内視鏡カメラは、もはやスタンドアロンの医療カートや大型の工業用ボアスコープに限定されません。現在では、ポータブル診断装置から自動検査ロボットに至るまで、コンパクトでインテリジェントなシステムに組み込まれることが増えています。内視鏡カメラ モジュールを組み込みシステムと統合することで、リアルタイム画像処理、エッジ AI、ワイヤレス接続が可能になります。しかし、この統合は正確にどのように機能するのでしょうか?この記事では、内視鏡カメラを製品に組み込むための主要な手順、ハードウェアの選択、およびソフトウェアの考慮事項について説明します。
最初の決定は、組み込みシステムの物理的およびパフォーマンスの制約に適合する内視鏡カメラ モジュールを選択することです。
直径と長さ – 狭いスペースでは、小型のカメラ モジュール (直径 2 ～ 5 mm など) が不可欠です。使い捨て医療用スコープでは、多くの場合、超小型モジュールが使用されます。
解像度 – 標準の HD カメラ モジュール (720p または 1080p) は、ほとんどの診断および検査タスクに適しています。外科グレードの詳細な検査や高度な工業用検査の場合、4K 内視鏡カメラ モジュールは 4 倍の解像度を提供します。
センサーの種類 – ほとんどすべての最新の内視鏡は、低電力、高速、優れた統合性を備えた CMOS カメラ モジュールを使用しています。 CCD は新しい設計では廃止されます。
インターフェイス – ほとんどの組み込みプロセッサは、センサー カメラ モジュールからの MIPI CSI‑2 インターフェイスを想定しています。一部のモジュールには、プラグアンドプレイの利便性のために USB ブリッジが含まれていますが、低遅延と低電力の点で MIPI が推奨されます。
内視鏡カメラ モジュールと組み込みプロセッサ間の物理接続は、インターフェイスによって異なります。
MIPI CSI‑2 (組み込みに推奨)
カメラ モジュールは、差動データ レーン (1、2、または 4 レーン) とクロック レーンを出力します。これはプロセッサの CSI レシーバに直接接続します。ケーブルの長さは約 30 cm に制限されており、カメラがメインボードの近くにある場合 (手持ち式内視鏡では一般的) には問題ありません。
USB (UVC)
一部の内視鏡カメラ モジュールには USB ブリッジ チップが含まれています。これらは標準の UVC デバイスとして表示されます。これはプロトタイピングには簡単ですが、遅延と電力消費が増加します。内視鏡が長いケーブルを介して標準の Linux/Android ホストに接続するシステムに最適です。
パラレル (DVP)
古い MCU または非常に低電力の MCU はパラレル インターフェイスを使用する場合があります。これは今日では珍しいことであり、新しいデザインには推奨されません。
先端が非常に薄い小型カメラ モジュールの場合、ケーブルはフレキシブル プリント基板 (FPC) または同軸ワイヤの束であることがよくあります。プロセッサーボードへの接続は、ロック ZIF コネクターで固定する必要があります。
組み込みシステムは多くの場合、バッテリーで動作します。 CMOS カメラ モジュールには通常、アナログ I/O に 3.3 V または 2.8 V、デジタル I/O に 1.8 V が必要です。多くのモジュールには電圧レギュレータが組み込まれているため、単一の 3.3 V 電源で十分な場合があります。電力を節約するには:
カメラを使用しないときはスタンバイモードにします。
重要ではないモニタリングの場合は、フレーム レートまたは解像度を下げます。
ハードウェア トリガーを使用して、オンデマンドで 1 つのフレームのみをキャプチャします。
組み込みプロセッサ側では、センサー カメラ モジュールからフレームをキャプチャし、アプリケーションで使用できるようにするドライバーが必要です。
Linux – ほとんどの MIPI カメラは Video4Linux (V4L2) サブシステム経由でサポートされています。センサーとその接続を説明するために、デバイス ツリー オーバーレイを作成する必要がある場合があります。たとえば、Raspberry Pi で imx219 オーバーレイを有効にすると、1080p CMOS カメラ モジュールが即座に動作できるようになります。 USB 内視鏡カメラは、 によって処理されます uvcvideoドライバー 。
Android – カメラのサポートは Android ハードウェア抽象化レイヤー (HAL) の一部です。多くの場合、ベンダー BSP には特定のセンサー用のドライバーが含まれています。
