Πώς ο ρυθμός καρέ επηρεάζει την απόδοση της κάμερας ενδοσκοπίου

Ο ρυθμός καρέ, μετρημένος σε καρέ ανά δευτερόλεπτο (fps), είναι ο αριθμός των εικόνων που καταγράφει και εμφανίζει μια κάμερα ενδοσκοπίου κάθε δευτερόλεπτο. Επηρεάζει άμεσα το πόσο ομαλή εμφανίζεται το βίντεο, πόσο καθαρά αποτυπώνεται η γρήγορη κίνηση και πόσο καλά αποδίδει η κάμερα σε χαμηλό φωτισμό. Είτε χρησιμοποιείτε μια μονάδα κάμερας ιατρικού ενδοσκοπίου, μια μονάδα μίνι κάμερας για βιομηχανικά borescopes ή μια μονάδα κάμερας USB για επιθεώρηση DIY, η κατανόηση του ρυθμού καρέ σάς βοηθά να επιλέξετε το σωστό εργαλείο για την εργασία σας.

Τι σημαίνει ο ρυθμός καρέ για την ενδοσκόπηση;

Με απλά λόγια, υψηλότερος ρυθμός καρέ σημαίνει πιο ομαλή κίνηση. Το τυπικό βίντεο είναι 30 fps, το οποίο είναι αρκετά ομαλό για την περισσότερη ανθρώπινη παρατήρηση. Ωστόσο, εάν η κάμερα ή το θέμα κινούνται γρήγορα – όπως ένας χειρουργός που μετακινεί ένα λαπαροσκόπιο, μια πίδακα νερού μέσα σε έναν σωλήνα ή μια δονούμενη λεπίδα στροβίλου – ένας υψηλότερος ρυθμός καρέ, όπως 60 fps ή ακόμα και 120 fps, θα καταγράψει τη δράση με πολύ λιγότερη θολούρα και τρεμούλιασμα.

Αντίθετα, ένας χαμηλότερος ρυθμός καρέ (π.χ. 15 fps) μπορεί να κάνει το βίντεο να φαίνεται ασταθές, αλλά επιτρέπει στην κάμερα να διατηρεί το κλείστρο ανοιχτό περισσότερο για κάθε καρέ, γεγονός που βελτιώνει την απόδοση σε χαμηλό φωτισμό.

Ρυθμός καρέ έναντι ευαισθησίας χαμηλού φωτός – A Trade-Off

Η πιο σημαντική αντιστάθμιση είναι μεταξύ του ρυθμού καρέ και της απόδοσης σε χαμηλό φωτισμό. Για να τραβήξετε ένα πλαίσιο, ο αισθητήρας πρέπει να εκτεθεί στο φως για μια συγκεκριμένη περίοδο. Οι υψηλότεροι ρυθμοί καρέ απαιτούν μικρότερους χρόνους έκθεσης ανά καρέ.

• Στα 30 fps, κάθε καρέ μπορεί να εκτεθεί για έως και 33 χιλιοστά του δευτερολέπτου.

• Στα 60 fps, κάθε καρέ μπορεί να εκτεθεί μόνο για περίπου 16 χιλιοστά του δευτερολέπτου – τον ​​μισό χρόνο.

Λιγότερος χρόνος έκθεσης σημαίνει λιγότερο φως που συλλέγεται, επομένως η εικόνα θα είναι πιο σκοτεινή ή πιο θορυβώδης. Επομένως, εάν χρησιμοποιείτε μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου σε σκοτεινή κοιλότητα με περιορισμένο φωτισμό LED, η λειτουργία στα 60 fps μπορεί να δημιουργήσει μια αμυδρή, κοκκώδη εικόνα. Η μείωση του ρυθμού καρέ στα 30 fps ή 15 fps θα φωτίσει την εικόνα αλλά θα κάνει την κίνηση να φαίνεται λιγότερο ρευστή.

Όταν ο υψηλότερος ρυθμός καρέ είναι απαραίτητος

Ιατρική ενδοσκόπηση – Σε διαδικασίες όπου ο ιστός κινείται γρήγορα (π.χ. καρδιακές παλμούς, φωνητικές χορδές, περισταλτισμός), τα 60 fps ή ακόμα και τα 100 fps μειώνουν το θάμπωμα της κίνησης και βοηθούν τους χειρουργούς να δουν τις λεπτές λεπτομέρειες. Μια μονάδα κάμερας cmos με καθολικό κλείστρο και υψηλό ρυθμό καρέ είναι ιδανική.

