フレームレートが内視鏡カメラのパフォーマンスに与える影響

フレーム レートは、1 秒あたりのフレーム数 (fps) で測定され、内視鏡カメラが 1 秒間にキャプチャして表示する画像の数です。これは、ビデオがどの程度スムーズに表示されるか、速い動きがどの程度明確にキャプチャされるか、および暗い場所でのカメラのパフォーマンスに直接影響します。医療用内視鏡カメラ モジュール、工業用ボアスコープ用ミニ カメラ モジュール、DIY 検査用 USB カメラ モジュールのいずれを使用している場合でも、フレーム レートを理解すると、タスクに適したツールを選択するのに役立ちます。

内視鏡検査におけるフレームレートは何を意味しますか?

簡単に言えば、フレーム レートが高いほど、動きが滑らかになることを意味します。標準ビデオは 30 fps で、人間によるほとんどの観察には十分に滑らかです。ただし、腹腔鏡を動かす外科医、パイプ内のウォーター ジェット、振動するタービン ブレードなど、カメラや被写体が速く動く場合は、60 fps や 120 fps などの高いフレーム レートを使用すると、ブレやジャダーがはるかに少なく、アクションをキャプチャできます。

逆に、フレーム レートが低いと (15 fps など)、ビデオが途切れ途切れに見える可能性がありますが、カメラはフレームごとにシャッターを開いたままにしておくことができるため、低照度でのパフォーマンスが向上します。

フレームレートと低照度感度 – トレードオフ

最も重要なトレードオフは、フレーム レートと低照度パフォーマンスの間です。フレームをキャプチャするには、センサーに一定時間光が当たる必要があります。フレーム レートが高いほど、フレームあたりの露光時間が短くなります。

• 30 fps では、各フレームは最大約 33 ミリ秒間露光できます。

• 60 fps では、各フレームは半分の時間である約 16 ミリ秒しか露光できません。

露光時間が短くなると、集められる光が少なくなるため、画像が暗くなったり、ノイズが多くなったりします。したがって、LED 照明が限られている暗い空洞で内視鏡カメラ モジュールを使用している場合、60 fps で実行すると、薄暗く粒子の粗い画像が生成される可能性があります。フレーム レートを 30 fps または 15 fps に下げると、画像は明るくなりますが、動きが滑らかではなくなります。

より高いフレームレートが不可欠な場合

医療内視鏡 – 組織が急速に動く処置 (心臓の鼓動、声帯、蠕動運動など) では、60 fps または 100 fps でモーション ブラーが軽減され、外科医が細部を確認できるようになります。グローバル シャッターと高フレーム レートを備えた cmos カメラ モジュールが理想的です。

工業用検査 – 高速で動く機械 (回転するタービン、コンベア ベルト) を検査する場合、フレーム レートが高いと動きがフリーズし、他の方法ではぼやけてしまう亀裂や欠陥が見えるようになります。 60 fps の機能を備えたミニ カメラ モジュールをボアスコープで使用すると、さまざまなクランク角度でエンジン シリンダーを検査できます。

ロボティクスとオートメーション – ロボット アームまたは AGV は、環境に迅速に反応するために、低遅延と高フレーム レートを必要とします。 USB 3.0 経由で 60 fps でストリーミングする USB カメラ モジュールは、視覚ガイドに基づいたピッキングのためのリアルタイム フィードバックを提供できます。

低いフレームレートが許容されるか、または好ましい場合

静的検査または低速検査 – パイプ内部、壁空洞、または固定部品の検査には高いフレーム レートは必要ありません。 30 fps または 15 fps で十分であり、保存された露出時間を画像を明るくするために使用できます。

非常に暗い光 - ほぼ暗闇で作業している場合 (例: 薄暗い LED 照明の下水道管)、フレーム レートを 15 fps または 10 fps に下げると、露光時間が 2 倍または 3 倍になり、明るさが大幅に向上し、ノイズが軽減されます。

