Como a taxa de quadros afeta o desempenho da câmera do endoscópio

A taxa de quadros, medida em quadros por segundo (fps), é o número de imagens que uma câmera endoscópica captura e exibe a cada segundo. Ele influencia diretamente a suavidade do vídeo, a clareza com que o movimento rápido é capturado e o desempenho da câmera com pouca luz. Esteja você usando um módulo de câmera de endoscópio médico, um módulo de minicâmera para boroscópios industriais ou um módulo de câmera USB para inspeção DIY, compreender a taxa de quadros ajuda você a escolher a ferramenta certa para sua tarefa.

O que significa taxa de quadros para endoscopia?

Em termos simples, uma taxa de quadros mais alta significa um movimento mais suave. O vídeo padrão é de 30 qps, o que é suave o suficiente para a maior parte da observação humana. No entanto, se a câmera ou o objeto se mover rapidamente – como um cirurgião movendo um laparoscópio, um jato de água dentro de um cano ou uma lâmina de turbina vibratória – uma taxa de quadros mais alta, como 60 qps ou mesmo 120 qps, capturará a ação com muito menos desfoque e trepidação.

Por outro lado, uma taxa de quadros mais baixa (por exemplo, 15 qps) pode fazer com que o vídeo pareça instável, mas permite que a câmera mantenha o obturador aberto por mais tempo para cada quadro, o que melhora o desempenho em pouca luz.

Taxa de quadros versus sensibilidade à pouca luz – uma troca

A compensação mais importante é entre a taxa de quadros e o desempenho com pouca luz. Para capturar um quadro, o sensor deve ficar exposto à luz por um determinado período. Taxas de quadros mais altas exigem tempos de exposição mais curtos por quadro.

• A 30 fps, cada quadro pode ser exposto por até 33 milissegundos.

• A 60 fps, cada quadro pode ser exposto por apenas cerca de 16 milissegundos – metade do tempo.

Menos tempo de exposição significa menos luz coletada, então a imagem ficará mais escura ou com mais ruído. Portanto, se você estiver usando um módulo de câmera endoscópica em uma cavidade escura com iluminação LED limitada, rodar a 60 qps poderá produzir uma imagem escura e granulada. Reduzir a taxa de quadros para 30 fps ou 15 fps iluminará a imagem, mas fará com que o movimento pareça menos fluido.

Quando uma taxa de quadros mais alta é essencial

Endoscopia médica – Em procedimentos onde o tecido se move rapidamente (por exemplo, batimentos cardíacos, cordas vocais, peristaltismo), 60 fps ou mesmo 100 fps reduzem o desfoque de movimento e ajudam os cirurgiões a ver detalhes finos. Um módulo de câmera CMOS com obturador global e alta taxa de quadros é ideal.

Inspeção industrial – Ao inspecionar máquinas em movimento rápido (turbinas giratórias, correias transportadoras), uma taxa de quadros mais alta congela o movimento, permitindo que você veja rachaduras ou defeitos que de outra forma ficariam borrados. Um módulo de minicâmera com capacidade de 60 fps pode ser usado em um boroscópio para inspecionar cilindros de motor em diferentes ângulos de manivela.

Robótica e automação – Um braço robótico ou AGV precisa de baixa latência e alta taxa de quadros para reagir rapidamente ao seu ambiente. Um módulo de câmera USB transmitindo a 60 qps por USB 3.0 pode fornecer feedback em tempo real para coleta guiada por visão.

Quando a taxa de quadros mais baixa é aceitável ou preferida

Inspeção estática ou lenta – Examinar o interior de um tubo, uma cavidade de parede ou uma peça estacionária não requer alta taxa de quadros. 30 fps ou mesmo 15 fps são suficientes, e o tempo de exposição salvo pode ser usado para iluminar a imagem.

Luz extremamente fraca – Se você estiver trabalhando quase na escuridão (por exemplo, em uma linha de esgoto com iluminação LED fraca), reduzir a taxa de quadros para 15 fps ou 10 fps pode dobrar ou triplicar o tempo de exposição, melhorando significativamente o brilho e reduzindo o ruído.