Βιομηχανική επιθεώρηση – Κατά την επιθεώρηση ταχέως κινούμενων μηχανημάτων (στροβίλους, ιμάντες μεταφοράς), ένας υψηλότερος ρυθμός καρέ παγώνει την κίνηση, επιτρέποντάς σας να δείτε ρωγμές ή ελαττώματα που διαφορετικά θα ήταν θολά. Μια μονάδα μίνι κάμερας με δυνατότητα 60 fps μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα borescope για να επιθεωρήσει τους κυλίνδρους του κινητήρα σε διαφορετικές γωνίες στροφάλου.

Ρομποτική και αυτοματισμός – Ένας βραχίονας ρομπότ ή AGV χρειάζεται χαμηλό λανθάνοντα χρόνο και υψηλό ρυθμό καρέ για να αντιδράσει γρήγορα στο περιβάλλον του. Μια μονάδα κάμερας USB με ροή στα 60 fps μέσω USB 3.0 μπορεί να παρέχει ανατροφοδότηση σε πραγματικό χρόνο για επιλογή με καθοδήγηση με όραση.

Όταν ο χαμηλότερος ρυθμός καρέ είναι αποδεκτός ή προτιμώμενος

Στατική ή αργή επιθεώρηση – Η εξέταση ενός εσωτερικού σωλήνα, μιας κοιλότητας τοίχου ή ενός ακίνητου τμήματος δεν απαιτεί υψηλό ρυθμό καρέ. Τα 30 fps ή ακόμα και τα 15 fps είναι αρκετά και ο αποθηκευμένος χρόνος έκθεσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φωτίσει την εικόνα.

Εξαιρετικά χαμηλός φωτισμός – Εάν εργάζεστε σε σχεδόν σκοτάδι (π.χ. γραμμή αποχέτευσης με αμυδρό φωτισμό LED), η πτώση του ρυθμού καρέ στα 15 fps ή 10 fps μπορεί να διπλασιάσει ή να τριπλασιάσει τον χρόνο έκθεσης, βελτιώνοντας σημαντικά τη φωτεινότητα και μειώνοντας τον θόρυβο.

Συσκευές με μπαταρίες – Οι υψηλότεροι ρυθμοί καρέ καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια επειδή ο αισθητήρας και ο επεξεργαστής πρέπει να χειρίζονται περισσότερα δεδομένα ανά δευτερόλεπτο. Για μια φορητή μονάδα κάμερας USB που λειτουργεί με μπαταρία, τα 30 fps είναι ένας καλός συμβιβασμός.

Πώς ο ρυθμός καρέ επηρεάζει τις κάμερες ενδοσκοπίου USB

Μια τυπική μονάδα κάμερας UVC (Κλάση βίντεο USB) συνήθως υποστηρίζει πολλαπλούς ρυθμούς καρέ. Για παράδειγμα, μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου 1080p μπορεί να προσφέρει 30 fps σε πλήρη ανάλυση και 60 fps στα 720p. Ο κεντρικός υπολογιστής επιλέγει τον επιθυμητό ρυθμό καρέ και την ανάλυση μέσω του πρωτοκόλλου UVC.

Όταν χρησιμοποιείτε μονάδα κάμερας UVC, έχετε υπόψη σας ότι το εύρος ζώνης USB 2.0 (περίπου 40 MB/s) περιορίζει τα 1080p σε περίπου 30 fps όταν χρησιμοποιείτε συμπίεση MJPEG. Για να επιτύχετε 1080p στα 60 fps, χρειάζεστε USB 3.0 ή χαμηλότερη μορφή συμπίεσης. Μια μονάδα κάμερας OEM μπορεί να σχεδιαστεί με γέφυρα USB 3.0 για να υποστηρίζει υψηλότερους ρυθμούς καρέ.

