Как частота кадров влияет на производительность камеры эндоскопа

Частота кадров, измеряемая в кадрах в секунду (fps), представляет собой количество изображений, которые камера эндоскопа захватывает и отображает каждую секунду. Это напрямую влияет на плавность видео, четкость захвата быстрого движения и качество работы камеры при слабом освещении. Независимо от того, используете ли вы модуль камеры медицинского эндоскопа, модуль мини-камеры для промышленных бороскопов или модуль USB-камеры для самостоятельной проверки, понимание частоты кадров поможет вам выбрать правильный инструмент для вашей задачи.

Что означает частота кадров для эндоскопии?

Проще говоря, более высокая частота кадров означает более плавное движение. Стандартное видео составляет 30 кадров в секунду, что достаточно для наблюдения большинством людей. Однако если камера или объект движется быстро (например, хирург перемещает лапароскоп, водную струю внутри трубы или вибрирующие лопатки турбины), более высокая частота кадров, например 60 или даже 120 кадров в секунду, позволит запечатлеть действие с гораздо меньшим размытием и дрожание.

И наоборот, более низкая частота кадров (например, 15 кадров в секунду) может сделать видео прерывистым, но позволяет камере дольше держать затвор открытым для каждого кадра, что улучшает качество съемки при слабом освещении.

Частота кадров и чувствительность к слабому освещению: компромисс

Самый важный компромисс — между частотой кадров и производительностью при слабом освещении. Для захвата кадра сенсор необходимо подвергать воздействию света в течение определенного периода. Более высокая частота кадров требует более короткого времени экспозиции на кадр.

• При частоте 30 кадров в секунду каждый кадр может экспонироваться примерно до 33 миллисекунд.

• При 60 кадрах в секунду каждый кадр можно экспонировать всего около 16 миллисекунд — вдвое меньше времени.

Меньшее время экспозиции означает меньшее количество света, поэтому изображение будет темнее или зашумленнее. Поэтому, если вы используете модуль камеры эндоскопа в темной полости с ограниченным светодиодным освещением, работа со скоростью 60 кадров в секунду может привести к тусклому и зернистому изображению. Снижение частоты кадров до 30 или 15 кадров в секунду сделает изображение ярче, но движение станет менее плавным.

Когда необходима более высокая частота кадров

Медицинская эндоскопия . При процедурах, где ткани движутся быстро (например, бьется сердце, голосовые связки, перистальтика), частота 60 или даже 100 кадров в секунду уменьшает размытость изображения и помогает хирургам увидеть мелкие детали. Модуль камеры cmos с глобальным затвором и высокой частотой кадров идеален.

Промышленный осмотр . При проверке быстродвижущегося оборудования (вращающихся турбин, конвейерных лент) более высокая частота кадров останавливает движение, позволяя увидеть трещины или дефекты, которые в противном случае были бы размыты. Модуль мини-камеры со скоростью 60 кадров в секунду можно использовать в бороскопе для проверки цилиндров двигателя при различных углах поворота коленчатого вала.

Робототехника и автоматизация . Роботу-манипулятору или AGV требуется низкая задержка и высокая частота кадров, чтобы быстро реагировать на окружающую среду. Модуль USB-камеры, осуществляющий потоковую передачу со скоростью 60 кадров в секунду через USB 3.0, может обеспечить обратную связь в реальном времени для выбора под визуальным контролем.

Когда более низкая частота кадров приемлема или предпочтительна

Статический или медленный осмотр . Исследование внутренней части трубы, полости стены или неподвижной детали не требует высокой частоты кадров. Достаточно 30 или даже 15 кадров в секунду, а сохраненное время экспозиции можно использовать, чтобы сделать изображение ярче.

Чрезвычайно слабая освещенность . Если вы работаете в почти полной темноте (например, в канализации с тусклым светодиодным освещением), снижение частоты кадров до 15 или 10 кадров в секунду может удвоить или утроить время экспозиции, значительно улучшив яркость и уменьшив шум.