バッテリー駆動のデバイス – フレーム レートが高くなると、センサーとプロセッサーが 1 秒あたりより多くのデータを処理する必要があるため、より多くの電力を消費します。バッテリーで動作するハンドヘルド USB カメラ モジュールの場合、30 fps が適切な妥協点です。

フレームレートがUSB内視鏡カメラに与える影響

標準 UVC カメラ モジュール (USB ビデオ クラス) は通常、複数のフレーム レートをサポートします。たとえば、1080p 内視鏡カメラ モジュールは、フル解像度で 30 fps、720p で 60 fps を提供する可能性があります。ホスト コンピューターは、UVC プロトコルを介して必要なフレーム レートと解像度を選択します。

UVC カメラ モジュールを使用する場合は、MJPEG 圧縮を使用する場合、USB 2.0 帯域幅 (約 40 MB/秒) により 1080p が約 30 fps に制限されることに注意してください。 60 fps で 1080p を実現するには、USB 3.0 以下の圧縮フォーマットが必要です。 OEM カメラ モジュールは、より高いフレーム レートをサポートする USB 3.0 ブリッジを使用して設計できます。

フレームレートを選択するための実際的なガイドライン

内視鏡カメラのフレームレートを調整する方法

• UVC カメラ モジュール (ほとんどの USB 内視鏡) の場合、オペレーティング システムまたはアプリケーションがフレーム レートを選択します。 OpenCVでは、 cv2.CAP_PROP_FPSを設定できます。 VLC では、キャプチャ デバイスのオプションから希望のフレーム レートを選択できます。

• 専用 DSP を備えた OEM カメラ モジュールの場合、ファームウェアにより、OSD メニューまたはシリアル コマンドを介してフレーム レートを変更できる場合があります。

• MIPI CSI‑2 を使用するミニ カメラ モジュール (Raspberry Pi など) の場合、 libcamera コマンド ラインでフレーム レートを設定できます: libcamera-vid --framerate 60.

例: 内視鏡カメラモジュールの選択

ゆっくりと回転するタービンブレードの内側の小さな亀裂を検査する必要があるとします。環境は適度に明るいです。標準的な 30 fps の内視鏡カメラ モジュールは正常に動作します。動きは遅く、30 fps では滑らかなビデオが得られます。

しかし、小さな電子部品を 2 m/s で運ぶ高速コンベアを検査する必要がある場合、30 fps ではモーション ブラーが発生する可能性があります。グローバル シャッターを備えた 60 fps USB カメラ モジュールは、各コンポーネントの鮮明な画像をキャプチャします。

カスタム製品を構築している場合、OEM カメラ モジュールは複数のフレーム レートをサポートするように設計できます。たとえば、高速検査モードでは 60 fps、低照度省電力モードでは 15 fps をサポートします。

結論

フレーム レートは、内視鏡カメラのパフォーマンスにとって重要なパラメータです。フレーム レートが高い (60 fps 以上) と、動きがスムーズになり、ブレが少なく素早いアクションをキャプチャできますが、より多くの光、より多くの帯域幅、より多くの処理能力が必要になります。フレーム レートが低い (15 ～ 30 fps) と、低照度での感度が向上し、データ レートが低下し、バッテリ寿命が延長されます。

内視鏡カメラ モジュールを選択するときは、狭いスペース用のミニ カメラ モジュール、ポータブル用の USB カメラ モジュール、プラグ アンド プレイ用の UVC カメラ モジュール、カスタム デバイス用の OEM カメラ モジュール、または組み込みビジョン用の cmos カメラ モジュールのいずれであっても、被写体の速度、利用可能な光、および望ましい画質を考慮してください。多くの場合、30 fps が確実な開始点となります。動きが重要な場合は 60 fps に移行し、暗闇が主な課題である場合は 15 fps に低下します。

特定のフレーム レート、低照度最適化、または特定のインターフェイスを備えたカスタム内視鏡カメラ モジュールが必要な場合は、シンシアにお問い合わせください。当社は、医療、産業、または民生用途に合わせた OEM カメラ モジュールを設計および製造します。