Camera nội soi tích hợp với hệ thống nhúng như thế nào?

Camera nội soi không còn bị giới hạn ở các xe đẩy y tế độc lập hoặc các ống nội soi công nghiệp cồng kềnh. Ngày nay, chúng ngày càng được tích hợp vào các hệ thống nhỏ gọn, thông minh – từ thiết bị chẩn đoán di động đến robot kiểm tra tự động. Việc tích hợp mô-đun camera nội soi với hệ thống nhúng cho phép xử lý hình ảnh theo thời gian thực, AI biên và kết nối không dây. Nhưng chính xác thì sự tích hợp này hoạt động như thế nào? Bài viết này giải thích các bước chính, lựa chọn phần cứng và cân nhắc về phần mềm để gắn camera nội soi vào sản phẩm của bạn.

1. Chọn mô-đun camera nội soi phù hợp

Quyết định đầu tiên là chọn mô-đun camera nội soi phù hợp với các hạn chế về hiệu suất và vật lý của hệ thống nhúng của bạn.

• Đường kính và chiều dài – Đối với không gian chật hẹp, cần có một mô-đun máy ảnh nhỏ (ví dụ: đường kính 2–5 mm). Ống nội soi y tế dùng một lần thường sử dụng các mô-đun siêu nhỏ gọn.

• Độ phân giải – Mô-đun máy ảnh HD tiêu chuẩn (720p hoặc 1080p) phù hợp với hầu hết các nhiệm vụ chẩn đoán và kiểm tra. Để biết chi tiết cấp độ phẫu thuật hoặc kiểm tra công nghiệp nâng cao, Mô-đun camera nội soi 4K cung cấp độ phân giải gấp bốn lần.

• Loại cảm biến – Hầu hết tất cả các máy nội soi hiện đại đều sử dụng Mô-đun máy ảnh CMOS vì nó cung cấp năng lượng thấp, tốc độ cao và khả năng tích hợp tuyệt vời. CCD đã lỗi thời đối với các thiết kế mới.

• Giao diện – Hầu hết các bộ xử lý nhúng đều yêu cầu giao diện MIPI CSI‑2 từ mô-đun máy ảnh cảm biến. Một số mô-đun bao gồm cầu nối USB để thuận tiện cho việc cắm và chạy, nhưng MIPI được ưu tiên hơn vì độ trễ thấp và công suất thấp.

2. Tích hợp phần cứng – Kết nối Camera

Kết nối vật lý giữa mô-đun camera nội soi và bộ xử lý nhúng phụ thuộc vào giao diện.

MIPI CSI‑2 (Được khuyến nghị cho nhúng)
Mô-đun máy ảnh xuất ra các làn dữ liệu vi sai (1, 2 hoặc 4 làn) cộng với một làn đồng hồ. Điều này kết nối trực tiếp với bộ thu CSI của bộ xử lý. Chiều dài cáp được giới hạn trong khoảng 30 cm, điều này ổn khi camera ở gần bo mạch chính – điển hình cho máy nội soi cầm tay.

USB (UVC)
Một số mô-đun camera nội soi có chip cầu nối USB. Chúng xuất hiện dưới dạng thiết bị UVC tiêu chuẩn. Điều này dễ dàng hơn cho việc tạo mẫu nhưng làm tăng thêm độ trễ và mức tiêu thụ điện năng. Tốt nhất là dành cho các hệ thống mà máy nội soi kết nối với máy chủ Linux/Android tiêu chuẩn thông qua cáp dài hơn.

Song song (DVP)
Các MCU cũ hơn hoặc có công suất rất thấp có thể sử dụng giao diện song song. Điều này ngày nay rất hiếm và không được khuyến khích cho các thiết kế mới.

Đối với mô-đun máy ảnh nhỏ có đầu rất mỏng, cáp thường là mạch in linh hoạt (FPC) hoặc bó dây đồng trục. Kết nối với bo mạch xử lý phải được bảo mật bằng đầu nối ZIF có khóa.

3. Quản lý nguồn điện

Một hệ thống nhúng thường chạy bằng pin. Mô-đun máy ảnh CMOS thường yêu cầu 3,3 V hoặc 2,8 V cho analog và 1,8 V cho I/O kỹ thuật số. Nhiều mô-đun tích hợp bộ điều chỉnh điện áp, do đó, một nguồn cung cấp 3,3 V có thể đủ. Để tiết kiệm điện:

• Đặt máy ảnh ở chế độ chờ khi không sử dụng.

• Giảm tốc độ khung hình hoặc độ phân giải để theo dõi không quan trọng.

• Sử dụng trình kích hoạt phần cứng để chỉ chụp một khung hình theo yêu cầu.

4. Tích hợp trình điều khiển và phần mềm

Về phía bộ xử lý nhúng, bạn cần một trình điều khiển chụp các khung hình từ mô-đun máy ảnh cảm biến và cung cấp chúng cho ứng dụng của bạn.

Linux – Hầu hết các camera MIPI đều được hỗ trợ thông qua hệ thống con Video4Linux (V4L2). Bạn có thể cần viết lớp phủ cây thiết bị để mô tả cảm biến và các kết nối của nó. Ví dụ: trên Raspberry Pi, việc bật lớp phủ imx219 cho phép Mô-đun máy ảnh CMOS 1080p hoạt động ngay lập tức. Camera nội soi USB được xử lý bởi trình điều khiển uvcvideo .

Android - Hỗ trợ máy ảnh là một phần của Lớp trừu tượng phần cứng Android (HAL). BSP của nhà cung cấp thường bao gồm trình điều khiển cho các cảm biến cụ thể.