RTOS (FreeRTOS、Zephyr) – 低レベルのドライバーを作成する必要がある場合があります。シンプルな並列カメラまたは SPI ベースのカメラはサポートが容易ですが、MIPI はより複雑です。
ドライバーが実行されると、標準 API (Linux では V4L2、Android では Camera2) を使用してビデオ ストリームにアクセスできます。 4K 内視鏡カメラ モジュールの場合、プロセッサーに高いデータ レートを処理するのに十分な帯域幅と処理能力があることを確認してください。
フレームをキャプチャした後、組み込みシステムはデバイス上で次の処理を実行できます。
圧縮 – ストレージまたはストリーミング用にビデオを H.264 または H.265 としてエンコードします。
コンピューター ビジョン – 欠陥の検出、測定、組織分類のために OpenCV またはディープ ラーニング モデルを実行します。
オーバーレイ – ローカル画面に表示する前、またはリモート ビューアに送信する前に、グラフィックス (スケール、十字線、テキスト) を追加します。
高性能 HD カメラ モジュールは、リアルタイム推論のために 1080p ビデオを小型 AI アクセラレータ (Google Coral や NVIDIA Jetson など) にフィードできます。
バッテリー駆動の工業用ボアスコープを考えてみましょう。
カメラ – MIPI 出力を備えた直径 5.5 mm の 1080p 内視鏡カメラ モジュール。
プロセッサ – MIPI CSI 入力を備えた ARM Cortex‑A ベースの SoC (i.MX8 など)。
ディスプレイ – 統合された 5 インチのタッチ スクリーン。
ストレージ – 画像とビデオの記録用の microSD カード。
電源 – 3.3 V および 1.8 V レールを備えた充電式リチウム電池。
統合手順:
小型カメラ モジュールをフレキシブル ケーブルの端に物理的に取り付け、メイン ボード上の ZIF コネクタで終端します。
Linux カーネルに適切なセンサー ドライバー (IMX290 CMOS カメラ モジュールなど) をロードします。
V4L2 を使用してフレームをキャプチャし、ライブ ビデオを表示し、ボタンを押すとスナップショットを保存するシンプルな Qt アプリケーションを作成します。
人工知能モデルを追加して、リアルタイムで亀裂を検出します。
信号の完全性 – MIPI レーンは高速です。配線を短くし、インピーダンスを整合させてください (100 Ω 差動)。グランドプレーンを使用し、ノイズの多い電力線と交差しないようにしてください。
焦点と位置合わせ – 固定焦点内視鏡カメラ モジュールの場合は、作動距離が使用目的に一致していることを確認してください。デザインを完成させる前に被写界深度をテストします。
熱 – 4K 内視鏡カメラ モジュールを継続的に実行すると、温度が上昇する可能性があります。適切なヒートシンクを提供するか、デューティ サイクルを減らしてください。
ドライバーの可用性 – すべてのセンサーにプロセッサー用の既製ドライバーがあるわけではありません。 SoC ベンダーによってすでにサポートされているセンサー カメラ モジュール、またはオープンソース ドライバーを備えたセンサー カメラ モジュールを選択します。
組み込みシステムが完全な Linux ディストリビューションを実行し、USB ホスト ポートを備えている場合、USB 内視鏡カメラ モジュールが最も早いパスになります。 UVC ドライバーはそのまま使用できます。ただし、統合を容易にするために、待ち時間と消費電力が高くなります。これは、固定式の検査ステーションやトレーニング シミュレータでは許容されますが、バッテリ駆動のハンドヘルド デバイスにはあまり理想的ではありません。
内視鏡カメラ モジュールを組み込みシステムに統合するには、適切なセンサー カメラ モジュール (直径、解像度、インターフェイス) を選択し、MIPI (推奨) または USB 経由で接続し、電力を効率的に管理し、ドライバーを作成または構成する必要があります。小型のカメラ モジュールによりコンパクトな設計が可能になり、CMOS カメラ モジュールにより最新の低電力パフォーマンスが実現します。標準的な診断タスクには、HD カメラ モジュール (1080p) で十分です。外科用または高精度の産業用アプリケーションでは、4K 内視鏡カメラ モジュールが必要な詳細を提供します。上記で概説したハードウェアおよびソフトウェアの手順に従うことで、未加工のカメラ モジュールを完全に機能する組み込みイメージング デバイスに変えることができます。
カスタム内視鏡カメラ統合サポートについては、シンシアにお問い合わせください。