Устройства с батарейным питанием . Более высокая частота кадров потребляет больше энергии, поскольку датчик и процессор должны обрабатывать больше данных в секунду. Для портативного модуля USB-камеры, работающего от аккумулятора, частота 30 кадров в секунду является хорошим компромиссом.

Как частота кадров влияет на USB-камеры для эндоскопов

Стандартный модуль камеры UVC (класс USB-видео) обычно поддерживает несколько частот кадров. Например, модуль камеры эндоскопа 1080p может обеспечивать скорость 30 кадров в секунду при полном разрешении и 60 кадров в секунду при 720p. Главный компьютер выбирает желаемую частоту кадров и разрешение через протокол UVC.

При использовании модуля камеры UVC имейте в виду, что пропускная способность USB 2.0 (около 40 МБ/с) ограничивает частоту 1080p примерно до 30 кадров в секунду при использовании сжатия MJPEG. Чтобы добиться разрешения 1080p со скоростью 60 кадров в секунду, вам понадобится USB 3.0 или формат сжатия с более низкой степенью сжатия. OEM-модуль камеры может быть оснащен мостом USB 3.0 для поддержки более высокой частоты кадров.

Практические рекомендации по выбору частоты кадров

Как настроить частоту кадров на камере эндоскопа

• Для модуля камеры UVC (большинство USB-эндоскопов) частоту кадров выбирает операционная система или приложение. В OpenCV вы можете установить cv2.CAP_PROP_FPS . В VLC вы можете выбрать желаемую частоту кадров в параметрах устройства захвата.

• Для OEM-модуля камеры со специальным DSP встроенное ПО может позволять изменять частоту кадров через экранное меню или последовательные команды.

• Для модуля мини-камеры, использующего MIPI CSI‑2 (например, на Raspberry Pi), вы можете установить частоту кадров в командной строке libcamera : libcamera-vid --framerate 60.

Пример: Выбор модуля камеры эндоскопа

Предположим, вам нужно осмотреть небольшие трещины внутри медленно вращающейся лопатки турбины. Окружающая среда умеренно освещена. Стандартный модуль эндоскопической камеры со скоростью 30 кадров в секунду будет работать нормально — движение медленное, а 30 кадров в секунду обеспечивает плавное видео.

Но если вам нужно осмотреть высокоскоростной конвейер, перевозящий мелкие электронные детали со скоростью 2 м/с, скорость 30 кадров в секунду может привести к размытию изображения. Модуль USB-камеры со скоростью 60 кадров в секунду и глобальным затвором позволяет получать четкие изображения каждого компонента.

Если вы создаете индивидуальный продукт, OEM-модуль камеры может быть спроектирован так, чтобы поддерживать несколько частот кадров — например, 60 кадров в секунду для режима быстрого осмотра и 15 кадров в секунду для режима энергосбережения при слабом освещении.

Заключение

Частота кадров является критическим параметром для работы камеры эндоскопа. Более высокая частота кадров (60 кадров в секунду и выше) обеспечивает более плавное движение и захватывает быстрые действия с меньшим размытием, но требует больше света, большей пропускной способности и большей вычислительной мощности. Более низкая частота кадров (15–30 кадров в секунду) улучшает чувствительность при слабом освещении, снижает скорость передачи данных и продлевает срок службы батареи.

При выборе модуля камеры эндоскопа — будь то модуль мини-камеры для ограниченного пространства, модуль камеры USB для портативного использования, модуль камеры UVC для автоматического подключения, модуль камеры OEM для специального устройства или модуль камеры cmos для встроенного машинного зрения — учитывайте скорость объекта, доступное освещение и желаемое качество изображения. Часто 30 кадров в секунду являются хорошей отправной точкой; перейдите к 60 кадрам в секунду, когда движение имеет значение, и снизьте до 15 кадров в секунду, когда темнота является основной проблемой.

Если вам нужен специальный модуль камеры эндоскопа с определенной частотой кадров, оптимизацией при слабом освещении или определенным интерфейсом, свяжитесь с искренним. Мы разрабатываем и производим OEM-модули камер, адаптированные к вашим медицинским, промышленным или потребительским приложениям.