RTOS (FreeRTOS, Zephyr) – Bạn có thể cần phải viết trình điều khiển cấp thấp. Camera song song hoặc dựa trên SPI đơn giản hơn sẽ dễ hỗ trợ hơn nhưng MIPI phức tạp hơn.

Khi trình điều khiển đang chạy, bạn có thể truy cập luồng video bằng API tiêu chuẩn (V4L2 trên Linux, Camera2 trên Android). Đối với Mô-đun máy ảnh nội soi 4K, hãy đảm bảo bộ xử lý của bạn có đủ băng thông và sức mạnh xử lý để xử lý tốc độ dữ liệu cao.

5. Xử lý và phân tích hình ảnh

Sau khi chụp khung, hệ thống nhúng có thể thực hiện xử lý trên thiết bị:

• Nén – Mã hóa video thành H.264 hoặc H.265 để lưu trữ hoặc phát trực tuyến.

• Thị giác máy tính – Chạy OpenCV hoặc các mô hình học sâu để phát hiện khiếm khuyết, đo lường hoặc phân loại mô.

• Lớp phủ – Thêm đồ họa (tỷ lệ, hình chữ thập, văn bản) trước khi hiển thị trên màn hình cục bộ hoặc gửi tới người xem từ xa.

Mô-đun máy ảnh HD hiệu suất cao có thể cung cấp video 1080p vào một bộ tăng tốc AI nhỏ (ví dụ: Google Coral hoặc NVIDIA Jetson) để suy luận theo thời gian thực.

6. Tích hợp ví dụ – Phạm vi kiểm tra di động

Hãy xem xét máy soi lỗ khoan công nghiệp chạy bằng pin:

• Camera – mô-đun camera nội soi 1080p đường kính 5,5 mm với đầu ra MIPI.

• Bộ xử lý – SoC dựa trên ARM Cortex‑A (ví dụ: i.MX8) với đầu vào MIPI CSI.

• Màn hình – Màn hình cảm ứng 5 inch tích hợp.

• Lưu trữ – Thẻ nhớ microSD để ghi hình ảnh và video.

• Nguồn điện – Pin lithium có thể sạc lại với đường ray 3,3 V và 1,8 V.

Các bước tích hợp:

• Gắn mô-đun máy ảnh nhỏ vào đầu cáp linh hoạt, kết thúc bằng đầu nối ZIF trên bo mạch chính.

• Tải nhân Linux bằng trình điều khiển cảm biến thích hợp (ví dụ: đối với Mô-đun máy ảnh IMX290 CMOS).

• Viết một ứng dụng Qt đơn giản sử dụng V4L2 để chụp khung hình, hiển thị video trực tiếp và lưu ảnh chụp nhanh khi nhấn nút.

• Thêm mô hình trí tuệ nhân tạo để phát hiện vết nứt theo thời gian thực.

7. Những cạm bẫy thường gặp và cách tránh chúng

• Tính toàn vẹn của tín hiệu – Làn đường MIPI có tốc độ cao. Giữ dấu vết ngắn và phù hợp với trở kháng (chênh lệch 100 Ω). Sử dụng mặt đất và tránh băng qua đường dây điện ồn ào.

• Lấy nét và căn chỉnh – Đối với mô-đun máy ảnh nội soi lấy nét cố định, hãy đảm bảo khoảng cách làm việc phù hợp với mục đích sử dụng. Kiểm tra độ sâu trường ảnh trước khi hoàn thiện thiết kế.

• Nhiệt – Mô-đun camera nội soi 4K chạy liên tục có thể nóng lên. Cung cấp tản nhiệt đầy đủ hoặc giảm chu kỳ làm việc.

• Tính khả dụng của trình điều khiển – Không phải cảm biến nào cũng có sẵn trình điều khiển cho bộ xử lý của bạn. Chọn mô-đun máy ảnh cảm biến đã được nhà cung cấp SoC của bạn hỗ trợ hoặc có trình điều khiển nguồn mở.

8. Khi nào nên sử dụng Mô-đun máy ảnh nội soi USB

Nếu hệ thống nhúng của bạn chạy bản phân phối Linux đầy đủ và có cổng máy chủ USB thì mô-đun camera nội soi USB có thể là con đường nhanh nhất. Trình điều khiển UVC hoạt động ngay lập tức. Tuy nhiên, bạn phải đánh đổi độ trễ cao hơn và mức tiêu thụ điện năng để dễ tích hợp. Điều này có thể chấp nhận được đối với các trạm kiểm tra cố định hoặc thiết bị mô phỏng đào tạo nhưng ít lý tưởng hơn đối với các thiết bị cầm tay chạy bằng pin.

Bản tóm tắt

Việc tích hợp mô-đun camera nội soi vào hệ thống nhúng bao gồm việc chọn mô-đun camera cảm biến phù hợp (đường kính, độ phân giải, giao diện), kết nối nó qua MIPI (ưu tiên) hoặc USB, quản lý nguồn điện hiệu quả và ghi hoặc định cấu hình trình điều khiển. Mô-đun máy ảnh nhỏ cho phép thiết kế nhỏ gọn, trong khi Mô-đun máy ảnh CMOS mang lại hiệu suất sử dụng điện năng thấp hiện đại. Đối với các tác vụ chẩn đoán tiêu chuẩn, Mô-đun máy ảnh HD (1080p) là đủ; đối với các ứng dụng công nghiệp phẫu thuật hoặc có độ chính xác cao, Mô-đun camera nội soi 4K mang lại chi tiết cần thiết. Bằng cách làm theo các bước phần cứng và phần mềm được nêu ở trên, bạn có thể biến mô-đun máy ảnh thô thành một thiết bị hình ảnh nhúng đầy đủ chức năng.

Để được hỗ trợ tích hợp camera nội soi tùy chỉnh, hãy liên hệ với Chân thành.