内視鏡システムは、フレキシブルチューブの先端に取り付けられた単なる小さなカメラではありません。舞台裏では、専用の回路基板が内視鏡カメラ モジュールからの生の画像データを処理し、表示可能なビデオ信号に変換し、多くの場合、保存および表示機能を処理します。このボードは一般に DSP ボード (Digital Signal Processor ボード) と呼ばれます。この記事では、DSP ボードの機能、最新の内視鏡システムに DSP ボードが不可欠な理由、および単に USB カメラ モジュールを使用する場合との違いについて説明します。
DSP ボードは、モジュール カメラ センサーから生のデジタル出力を取得し、リアルタイムの画像処理を実行する電子回路です。内視鏡カメラ モジュール内のセンサーは、ベイヤー パターンまたは生の RGB データをキャプチャします。この生データは直接表示できません。デモザイク、ホワイトバランス、色補正を行う必要があり、多くの場合は圧縮する必要があります。 DSP ボードはこれらのタスクを処理し、HDMI、コンポジット ビデオ (CVBS)、USB ビデオなどの標準ビデオ形式を出力します。
古い内視鏡システムでは、DSP ボードは大きな別個のボックスでした。現在では、切手ほど小さく、カメラのハウジングやメインプロセッサユニットに組み込むことができます。 4K 内視鏡カメラ モジュールの場合、DSP ボードは 4K ビデオを 1 秒あたり 30 または 60 フレームで処理するのに十分強力である必要があります。
Raw 画像処理 – CMOS センサーからの Raw Bayer データをフルカラー画像に変換します。これには、デモザイク、色補間、ホワイト バランスが含まれます。
画像強化 – 鮮明化、ノイズ低減、コントラスト調整、エッジ強調を適用して、視覚的な品質を向上させます。
ビデオ エンコーディング – 録画またはストリーミングのためにビデオ ストリーム (H.264 または H.265 など) を圧縮します。
オンスクリーン ディスプレイ (OSD) – テキスト、十字線、タイムスタンプ、または測定グラフィックスをライブ ビデオにオーバーレイします。
出力フォーマット – 処理されたビデオを標準インターフェイス (HDMI、SDI、USB (UVC)、またはアナログ (CVBS)) に変換します。
ストレージ制御 – microSD カード、USB ドライブ、または内部メモリへの画像またはビデオ クリップの保存を管理します。
多くの民生用 USB 内視鏡は、小型 DSP (または基本処理を備えたブリッジ チップ) をカメラ ボードに直接組み込んだ USB カメラ モジュールを使用します。ホスト コンピュータ (PC、ラップトップ、またはスマートフォン) が大量のビデオ処理を処理するため、低コストの検査カメラにはこれで十分です。ただし、専門用または医療用内視鏡システムの場合、専用 DSP ボードにはいくつかの利点があります。
外部 PC に依存しない – システムはコンピューターなしでスタンドアロン モニターに出力できます。
待ち時間の短縮 – 処理は汎用オペレーティング システムではなくハードウェアで行われます。
高度な機能 – 測定ツール、画像フリーズ、PIP (ピクチャーインピクチャー)、および録画が DSP ボードに組み込まれています。
一貫したパフォーマンス – ホストの CPU 負荷やドライバーの更新の影響を受けません。
専用の DSP ボードと組み合わせたカスタム内視鏡カメラ モジュールは、医療用腹腔鏡、工業用ボアスコープ、およびハイエンド ビデオ内視鏡の標準的なアプローチです。
特徴 |
DSP ボード + スタンドアロン カメラ モジュール |
USBカメラモジュール |
|---|---|---|
ホストコンピュータが必要です |
いいえ (直接モニターへの出力) |
はい (PC、ラップトップ、または電話が必要です) |
レイテンシ |
非常に低い (ハードウェア処理) |
中程度 (USB + OS スタック) |
画像処理 |
高品質の専用 ISP |
ホスト ソフトウェア (OpenCV など) に依存します。 |
携帯性 |
自己完結型システム |
軽量ですが、コンピューターが必要です |
測定ツール |
多くの場合、組み込み (オンスクリーングラフィックス) |
ソフトウェアで実装する必要がある |
料金 |
上位（追加ボード） |
より低い |
一般的な使用方法 |
医療、専門産業 |
消費者向け DIY、セミプロフェッショナル |
内視鏡カメラ モジュール用の最新の DSP ボードには次のものが含まれています。
画像プロセッサ – 専用の ISP チップ (Ambarella、Novatek、Nextchip など)。
マイクロコントローラー – ボタン入力、OSD メニュー、およびシステム全体の制御を管理します。
ビデオ エンコーダ – 録画用のハードウェア H.264/H.265 エンコーダ。
