Wie sich die Bildrate auf die Leistung der Endoskopkamera auswirkt

Die Bildrate, gemessen in Bildern pro Sekunde (fps), ist die Anzahl der Bilder, die eine Endoskopkamera pro Sekunde aufnimmt und anzeigt. Es beeinflusst direkt, wie flüssig das Video erscheint, wie klar schnelle Bewegungen erfasst werden und wie gut die Kamera bei schlechten Lichtverhältnissen funktioniert. Unabhängig davon, ob Sie ein medizinisches Endoskop-Kameramodul, ein Mini-Kameramodul für Industrie-Endoskope oder ein USB-Kameramodul für die Heimwerkerinspektion verwenden, hilft Ihnen das Verständnis der Bildrate bei der Auswahl des richtigen Werkzeugs für Ihre Aufgabe.

Was bedeutet die Bildrate für die Endoskopie?

Vereinfacht ausgedrückt bedeutet eine höhere Bildrate eine flüssigere Bewegung. Standardvideos haben 30 fps, was für die meisten menschlichen Beobachtungen flüssig genug ist. Wenn sich die Kamera oder das Motiv jedoch schnell bewegt – beispielsweise ein Chirurg, der ein Laparoskop bewegt, ein Wasserstrahl in einem Rohr oder eine vibrierende Turbinenschaufel –, wird eine höhere Bildrate wie 60 fps oder sogar 120 fps das Geschehen mit viel weniger Unschärfe und Ruckeln einfangen.

Umgekehrt kann eine niedrigere Bildrate (z. B. 15 fps) dazu führen, dass das Video abgehackt aussieht, aber die Kamera kann den Verschluss für jedes Bild länger offen halten, was die Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen verbessert.

Bildrate vs. Empfindlichkeit bei schwachem Licht – ein Kompromiss

Der wichtigste Kompromiss besteht zwischen Bildrate und Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. Um ein Bild aufzunehmen, muss der Sensor für eine bestimmte Zeit Licht ausgesetzt werden. Höhere Bildraten erfordern kürzere Belichtungszeiten pro Bild.

• Bei 30 fps kann jedes Bild bis zu etwa 33 Millisekunden belichtet werden.

• Bei 60 Bildern pro Sekunde kann jedes Bild nur etwa 16 Millisekunden lang belichtet werden – also die Hälfte der Zeit.

Eine kürzere Belichtungszeit bedeutet, dass weniger Licht gesammelt wird, sodass das Bild dunkler oder verrauschter ist. Wenn Sie ein Endoskopkameramodul in einem dunklen Hohlraum mit begrenzter LED-Beleuchtung verwenden, kann es daher bei 60 fps zu einem schwachen, körnigen Bild kommen. Wenn Sie die Bildrate auf 30 fps oder 15 fps senken, wird das Bild heller, die Bewegung erscheint jedoch weniger flüssig.

Wenn eine höhere Bildrate unerlässlich ist

Medizinische Endoskopie – Bei Eingriffen, bei denen sich Gewebe schnell bewegt (z. B. schlagendes Herz, Stimmbänder, Peristaltik), reduzieren 60 fps oder sogar 100 fps Bewegungsunschärfe und helfen Chirurgen, feine Details zu erkennen. Ideal ist ein CMOS-Kameramodul mit Global Shutter und hoher Bildrate.

Industrielle Inspektion – Bei der Inspektion sich schnell bewegender Maschinen (Spinnturbinen, Förderbänder) friert eine höhere Bildrate die Bewegung ein, sodass Sie Risse oder Defekte erkennen können, die andernfalls unscharf wären. Ein Minikameramodul mit 60 Bildern pro Sekunde kann in einem Endoskop verwendet werden, um Motorzylinder bei verschiedenen Kurbelwinkeln zu untersuchen.

Robotik und Automatisierung – Ein Roboterarm oder AGV benötigt eine niedrige Latenz und eine hohe Bildrate, um schnell auf seine Umgebung reagieren zu können. Ein USB-Kameramodul, das mit 60 fps über USB 3.0 streamt, kann Echtzeit-Feedback für die bildgesteuerte Kommissionierung liefern.

Wenn eine niedrigere Bildrate akzeptabel oder bevorzugt ist

Statische oder langsame Inspektion – Die Untersuchung eines Rohrinneren, eines Wandhohlraums oder eines stationären Teils erfordert keine hohe Bildrate. 30 fps oder sogar 15 fps reichen aus und die eingesparte Belichtungszeit kann zur Aufhellung des Bildes genutzt werden.

Extrem schwaches Licht – Wenn Sie fast im Dunkeln arbeiten (z. B. an einer Abwasserleitung mit schwacher LED-Beleuchtung), kann eine Reduzierung der Bildrate auf 15 fps oder 10 fps die Belichtungszeit verdoppeln oder verdreifachen, was die Helligkeit erheblich verbessert und das Rauschen reduziert.

