Tốc độ khung hình ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của camera nội soi

Tốc độ khung hình, được đo bằng khung hình trên giây (fps), là số lượng hình ảnh mà camera nội soi chụp và hiển thị mỗi giây. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ mượt mà của video, tốc độ ghi lại chuyển động rõ ràng và hiệu suất hoạt động của máy ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu. Cho dù bạn đang sử dụng mô-đun máy ảnh nội soi y tế, mô-đun máy ảnh mini cho ống nội soi công nghiệp hay Mô-đun máy ảnh USB để kiểm tra DIY, việc hiểu rõ tốc độ khung hình sẽ giúp bạn chọn công cụ phù hợp cho nhiệm vụ của mình.

Tốc độ khung hình có ý nghĩa gì đối với nội soi?

Nói một cách đơn giản, tốc độ khung hình cao hơn có nghĩa là chuyển động mượt mà hơn. Video tiêu chuẩn là 30 khung hình/giây, đủ mượt để hầu hết mọi người quan sát. Tuy nhiên, nếu máy ảnh hoặc đối tượng di chuyển nhanh – chẳng hạn như bác sĩ phẫu thuật di chuyển ống nội soi, tia nước bên trong đường ống hoặc lưỡi tuabin rung – tốc độ khung hình cao hơn như 60 khung hình/giây hoặc thậm chí 120 khung hình/giây sẽ ghi lại hành động ít bị mờ và rung hơn nhiều.

Ngược lại, tốc độ khung hình thấp hơn (ví dụ: 15 khung hình/giây) có thể làm cho video trông bị giật nhưng cho phép máy ảnh giữ cửa trập mở lâu hơn cho mỗi khung hình, giúp cải thiện hiệu suất trong điều kiện ánh sáng yếu.

Tốc độ khung hình so với độ nhạy sáng thấp – Sự đánh đổi

Sự cân bằng quan trọng nhất là giữa tốc độ khung hình và hiệu suất trong điều kiện ánh sáng yếu. Để chụp được khung hình, cảm biến phải được tiếp xúc với ánh sáng trong một khoảng thời gian nhất định. Tốc độ khung hình cao hơn yêu cầu thời gian phơi sáng trên mỗi khung hình ngắn hơn.

• Ở tốc độ 30 khung hình/giây, mỗi khung hình có thể được hiển thị trong khoảng 33 mili giây.

• Ở tốc độ 60 khung hình/giây, mỗi khung hình chỉ có thể được hiển thị trong khoảng 16 mili giây – một nửa thời gian.

Thời gian phơi sáng ít hơn đồng nghĩa với việc thu được ít ánh sáng hơn, do đó hình ảnh sẽ tối hơn hoặc nhiễu hơn. Do đó, nếu bạn đang sử dụng mô-đun máy ảnh nội soi trong khoang tối với độ chiếu sáng LED hạn chế, việc chạy ở tốc độ 60 khung hình/giây có thể tạo ra hình ảnh mờ, nhiễu hạt. Việc giảm tốc độ khung hình xuống 30 khung hình/giây hoặc 15 khung hình/giây sẽ làm sáng hình ảnh nhưng khiến chuyển động trở nên kém trôi chảy hơn.

Khi tốc độ khung hình cao hơn là cần thiết

Nội soi y tế – Trong các thủ thuật mà mô di chuyển nhanh (ví dụ như tim đập, dây thanh âm, nhu động), 60 khung hình/giây hoặc thậm chí 100 khung hình/giây giúp giảm mờ chuyển động và giúp bác sĩ phẫu thuật nhìn rõ các chi tiết. Một mô-đun máy ảnh cmos có màn trập toàn cầu và tốc độ khung hình cao là lý tưởng.

Kiểm tra công nghiệp – Khi kiểm tra máy móc chuyển động nhanh (tua bin quay, băng tải), tốc độ khung hình cao hơn sẽ đóng băng chuyển động, cho phép bạn nhìn thấy các vết nứt hoặc khuyết tật lẽ ra sẽ bị mờ. Một mô-đun máy ảnh mini có khả năng quay 60 khung hình/giây có thể được sử dụng trong kính soi để kiểm tra xi lanh động cơ ở các góc quay khác nhau.

Robot và tự động hóa – Cánh tay robot hoặc AGV cần độ trễ thấp và tốc độ khung hình cao để phản ứng nhanh với môi trường của nó. Mô-đun máy ảnh USB phát trực tuyến ở tốc độ 60 khung hình/giây qua USB 3.0 có thể cung cấp phản hồi theo thời gian thực cho việc chọn hàng được hướng dẫn bằng thị giác.

Khi tốc độ khung hình thấp hơn được chấp nhận hoặc ưu tiên

Kiểm tra tĩnh hoặc chậm – Kiểm tra bên trong đường ống, hốc tường hoặc bộ phận cố định không yêu cầu tốc độ khung hình cao. 30 khung hình/giây hoặc thậm chí 15 khung hình/giây là đủ và thời gian phơi sáng đã lưu có thể được sử dụng để làm sáng hình ảnh.

Ánh sáng cực yếu – Nếu bạn đang làm việc trong điều kiện gần như tối (ví dụ: đường cống có đèn LED chiếu sáng mờ), việc giảm tốc độ khung hình xuống 15 khung hình/giây hoặc 10 khung hình/giây có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba thời gian phơi sáng, cải thiện đáng kể độ sáng và giảm tiếng ồn.

