Τι είναι η μονάδα κάμερας υψηλής-ταχύτητας;

Μια τυπική μονάδα κάμερας καταγράφει βίντεο με 30 ή 60 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Αυτό είναι αρκετό για τις περισσότερες εργασίες επιτήρησης, συνδιάσκεψης ή ενδοσκόπησης. Ωστόσο, ορισμένες εφαρμογές πρέπει να βλέπουν γεγονότα που συμβαίνουν εν ριπή οφθαλμού - μια σφαίρα που πετάει στον αέρα, ένα εξάρτημα μηχανής που κινείται με υψηλή ταχύτητα ή ένα εξάρτημα που δονείται γρήγορα. Εδώ έρχεται μια μονάδα κάμερας υψηλής ταχύτητας. Μπορεί να εγγράψει με εκατοντάδες ή και χιλιάδες καρέ ανά δευτερόλεπτο, παγώνοντας τη γρήγορη κίνηση σε καθαρά, αναλύσιμα καρέ.

Τι ορίζει μια μονάδα κάμερας υψηλής ταχύτητας;

Μια μονάδα κάμερας υψηλής ταχύτητας δεν είναι απλώς μια έκδοση υψηλότερης ανάλυσης μιας κανονικής κάμερας. Είναι βελτιστοποιημένο γιαρυθμός καρέαντί για τον αριθμό των pixel. Τα βασικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν:

Υψηλός ρυθμός καρέ– Τουλάχιστον 100 καρέ ανά δευτερόλεπτο (fps), φθάνοντας συχνά τα 500, 1000 ή περισσότερα fps σε μειωμένες αναλύσεις.

Παγκόσμιο κλείστρο– Σε αντίθεση με το ρολό, ένα καθολικό κλείστρο καταγράφει ολόκληρη την εικόνα την ίδια στιγμή, εξαλείφοντας την παραμόρφωση της κίνησης.

Γρήγορη ανάγνωση– Ο αισθητήρας πρέπει να μεταφέρει δεδομένα εικόνας πολύ γρήγορα, συχνά χρησιμοποιώντας πολλές λωρίδες MIPI ή παράλληλη διεπαφή υψηλού εύρους ζώνης.

Περιορισμένη ανάλυση– Για να επιτευχθεί υψηλή ταχύτητα, η ανάλυση μπορεί να μειωθεί (π.χ. VGA ή 720p), επειδή η μετακίνηση εκατομμυρίων pixel 1000 φορές το δευτερόλεπτο είναι εξαιρετικά απαιτητική.

Υψηλής ταχύτητας έναντι τυπικών μονάδων κάμερας

Πώς λειτουργεί στο εσωτερικό;

Μια μονάδα κάμερας υψηλής ταχύτητας ξεκινά με έναν εξειδικευμένο αισθητήρα CMOS Camera Module. Σε αντίθεση με έναν τυπικό αισθητήρα που διαβάζει σειρές διαδοχικά (κυλιόμενο κλείστρο), ένας αισθητήρας υψηλής ταχύτητας διαβάζει όλα τα εικονοστοιχεία ταυτόχρονα (σφαιρικό κλείστρο). Έτσι αποφεύγεται η λοξή και η ταλάντευση όταν τα αντικείμενα κινούνται γρήγορα.

Ο αισθητήρας έχει επίσης ένα πολύ πιο γρήγορο κύκλωμα ανάγνωσης pixel. Ορισμένοι αισθητήρες μπορούν να παράγουν πάνω από 1000 καρέ ανά δευτερόλεπτο σε χαμηλότερες αναλύσεις διαβάζοντας μόνο μια μικρή περιοχή ενδιαφέροντος (ROI). Αυτό ονομάζεται "υποδειγματοληψία" ή "ανάγνωση παραθύρου".

Στη συνέχεια, τα δεδομένα ταξιδεύουν σε μια διεπαφή υψηλού εύρους ζώνης. Για τα ενσωματωμένα συστήματα, μια μονάδα κάμερας MIPI με 4 λωρίδες (η καθεμία λειτουργεί με ταχύτητα 1,5–2,5 Gbps) είναι κοινή. Για συστήματα που βασίζονται σε υπολογιστή, μια μονάδα κάμερας USB με USB 3.0 ή USB 3.2 μπορεί να χειριστεί έως και 5–10 Gbps.

Εφαρμογές μονάδων κάμερας υψηλής ταχύτητας

Βιομηχανική Επιθεώρηση– Παρακολούθηση γρήγορων γραμμών παραγωγής, ανίχνευση ελαττωμάτων σε κινούμενα μέρη ή ανάλυση κραδασμών σε μηχανήματα. Μια τυπική μονάδα κάμερας HD θα θόλωσε την κίνηση. μια μονάδα υψηλής ταχύτητας την παγώνει.

