Стандартний модуль камери знімає відео зі швидкістю 30 або 60 кадрів в секунду. Цього достатньо для більшості завдань спостереження, конференцій або ендоскопії. Але деяким програмам потрібно бачити події, які відбуваються миттєво: куля, що летить у повітрі, частина машини, що рухається на високій швидкості, або компонент, що швидко вібрує. Тут на допомогу приходить високошвидкісний модуль камери. Він може записувати зі швидкістю сотні або навіть тисячі кадрів на секунду, перетворюючи швидкий рух у чіткі кадри, які можна аналізувати.
Що визначає модуль високошвидкісної камери?
Модуль високошвидкісної камери — це не просто версія звичайної камери з вищою роздільною здатністю. Він оптимізований длячастота кадріва не кількість пікселів. Основні характеристики включають:
Висока частота кадрів– Принаймні 100 кадрів за секунду (fps), часто досягаючи 500, 1000 або більше кадрів за секунду при зниженій роздільній здатності.
Глобальний затвор– На відміну від рулонного затвора, глобальний затвор захоплює все зображення одночасно, усуваючи спотворення руху.
Швидке зчитування– Датчик має дуже швидко передавати дані зображення, часто використовуючи кілька смуг MIPI або паралельний інтерфейс із високою пропускною здатністю.
Обмежена роздільна здатність– Для досягнення високої швидкості роздільна здатність може бути зменшена (наприклад, VGA або 720p), оскільки переміщення мільйонів пікселів 1000 разів на секунду є надзвичайно вимогливим.
Високошвидкісні та стандартні модулі камери
| Особливість | Стандартний модуль камери | Високошвидкісний модуль камери |
|---|---|---|
| Типова частота кадрів | 30–60 кадрів/с | 100–1000+ кадрів/с |
| Тип затвора | Роллінг (загальний) | Глобальний (необхідний) |
| Інтерфейс | USB 2.0/3.0, MIPI | MIPI (підрахунок високих смуг), USB 3.0, Camera Link |
| резолюція | 1080p, 4K | VGA, 720p, 1 Мп |
| Випадок використання | Веб-камери, ендоскопи, відеоспостереження | Аналіз руху, наукове зображення |
Як це працює всередині?
Високошвидкісний модуль камери починається зі спеціалізованого датчика модуля камери CMOS. На відміну від типового датчика, який зчитує рядки послідовно (ролери), високошвидкісний датчик зчитує всі пікселі одночасно (глобальний затвор). Це дозволяє уникнути перекосів і коливань, коли об’єкти швидко рухаються.
Датчик також має набагато швидшу схему зчитування пікселів. Деякі датчики можуть видавати понад 1000 кадрів на секунду за нижчої роздільної здатності, зчитуючи лише невелику область інтересу (ROI). Це називається «підвибірка» або «зчитування у вікні».
Потім дані передаються через інтерфейс із високою пропускною здатністю. Для вбудованих систем поширеним є модуль камери MIPI з 4 смугами (кожна працює зі швидкістю 1,5–2,5 Гбіт/с). Для систем на базі ПК модуль камери USB із USB 3.0 або USB 3.2 може працювати зі швидкістю до 5–10 Гбіт/с.
Застосування модулів високошвидкісних камер
Промислова інспекція– Моніторинг швидкісних виробничих ліній, виявлення дефектів у рухомих частинах або аналіз вібрації в машинах. Стандартний модуль камери HD розмиває рух; високошвидкісний модуль заморожує його.
Спорт і біомеханіка– Аналіз замаху в гольф, руху рукою питчера або кроку бігуна. Уповільнене відтворення показує деталі, невидимі неозброєним оком.
Наукові дослідження– Вивчення динаміки рідини, руйнування матеріалу або процесів горіння. Високошвидкісне зображення фіксує події, які тривають лише кілька мілісекунд.
Медична та ендоскопія– У той час як більшість модулів ендоскопічної камери працюють зі швидкістю 30–60 кадрів в секунду, деякі спеціалізовані камери серця або голосових зв’язок використовують вищу частоту кадрів для захоплення швидкого руху тканин. Високошвидкісний модуль камери ендоскопа може допомогти діагностувати параліч голосових зв’язок або тріпотіння серцевих клапанів.
Дрони та робототехніка– Модульна камера raspberry pi з високошвидкісним датчиком може використовуватися для уникнення перешкод на дронах, що швидко рухаються, або для зворотного зв’язку стабілізації.