Dispositivos alimentados por bateria – Taxas de quadros mais altas consomem mais energia porque o sensor e o processador precisam lidar com mais dados por segundo. Para um módulo de câmera USB portátil funcionando com bateria, 30 qps é um bom compromisso.

Como a taxa de quadros afeta as câmeras endoscópicas USB

Um módulo de câmera UVC padrão (USB Video Class) normalmente suporta múltiplas taxas de quadros. Por exemplo, um módulo de câmera endoscópica 1080p pode oferecer 30 fps em resolução total e 60 fps em 720p. O computador host seleciona a taxa de quadros e a resolução desejadas por meio do protocolo UVC.

Ao usar um módulo de câmera UVC, lembre-se de que a largura de banda USB 2.0 (cerca de 40 MB/s) limita 1080p a cerca de 30 fps ao usar a compactação MJPEG. Para atingir 1080p a 60 fps, você precisa de USB 3.0 ou um formato de compactação inferior. Um módulo de câmera OEM pode ser projetado com uma ponte USB 3.0 para suportar taxas de quadros mais altas.

Diretrizes práticas para escolher a taxa de quadros

Como ajustar a taxa de quadros em uma câmera endoscópica

• Para um módulo de câmera UVC (a maioria dos endoscópios USB), o sistema operacional ou aplicativo seleciona a taxa de quadros. No OpenCV, você pode definir cv2.CAP_PROP_FPS . No VLC, você pode escolher a taxa de quadros desejada nas opções do dispositivo de captura.

• Para um módulo de câmera OEM com um DSP dedicado, o firmware pode permitir alterar a taxa de quadros por meio do menu OSD ou de comandos seriais.

• Para um módulo de minicâmera usando MIPI CSI‑2 (por exemplo, em um Raspberry Pi), você pode definir a taxa de quadros na linha de comando da libcamera : libcamera-vid --framerate 60.

Exemplo: Escolha de um módulo de câmera endoscópica

Suponha que você precise inspecionar pequenas rachaduras dentro de uma pá de turbina que gira lentamente. O ambiente é moderadamente iluminado. Um módulo de câmera endoscópica padrão de 30 fps funcionaria bem – o movimento é lento e 30 fps fornece vídeo suave.

Mas se você precisar inspecionar um transportador de alta velocidade que transporta pequenas peças eletrônicas a 2 m/s, 30 qps poderá produzir desfoque de movimento. Um módulo de câmera USB de 60 qps com obturador global capturaria imagens nítidas de cada componente.

Se você estiver construindo um produto personalizado, um módulo de câmera OEM poderá ser projetado para suportar múltiplas taxas de quadros – por exemplo, 60 fps para modo de inspeção rápida e 15 fps para modo de economia de energia com pouca luz.

Conclusão

A taxa de quadros é um parâmetro crítico para o desempenho da câmera endoscópica. Taxas de quadros mais altas (60 fps e superiores) proporcionam movimentos mais suaves e capturam ações rápidas com menos desfoque, mas exigem mais luz, mais largura de banda e mais poder de processamento. Taxas de quadros mais baixas (15-30 fps) melhoram a sensibilidade à luz fraca, reduzem as taxas de dados e prolongam a vida útil da bateria.

Ao selecionar um módulo de câmera de endoscópio – seja um módulo de minicâmera para espaços apertados, um módulo de câmera USB para uso portátil, um módulo de câmera UVC para plug-and-play, um módulo de câmera OEM para um dispositivo personalizado ou um módulo de câmera CMOS para visão integrada – considere a velocidade do objeto, a luz disponível e a qualidade de imagem desejada. Freqüentemente, 30 fps é um ponto de partida sólido; mude para 60 fps quando o movimento for importante e caia para 15 fps quando a escuridão for o principal desafio.

Se você precisar de um módulo de câmera endoscópica personalizado com uma taxa de quadros específica, otimização para pouca luz ou uma interface específica, entre em contato com a Sincere. Projetamos e fabricamos módulos de câmera OEM adaptados à sua aplicação médica, industrial ou de consumo.