Thiết bị chạy bằng pin – Tốc độ khung hình cao hơn sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn vì cảm biến và bộ xử lý phải xử lý nhiều dữ liệu hơn mỗi giây. Đối với Mô-đun máy ảnh USB cầm tay chạy bằng pin, tốc độ 30 khung hình/giây là mức phù hợp.

Tốc độ khung hình ảnh hưởng như thế nào đến máy ảnh nội soi USB

Mô-đun máy ảnh UVC tiêu chuẩn (Lớp Video USB) thường hỗ trợ nhiều tốc độ khung hình. Ví dụ: mô-đun máy ảnh nội soi 1080p có thể cung cấp 30 khung hình/giây ở độ phân giải đầy đủ và 60 khung hình/giây ở 720p. Máy chủ chọn tốc độ khung hình và độ phân giải mong muốn thông qua giao thức UVC.

Khi sử dụng mô-đun máy ảnh UVC, hãy nhớ rằng băng thông USB 2.0 (khoảng 40 MB/s) giới hạn 1080p ở khoảng 30 khung hình/giây khi sử dụng nén MJPEG. Để đạt được 1080p ở tốc độ 60 khung hình / giây, bạn cần có USB 3.0 hoặc định dạng nén thấp hơn. Mô-đun máy ảnh OEM có thể được thiết kế với cầu nối USB 3.0 để hỗ trợ tốc độ khung hình cao hơn.

Hướng dẫn thực hành để chọn tốc độ khung hình

Cách điều chỉnh tốc độ khung hình trên camera nội soi

• Đối với mô-đun máy ảnh UVC (hầu hết các máy nội soi USB), hệ điều hành hoặc ứng dụng sẽ chọn tốc độ khung hình. Trong OpenCV, bạn có thể đặt cv2.CAP_PROP_FPS . Trong VLC, bạn có thể chọn tốc độ khung hình mong muốn từ các tùy chọn thiết bị chụp.

• Đối với mô-đun máy ảnh OEM có DSP chuyên dụng, chương trình cơ sở có thể cho phép bạn thay đổi tốc độ khung hình thông qua menu OSD hoặc các lệnh nối tiếp.

• Đối với mô-đun máy ảnh mini sử dụng MIPI CSI‑2 (ví dụ: trên Raspberry Pi), bạn có thể đặt tốc độ khung hình trong libCamera : dòng lệnh libCamera-vid --framerate 60.

Ví dụ: Chọn mô-đun máy ảnh nội soi

Giả sử bạn cần kiểm tra các vết nứt nhỏ bên trong cánh tuabin quay chậm. Môi trường có ánh sáng vừa phải. Mô-đun máy ảnh nội soi tiêu chuẩn 30 khung hình/giây sẽ hoạt động tốt – chuyển động chậm và 30 khung hình/giây cung cấp video mượt mà.

Tuy nhiên, nếu bạn cần kiểm tra băng tải tốc độ cao chở các bộ phận điện tử nhỏ ở tốc độ 2 m/s, tốc độ 30 khung hình/giây có thể tạo ra hiện tượng mờ chuyển động. Mô-đun máy ảnh USB tốc độ 60 khung hình/giây với màn trập toàn cầu sẽ ghi lại hình ảnh sắc nét của từng thành phần.

Nếu bạn đang xây dựng một sản phẩm tùy chỉnh, mô-đun máy ảnh OEM có thể được thiết kế để hỗ trợ nhiều tốc độ khung hình – ví dụ: 60 khung hình/giây cho chế độ kiểm tra nhanh và 15 khung hình/giây cho chế độ tiết kiệm năng lượng trong điều kiện ánh sáng yếu.

Phần kết luận

Tốc độ khung hình là một thông số quan trọng đối với hiệu suất của camera nội soi. Tốc độ khung hình cao hơn (60 khung hình/giây trở lên) mang lại chuyển động mượt mà hơn và ghi lại hành động nhanh với độ mờ ít hơn nhưng chúng yêu cầu nhiều ánh sáng hơn, nhiều băng thông hơn và nhiều sức mạnh xử lý hơn. Tốc độ khung hình thấp hơn (15-30 khung hình/giây) cải thiện độ nhạy trong ánh sáng yếu, giảm tốc độ dữ liệu và kéo dài tuổi thọ pin.

Khi chọn mô-đun camera nội soi – dù là mô-đun camera mini dành cho không gian chật hẹp, Mô-đun camera USB để sử dụng di động, mô-đun camera UVC để cắm và chạy, mô-đun camera OEM cho thiết bị tùy chỉnh hay mô-đun camera cmos cho tầm nhìn nhúng – hãy xem xét tốc độ của đối tượng, ánh sáng khả dụng và chất lượng hình ảnh mong muốn. Thông thường, 30 khung hình/giây là điểm khởi đầu vững chắc; chuyển sang 60 khung hình/giây khi chuyển động quan trọng và giảm xuống 15 khung hình/giây khi bóng tối là thách thức chính.

Nếu bạn cần mô-đun camera nội soi tùy chỉnh với tốc độ khung hình cụ thể, tối ưu hóa trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc giao diện cụ thể, hãy liên hệ với Chân thành. Chúng tôi thiết kế và sản xuất các mô-đun máy ảnh OEM phù hợp với ứng dụng y tế, công nghiệp hoặc tiêu dùng của bạn.