Модулі високошвидкісних камер для вбудованих систем
Для виробників і розробників найпростіший спосіб поекспериментувати з модулем камери USB, який підтримує високу частоту кадрів. Багато продуктів із модулем камери USB (сумісні з UVC) можуть створювати 1080p при 120 кадрах/с або 720p при 240 кадрах/с. Вони працюють на ПК за принципом plug-and-play.
Для вбудованих проектів модульну камеру raspberry pi можна оснастити високошвидкісним датчиком MIPI. Raspberry Pi 4 або 5 має достатню обчислювальну потужність для зйомки 720p зі швидкістю 200 кадрів в секунду за допомогою глобального датчика затвора, такого як OV9281 або IMX296. Потім ви можете аналізувати кадри в реальному часі за допомогою OpenCV або записувати їх для сповільненого відтворення.
Модуль USB камери також доступний у високошвидкісних варіантах. Вони часто використовуються в промислових системах зору ПК, де обробку виконує ноутбук або настільний комп’ютер.
Компроміси та обмеження
Освітлення– Високошвидкісним камерам потрібно набагато більше світла, ніж стандартним камерам, оскільки час витримки кадру надзвичайно короткий. Без сильного освітлення зображення буде темним або з шумом.
Зберігання– Запис зі швидкістю 1000 кадрів/с лише за одну секунду створює 1000 кадрів. Відео 720p займе сотні мегабайт. Вам потрібен швидкий накопичувач (SSD, NVMe), щоб не відставати.
Обчислювальна потужність– Для аналізу тисяч кадрів на секунду потрібен потужний процесор або спеціальне обладнання.
Вартість– Справжні високошвидкісні модулі камер (з глобальним затвором і високою пропускною здатністю) дорожчі за звичайні датчики.
Вибір високошвидкісного модуля камери
Потрібна частота кадрів– Для аналізу повільної машини (<10 m/s), 100–200 fps may be enough. For a bullet or explosion, you need 10,000+ fps.
резолюція– Часто достатньо VGA (640 × 480) або 1 Мп, оскільки об’єкт може бути маленьким. Вища роздільна здатність зменшує максимальну частоту кадрів.
Інтерфейс– Для ПК зручний USB 3.0. Для вбудованих систем MIPI пропонує меншу затримку та меншу потужність.
Тип затвора– Глобальний затвор є обов’язковим для рухомих об’єктів. Рулонні ворота призведуть до перекосу.
Модуль камери CMOS– Шукайте такі сенсори, як Sony IMX250 (2 МП, 163 кадр./с), IMX252 (3 МП, 120 кадр./с) або OmniVision OV9281 (1 МП, 120 кадр./с при повній роздільній здатності, швидше з ROI).
Приклад: створення високошвидкісної системи перевірки
Припустимо, вам потрібно перевірити пружини, що рухаються по конвеєру зі швидкістю 5 метрів в секунду. Стандартний модуль камери HD (30 кадрів/с) показував би розмиття в русі. Ви вибираєте USB-модуль камери, який може створювати 720p зі швидкістю 300 кадрів/с із глобальним затвором.
Підключіть його до промислового ПК. Напишіть сценарій, який постійно фіксує кадри. Коли пружина проходить тригер, збережіть останні 100 кадрів на диск. Потім проаналізуйте кожну раму, щоб виміряти довжину пружини. Висока частота кадрів гарантує, що принаймні одне чітке зображення ідеально зафіксує весну.
Висновок
Високошвидкісний модуль камери визначається його здатністю знімати сотні або тисячі кадрів за секунду за допомогою глобального датчика затвора та швидкого інтерфейсу. Він важливий для промислового контролю, наукових досліджень і будь-якого застосування, яке передбачає швидкий рух. У той час як стандартний модуль камери ендоскопа або модуль камери USB підходить для повсякденного відео, високошвидкісні варіанти відкривають світ аналізу руху. Для любителів модульна камера raspberry pi із глобальним затвором CMOS Camera Module є доступною точкою входу. Для професійного використання спеціальні високошвидкісні USB-модулі камери пропонують зручність підключення та роботи. Незалежно від ваших потреб, розуміння частоти кадрів, типу затвора та інтерфейсу допоможе вам вибрати потрібну камеру.
Якщо вам потрібен спеціальний модуль високошвидкісної камери для вашого вбудованого проекту, зв’яжіться з Sincere. Ми розробляємо та виготовляємо модулі камери CMOS, адаптовані до ваших вимог щодо швидкості та роздільної здатності.