Batteriebetriebene Geräte – Höhere Bildraten verbrauchen mehr Strom, da der Sensor und der Prozessor mehr Daten pro Sekunde verarbeiten müssen. Für ein tragbares USB-Kameramodul im Akkubetrieb sind 30 fps ein guter Kompromiss.

Wie sich die Bildrate auf USB-Endoskopkameras auswirkt

Ein Standard-UVC-Kameramodul (USB-Videoklasse) unterstützt normalerweise mehrere Bildraten. Beispielsweise könnte ein 1080p-Endoskopkameramodul 30 fps bei voller Auflösung und 60 fps bei 720p bieten. Der Host-Computer wählt über das UVC-Protokoll die gewünschte Bildrate und Auflösung aus.

Beachten Sie bei Verwendung eines UVC-Kameramoduls, dass die USB 2.0-Bandbreite (ca. 40 MB/s) 1080p bei Verwendung der MJPEG-Komprimierung auf ca. 30 fps begrenzt. Um 1080p bei 60 fps zu erreichen, benötigen Sie USB 3.0 oder ein niedrigeres Komprimierungsformat. Ein OEM-Kameramodul kann mit einer USB 3.0-Brücke ausgestattet werden, um höhere Bildraten zu unterstützen.

Praktische Richtlinien zur Auswahl der Bildrate

So passen Sie die Bildrate einer Endoskopkamera an

• Bei einem UVC-Kameramodul (die meisten USB-Endoskope) wählt das Betriebssystem oder die Anwendung die Bildrate aus. In OpenCV können Sie cv2.CAP_PROP_FPS festlegen . In VLC können Sie die gewünschte Bildrate aus den Optionen des Aufnahmegeräts auswählen.

• Bei einem OEM-Kameramodul mit einem dedizierten DSP ermöglicht Ihnen die Firmware möglicherweise, die Bildrate über das OSD-Menü oder serielle Befehle zu ändern.

• Für ein Minikameramodul, das MIPI CSI-2 verwendet (z. B. auf einem Raspberry Pi), können Sie die Bildrate in der libcamera -Befehlszeile festlegen: libcamera-vid --framerate 60.

Beispiel: Auswahl eines Endoskop-Kameramoduls

Angenommen, Sie müssen kleine Risse im Inneren einer langsam rotierenden Turbinenschaufel untersuchen. Die Umgebung ist mäßig beleuchtet. Ein Standard-Endoskopkameramodul mit 30 fps würde gut funktionieren – die Bewegung ist langsam und 30 fps sorgen für flüssiges Video.

Wenn Sie jedoch ein Hochgeschwindigkeitsförderband prüfen müssen, das kleine elektronische Teile mit 2 m/s transportiert, kann es bei 30 fps zu Bewegungsunschärfe kommen. Ein 60-fps-USB-Kameramodul mit Global Shutter würde scharfe Bilder jeder Komponente aufnehmen.

Wenn Sie ein kundenspezifisches Produkt entwickeln, kann ein OEM-Kameramodul so konzipiert werden, dass es mehrere Bildraten unterstützt – zum Beispiel 60 fps für den schnellen Inspektionsmodus und 15 fps für den Energiesparmodus bei schlechten Lichtverhältnissen.

Abschluss

Die Bildrate ist ein entscheidender Parameter für die Leistung der Endoskopkamera. Höhere Bildraten (60 fps und mehr) sorgen für flüssigere Bewegungen und erfassen schnelle Aktionen mit weniger Unschärfe, erfordern jedoch mehr Licht, mehr Bandbreite und mehr Rechenleistung. Niedrigere Bildraten (15–30 fps) verbessern die Empfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen, reduzieren die Datenraten und verlängern die Akkulaufzeit.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Endoskop-Kameramoduls – sei es ein Mini-Kameramodul für enge Räume, ein USB-Kameramodul für den tragbaren Einsatz, ein UVC-Kameramodul für Plug-and-Play, ein OEM-Kameramodul für ein kundenspezifisches Gerät oder ein CMOS-Kameramodul für Embedded Vision – die Geschwindigkeit des Motivs, das verfügbare Licht und die gewünschte Bildqualität. Oft sind 30 fps ein guter Ausgangspunkt; Wechseln Sie zu 60 fps, wenn es auf Bewegung ankommt, und senken Sie sie auf 15 fps, wenn die Dunkelheit die größte Herausforderung darstellt.

Wenn Sie ein individuelles Endoskopkameramodul mit einer bestimmten Bildrate, Optimierung bei schlechten Lichtverhältnissen oder einer bestimmten Schnittstelle benötigen, wenden Sie sich an Sincere. Wir entwerfen und fertigen OEM-Kameramodule, die auf Ihre medizinische, industrielle oder Verbraucheranwendung zugeschnitten sind.