In che modo il frame rate influisce sulle prestazioni della fotocamera dell'endoscopio

La frequenza fotogrammi, misurata in fotogrammi al secondo (fps), è il numero di immagini che una fotocamera endoscopica acquisisce e visualizza ogni secondo. Influisce direttamente sulla fluidità del video, sulla chiarezza con cui viene catturato il movimento veloce e sulle prestazioni della fotocamera in condizioni di scarsa illuminazione. Che tu stia utilizzando un modulo fotocamera per endoscopio medico, un modulo mini fotocamera per endoscopi industriali o un modulo fotocamera USB per ispezioni fai-da-te, comprendere il frame rate ti aiuta a scegliere lo strumento giusto per la tua attività.

Cosa significa frame rate per l'endoscopia?

In termini semplici, un frame rate più elevato significa un movimento più fluido. Il video standard è di 30 fps, che è abbastanza fluido per la maggior parte dell'osservazione umana. Tuttavia, se la telecamera o il soggetto si muovono rapidamente, ad esempio un chirurgo che sposta un laparoscopio, un getto d'acqua all'interno di un tubo o la vibrazione della pala di una turbina, un frame rate più elevato, come 60 fps o addirittura 120 fps, catturerà l'azione con molte meno sfocature e vibrazioni.

Al contrario, una frequenza fotogrammi inferiore (ad esempio 15 fps) può rendere il video instabile ma consente alla fotocamera di mantenere l'otturatore aperto più a lungo per ciascun fotogramma, migliorando le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione.

Frame rate e sensibilità alla scarsa illuminazione: un compromesso

Il compromesso più importante è tra frame rate e prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Per catturare un fotogramma, il sensore deve essere esposto alla luce per un certo periodo. Frame rate più elevati richiedono tempi di esposizione più brevi per fotogramma.

• A 30 fps, ogni fotogramma può essere esposto fino a circa 33 millisecondi.

• A 60 fps, ogni fotogramma può essere esposto solo per circa 16 millisecondi, la metà del tempo.

Meno tempo di esposizione significa meno luce raccolta, quindi l'immagine sarà più scura o più rumorosa. Pertanto, se si utilizza un modulo fotocamera per endoscopio in una cavità buia con illuminazione LED limitata, il funzionamento a 60 fps può produrre un'immagine fioca e sgranata. Abbassando la frequenza dei fotogrammi a 30 fps o 15 fps si schiarirà l'immagine ma il movimento apparirà meno fluido.

Quando un frame rate più elevato è essenziale

Endoscopia medica – Nelle procedure in cui i tessuti si muovono rapidamente (ad esempio, battito del cuore, corde vocali, peristalsi), 60 fps o addirittura 100 fps riducono l'effetto mosso e aiutano i chirurghi a vedere i dettagli più fini. L'ideale è un modulo fotocamera CMOS con otturatore globale e frame rate elevato.

Ispezione industriale : durante l'ispezione di macchinari in rapido movimento (turbine rotanti, nastri trasportatori), un frame rate più elevato blocca il movimento, consentendo di vedere crepe o difetti che altrimenti sarebbero sfocati. Un modulo mini telecamera con capacità di 60 fps può essere utilizzato in un boroscopio per ispezionare i cilindri del motore a diversi angoli di manovella.

Robotica e automazione : un braccio robotico o un AGV necessita di bassa latenza e frame rate elevato per reagire rapidamente all'ambiente. Un modulo fotocamera USB che trasmette in streaming a 60 fps su USB 3.0 può fornire feedback in tempo reale per la raccolta guidata dalla visione.

Quando il frame rate inferiore è accettabile o preferito

Ispezione statica o lenta : l'esame dell'interno di un tubo, di una cavità di parete o di una parte stazionaria non richiede un frame rate elevato. Sono sufficienti 30 fps o anche 15 fps e il tempo di esposizione salvato può essere utilizzato per schiarire l'immagine.

Luce estremamente scarsa : se lavori in condizioni di quasi oscurità (ad esempio, una linea fognaria con scarsa illuminazione a LED), riducendo la frequenza dei fotogrammi a 15 fps o 10 fps puoi raddoppiare o triplicare il tempo di esposizione, migliorando significativamente la luminosità e riducendo il rumore.