メモリ – フレーム バッファリング用の SDRAM。ファームウェア用のフラッシュ。
出力インターフェイス – HDMI、CVBS、USB (デバイスまたはホスト)、および場合によってはイーサネット。
ストレージ スロット – microSD カード ソケット。
電源 – カメラモジュールと DSP 用のレギュレータ。
内視鏡カメラ モジュール (モジュール カメラ センサーとレンズを含む) は、生のビデオ データをフレキシブル ケーブル経由で (通常は LVDS または MIPI CSI-2 形式で) 送信します。
DSP ボードはこの生データを受け取ります。まず黒レベル補正、欠陥画素補正、レンズシェーディング補正を行います。
生のベイヤー データは RGB にデモザイクされてから、YUV カラー スペースに変換されます。
画像強調（シャープ化、ノイズリダクション、コントラスト）が適用されます。
OSDグラフィックスがオーバーレイされます。
最終的なビデオはエンコードされ (録画の場合)、ディスプレイ (HDMI、CVBS) または USB 経由でホスト コンピューターに出力されます。
ユーザー コントロール (ボタン、ジョイスティック、タッチ スクリーン) はマイクロコントローラーによって読み取られ、パラメーター (ズーム、明るさ、カラー モード) が調整されます。
4K 内視鏡カメラ モジュールには、30 または 60 fps で 4K 解像度を処理できる DSP ボードが必要です。データレートは非常に高く、30 fps で非圧縮 4K の場合は約 12 Gbps です。したがって、DSP には以下が必要です。
高帯域幅 MIPI レシーバー (4 レーン、それぞれ 1.5 Gbps 以上)。
4K デモザイクとスケーリングを備えた強力な ISP コア。
フレームをバッファリングする高速メモリ (DDR3 または DDR4)。
効率的なストレージのための H.265 エンコーダー。
Ambarella (S5L、H22 など)、Novatek、または Hisilicon のいくつかのチップセットは、プロ仕様の 4K 内視鏡システムで一般的に使用されています。
OEM 顧客の場合、カスタム内視鏡カメラ モジュールを特別に調整された DSP ボードと組み合わせることができます。メーカーは以下を調整できます。
特定の LED 照明のホワイト バランス カーブ。
センサーのノイズプロファイルに基づくノイズリダクション強度。
OSDメニューレイアウトと測定ツール。
出力解像度とフレームレート。
この統合により、チップからディスプレイに至るシステム全体が、目的の臨床用途または産業用途に合わせて最適化されます。
内視鏡システムにすでに PC またはタブレットが含まれている場合 (たとえば、画像アーカイブ、遠隔医療、AI 分析用)、USB カメラ モジュールの方が便利な場合があります。 USB モジュールには、UVC ビデオを出力する小型のブリッジ チップが内蔵されており、ホスト PC がすべての処理、記録、測定を処理します。これにより、ハードウェアのコストと複雑さが軽減されます。ただし、低遅延とコンピューターからの独立性が犠牲になります。
Thinking では、内視鏡カメラ モジュールとコンパニオン DSP ボードの両方を設計および製造しています。当社の製品範囲には以下が含まれます:
スタンドアロン DSP ボード。 HDMI および CVBS 出力を備えた、1080p および 4K 内視鏡カメラ モジュール用の
USB カメラ モジュールベースのソリューション。 PC 接続システム向けの
カスタム内視鏡カメラ モジュール。 カスタム DSP ファームウェア (OSD、測定ツール、ユーザー インターフェイス) とペアになった
また、お客様が選択したモジュール カメラ センサー (Sony IMX、OmniVision) を、臨床環境または産業環境に合わせて調整された DSP ボードと統合することもできます。
DSP ボードは内視鏡システムの頭脳です。内視鏡カメラモジュールから生のビデオを取得し、それを高品質の画像に処理し、グラフィックスを追加して、ディスプレイまたはレコーダーに出力します。プロの医療および工業用内視鏡の場合、専用の DSP ボードが低遅延、高度な機能、PC からの独立性を提供します。 4K 内視鏡カメラ モジュールには、大量のデータ レートを処理できる強力な DSP が必要です。 USB カメラ モジュールは民生用またはセミプロフェッショナル向けのよりシンプルで低コストの代替品ですが、専用の DSP ボードと組み合わせたカスタム内視鏡カメラ モジュールは、手術室や工場現場で必要なパフォーマンスと信頼性を提供します。
カスタム内視鏡カメラ モジュールまたは DSP ボードを備えた完全な内視鏡システムが必要な場合は、シンシアにお問い合わせください。当社はエンドツーエンドの設計および製造サービスを提供します。
