, το DSP πρέπει να έχει:

• Ένας δέκτης MIPI υψηλού εύρους ζώνης (4 λωρίδες, κάθε 1,5 Gbps ή περισσότερο).

• Ένας ισχυρός πυρήνας ISP με απομόνωση και κλιμάκωση 4K.

• Γρήγορη μνήμη (DDR3 ή DDR4) για buffer καρέ.

• Κωδικοποιητής H.265 για αποτελεσματική αποθήκευση.

Πολλά chipset από την Ambarella (π.χ. S5L, H22), Novatek ή Hisilicon χρησιμοποιούνται συνήθως σε επαγγελματικά συστήματα ενδοσκοπίων 4K.

Προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου και ενσωμάτωση DSP

Για πελάτες OEM, μια προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου μπορεί να συνδυαστεί με μια ειδικά ρυθμισμένη πλακέτα DSP. Ο κατασκευαστής μπορεί να προσαρμόσει:

• Καμπύλες ισορροπίας λευκού για τον συγκεκριμένο φωτισμό LED.

• Ισχύς μείωσης θορύβου με βάση το προφίλ θορύβου του αισθητήρα.

• Εργαλεία διάταξης μενού OSD και μέτρησης.

• Ανάλυση εξόδου και ρυθμός καρέ.

Αυτή η ενοποίηση διασφαλίζει ότι ολόκληρο το σύστημα – από την άκρη μέχρι την οθόνη – είναι βελτιστοποιημένο για την προβλεπόμενη κλινική ή βιομηχανική εφαρμογή.

Πότε θα χρησιμοποιούσατε αντ 'αυτού μια μονάδα κάμερας USB;

Εάν το σύστημα ενδοσκοπίου σας περιλαμβάνει ήδη έναν υπολογιστή ή ένα tablet (π.χ. για αρχειοθέτηση εικόνων, τηλεϊατρική ή ανάλυση τεχνητής νοημοσύνης), μια μονάδα κάμερας USB μπορεί να είναι πιο βολική. Η μονάδα USB διαθέτει ένα μικρό ενσωματωμένο τσιπ γέφυρας που εξάγει βίντεο UVC και ο κεντρικός υπολογιστής χειρίζεται όλη την επεξεργασία, την εγγραφή και τη μέτρηση. Αυτό μειώνει το κόστος και την πολυπλοκότητα του υλικού. Ωστόσο, θυσιάζεις τη χαμηλή καθυστέρηση και την ανεξαρτησία από έναν υπολογιστή.

Inoscope DSP Solutions της Sincere

Στην Sincere, σχεδιάζουμε και κατασκευάζουμε τόσο μονάδες κάμερας ενδοσκοπίου όσο και συνοδευτικές πλακέτες DSP. Η γκάμα των προϊόντων μας περιλαμβάνει:

• Αυτόνομες πλακέτες DSP για μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου 1080p και 4k, με εξόδους HDMI και CVBS.

• Λύσεις βασισμένες σε μονάδα κάμερας USB για συστήματα συνδεδεμένα με υπολογιστή.

• Προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου σε συνδυασμό με προσαρμοσμένο υλικολογισμικό DSP (OSD, εργαλεία μέτρησης, διεπαφή χρήστη).

Μπορούμε επίσης να ενσωματώσουμε μια μονάδα αισθητήρα κάμερας της επιλογής σας (Sony IMX, OmniVision) με μια πλακέτα DSP προσαρμοσμένη στο κλινικό ή βιομηχανικό σας περιβάλλον.

Σύναψη

Μια πλακέτα DSP είναι ο εγκέφαλος ενός συστήματος ενδοσκοπίου. Λαμβάνει ακατέργαστο βίντεο από τη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου, το επεξεργάζεται σε εικόνα υψηλής ποιότητας, προσθέτει γραφικά και εξάγει σε οθόνη ή συσκευή εγγραφής. Για επαγγελματικά ιατρικά και βιομηχανικά ενδοσκόπια, μια ειδική πλακέτα DSP προσφέρει χαμηλή καθυστέρηση, προηγμένες δυνατότητες και ανεξαρτησία από έναν υπολογιστή. Μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου 4k απαιτεί ένα ισχυρό DSP ικανό να χειρίζεται τεράστιους ρυθμούς δεδομένων. Ενώ μια μονάδα κάμερας USB είναι μια απλούστερη, φθηνότερη εναλλακτική λύση για καταναλωτική ή ημιεπαγγελματική χρήση, μια προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου σε συνδυασμό με μια ειδικά κατασκευασμένη πλακέτα DSP προσφέρει την απόδοση και την αξιοπιστία που απαιτούνται σε χειρουργεία και δάπεδα εργοστασίων.

Εάν χρειάζεστε μια προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου ή ένα πλήρες σύστημα ενδοσκοπίου με πλακέτα DSP, επικοινωνήστε με την Sincere. Παρέχουμε υπηρεσίες σχεδιασμού και κατασκευής από άκρο σε άκρο.