Πρακτικές κατευθυντήριες γραμμές για την επιλογή του ρυθμού καρέ

Πώς να ρυθμίσετε τον ρυθμό καρέ σε μια κάμερα ενδοσκοπίου

• Για μια μονάδα κάμερας UVC (τα περισσότερα ενδοσκόπια USB), το λειτουργικό σύστημα ή η εφαρμογή επιλέγει τον ρυθμό καρέ. Στο OpenCV, μπορείτε να ορίσετε το cv2.CAP_PROP_FPS . Στο VLC, μπορείτε να επιλέξετε τον επιθυμητό ρυθμό καρέ από τις επιλογές της συσκευής λήψης.

• Για μια μονάδα κάμερας OEM με αποκλειστικό DSP, το υλικολογισμικό μπορεί να σας επιτρέψει να αλλάξετε τον ρυθμό καρέ μέσω μενού OSD ή σειριακών εντολών.

• Για μια μονάδα μίνι κάμερας που χρησιμοποιεί MIPI CSI‑2 (π.χ. σε Raspberry Pi), μπορείτε να ορίσετε ρυθμό καρέ στη γραμμή εντολών libcamera : libcamera-vid --framerate 60.

Παράδειγμα: Επιλογή μονάδας κάμερας ενδοσκοπίου

Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να επιθεωρήσετε μικρές ρωγμές μέσα σε ένα αργά περιστρεφόμενο πτερύγιο στροβίλου. Το περιβάλλον είναι μέτρια φωτισμένο. Μια τυπική μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου 30 fps θα λειτουργούσε καλά – η κίνηση είναι αργή και τα 30 fps παρέχουν ομαλό βίντεο.

Αλλά αν χρειαστεί να επιθεωρήσετε έναν μεταφορέα υψηλής ταχύτητας που μεταφέρει μικρά ηλεκτρονικά εξαρτήματα με ταχύτητα 2 m/s, τα 30 fps μπορεί να δημιουργήσουν θόλωση κίνησης. Μια μονάδα κάμερας USB 60 fps με καθολικό κλείστρο θα καταγράψει ευκρινείς εικόνες από κάθε στοιχείο.

Εάν κατασκευάζετε ένα προσαρμοσμένο προϊόν, μια μονάδα κάμερας OEM μπορεί να σχεδιαστεί για να υποστηρίζει πολλαπλούς ρυθμούς καρέ – για παράδειγμα, 60 fps για λειτουργία γρήγορης επιθεώρησης και 15 fps για λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας σε χαμηλό φωτισμό.

Σύναψη

Ο ρυθμός καρέ είναι μια κρίσιμη παράμετρος για την απόδοση της κάμερας ενδοσκοπίου. Οι υψηλότεροι ρυθμοί καρέ (60 fps και άνω) παρέχουν πιο ομαλή κίνηση και καταγράφουν γρήγορη δράση με λιγότερο θάμπωμα, αλλά απαιτούν περισσότερο φως, περισσότερο εύρος ζώνης και περισσότερη επεξεργαστική ισχύ. Οι χαμηλότεροι ρυθμοί καρέ (15-30 fps) βελτιώνουν την ευαισθησία σε χαμηλό φωτισμό, μειώνουν τους ρυθμούς δεδομένων και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Όταν επιλέγετε μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου – είτε μια μονάδα μίνι κάμερας για στενούς χώρους, μια μονάδα κάμερας USB για φορητή χρήση, μια μονάδα κάμερας UVC για plug-and-play, μια μονάδα κάμερας OEM για μια προσαρμοσμένη συσκευή ή μια μονάδα κάμερας cmos για ενσωματωμένη όραση – λάβετε υπόψη την ταχύτητα του θέματος, το διαθέσιμο φως και την επιθυμητή ποιότητα εικόνας. Συχνά, τα 30 fps είναι ένα σταθερό σημείο εκκίνησης. μετακινηθείτε στα 60 fps όταν η κίνηση έχει σημασία και μειώστε στα 15 fps όταν το σκοτάδι είναι η κύρια πρόκληση.

Εάν χρειάζεστε μια προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου με συγκεκριμένο ρυθμό καρέ, βελτιστοποίηση χαμηλού φωτισμού ή μια συγκεκριμένη διεπαφή, επικοινωνήστε με την Sincere. Σχεδιάζουμε και κατασκευάζουμε μονάδες κάμερας OEM προσαρμοσμένες στις ιατρικές, βιομηχανικές ή καταναλωτικές σας εφαρμογές.