Dispositivi alimentati a batteria : frame rate più elevati consumano più energia perché il sensore e il processore devono gestire più dati al secondo. Per un modulo fotocamera USB portatile alimentato a batteria, 30 fps è un buon compromesso.

In che modo il frame rate influisce sulle fotocamere per endoscopio USB

Un modulo fotocamera UVC standard (classe video USB) supporta in genere più frame rate. Ad esempio, un modulo fotocamera per endoscopio da 1080p potrebbe offrire 30 fps alla massima risoluzione e 60 fps a 720p. Il computer host seleziona il frame rate e la risoluzione desiderati tramite il protocollo UVC.

Quando si utilizza un modulo fotocamera UVC, tenere presente che la larghezza di banda USB 2.0 (circa 40 MB/s) limita 1080p a circa 30 fps quando si utilizza la compressione MJPEG. Per raggiungere 1080p a 60 fps, è necessaria USB 3.0 o un formato di compressione inferiore. Un modulo fotocamera OEM può essere progettato con un bridge USB 3.0 per supportare frame rate più elevati.

Linee guida pratiche per la scelta del frame rate

Come regolare la frequenza dei fotogrammi su una telecamera per endoscopio

• Per un modulo fotocamera UVC (la maggior parte degli endoscopi USB), il sistema operativo o l'applicazione seleziona la frequenza dei fotogrammi. In OpenCV, puoi impostare cv2.CAP_PROP_FPS . In VLC, puoi scegliere il frame rate desiderato dalle opzioni del dispositivo di acquisizione.

• Per un modulo fotocamera OEM con un DSP dedicato, il firmware potrebbe consentire di modificare la frequenza dei fotogrammi tramite il menu OSD o i comandi seriali.

• Per un modulo mini fotocamera che utilizza MIPI CSI‑2 (ad esempio, su un Raspberry Pi), è possibile impostare la frequenza dei fotogrammi nella riga di comando di libcamera : libcamera-vid --framerate 60.

Esempio: scelta di un modulo telecamera per endoscopio

Supponiamo di dover ispezionare piccole crepe all'interno della pala di una turbina che ruota lentamente. L'ambiente è moderatamente illuminato. Un modulo telecamera per endoscopio standard da 30 fps funzionerebbe bene: il movimento è lento e 30 fps forniscono video fluidi.

Ma se devi ispezionare un trasportatore ad alta velocità che trasporta piccole parti elettroniche a 2 m/s, 30 fps potrebbero produrre motion blur. Un modulo fotocamera USB da 60 fps con otturatore globale catturerebbe immagini nitide di ciascun componente.

Se stai costruendo un prodotto personalizzato, un modulo fotocamera OEM può essere progettato per supportare più frame rate, ad esempio 60 fps per la modalità di ispezione rapida e 15 fps per la modalità di risparmio energetico in condizioni di scarsa illuminazione.

Conclusione

La frequenza dei fotogrammi è un parametro critico per le prestazioni della fotocamera dell'endoscopio. Frame rate più elevati (60 fps e superiori) forniscono movimenti più fluidi e catturano azioni rapide con meno sfocature, ma richiedono più luce, più larghezza di banda e più potenza di elaborazione. Frame rate inferiori (15-30 fps) migliorano la sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione, riducono la velocità dei dati e prolungano la durata della batteria.

Quando si seleziona un modulo fotocamera per endoscopio, che si tratti di un modulo mini fotocamera per spazi ristretti, di un modulo fotocamera USB per uso portatile, di un modulo fotocamera UVC plug-and-play, di un modulo fotocamera OEM per un dispositivo personalizzato o di un modulo fotocamera CMOS per la visione integrata, considerare la velocità del soggetto, la luce disponibile e la qualità dell'immagine desiderata. Spesso 30 fps sono un solido punto di partenza; passa a 60 fps quando il movimento conta e scendi a 15 fps quando l'oscurità è la sfida principale.

Se hai bisogno di un modulo telecamera per endoscopio personalizzato con un frame rate specifico, un'ottimizzazione in condizioni di scarsa illuminazione o un'interfaccia particolare, contatta Sincere. Progettiamo e produciamo moduli telecamera OEM su misura per la vostra applicazione medica, industriale o di consumo.