Αθλητισμός και Εμβιομηχανική– Αναλύοντας μια κούνια γκολφ, μια κίνηση του χεριού της στάμνας ή έναν βηματισμό δρομέα. Η επανάληψη αργής κίνησης αποκαλύπτει λεπτομέρειες αόρατες με γυμνό μάτι.

Επιστημονική Έρευνα– Μελέτη δυναμικής ρευστών, θραύσης υλικού ή διεργασιών καύσης. Η απεικόνιση υψηλής ταχύτητας καταγράφει γεγονότα που διαρκούν μόνο μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Ιατρική και Ενδοσκόπηση– Ενώ οι περισσότερες μονάδες κάμερας ενδοσκοπίου λειτουργούν στα 30–60 fps, ορισμένα εξειδικευμένα πεδία καρδιάς ή φωνητικών χορδών χρησιμοποιούν υψηλότερους ρυθμούς καρέ για να καταγράφουν τη γρήγορη κίνηση των ιστών. Μια μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου υψηλής ταχύτητας μπορεί να βοηθήσει στη διάγνωση της παράλυσης των φωνητικών χορδών ή του πτερυγίσματος της καρδιακής βαλβίδας.

Drones και Ρομποτική– Μια μονάδα κάμερας raspberry pi με αισθητήρα υψηλής ταχύτητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποφυγή εμποδίων σε γρήγορα κινούμενα drones ή για ανατροφοδότηση σταθεροποίησης.

Μονάδες κάμερας υψηλής ταχύτητας για ενσωματωμένα συστήματα

Για τους κατασκευαστές και τους προγραμματιστές, ο ευκολότερος τρόπος πειραματισμού είναι με μια μονάδα κάμερας USB που υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς καρέ. Πολλά προϊόντα μονάδας κάμερας USB (συμβατά με UVC) μπορούν να κάνουν 1080p στα 120 fps ή 720p στα 240 fps. Λειτουργούν plug-and-play σε υπολογιστή.

Για ενσωματωμένα έργα, μια μονάδα κάμερας raspberry pi μπορεί να εξοπλιστεί με αισθητήρα MIPI υψηλής ταχύτητας. Το Raspberry Pi 4 ή 5 έχει επαρκή επεξεργαστική ισχύ για λήψη 720p στα 200 fps χρησιμοποιώντας έναν παγκόσμιο αισθητήρα κλείστρου όπως το OV9281 ή το IMX296. Στη συνέχεια, μπορείτε να αναλύσετε τα καρέ σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας το OpenCV ή να τα εγγράψετε για αναπαραγωγή σε αργή κίνηση.

Μια μονάδα USB κάμερας είναι επίσης διαθέσιμη σε παραλλαγές υψηλής ταχύτητας. Αυτά χρησιμοποιούνται συχνά σε βιομηχανικά συστήματα όρασης Η/Υ όπου ένας φορητός ή επιτραπέζιος υπολογιστής κάνει την επεξεργασία.

Ανταλλαγές και Περιορισμοί

Φωτισμός– Οι κάμερες υψηλής ταχύτητας χρειάζονται πολύ περισσότερο φως από τις τυπικές κάμερες, επειδή ο χρόνος έκθεσης ανά καρέ είναι εξαιρετικά μικρός. Χωρίς έντονο φωτισμό, η εικόνα θα είναι σκοτεινή ή θορυβώδης.

Αποθήκευση– Η εγγραφή στα 1000 fps για μόλις ένα δευτερόλεπτο παράγει 1000 καρέ. Ένα βίντεο 720p θα χρειαζόταν εκατοντάδες megabyte. Χρειάζεστε γρήγορο αποθηκευτικό χώρο (SSD, NVMe) για να συνεχίσετε.

Επεξεργαστική ισχύς– Η ανάλυση χιλιάδων καρέ ανά δευτερόλεπτο απαιτεί ισχυρό επεξεργαστή ή αποκλειστικό υλικό.

Κόστος– Οι πραγματικές μονάδες κάμερας υψηλής ταχύτητας (με καθολικό κλείστρο και υψηλό εύρος ζώνης) είναι πιο ακριβές από τους συνηθισμένους αισθητήρες.

Επιλογή μονάδας κάμερας υψηλής ταχύτητας

Απαιτείται ρυθμός καρέ– Για ανάλυση αργής μηχανής (<10 m/s), 100–200 fps may be enough. For a bullet or explosion, you need 10,000+ fps.

Ψήφισμα– Συχνά το VGA (640×480) ή το 1 MP είναι επαρκές επειδή το θέμα μπορεί να είναι μικρό. Η υψηλότερη ανάλυση μειώνει τον μέγιστο ρυθμό καρέ.

Διασύνδεση– Για υπολογιστή, το USB 3.0 είναι βολικό. Για τα ενσωματωμένα συστήματα, το MIPI προσφέρει χαμηλότερη καθυστέρηση και χαμηλότερη ισχύ.

Τύπος κλείστρου– Το καθολικό κλείστρο είναι υποχρεωτικό για κινούμενα αντικείμενα. Το ρολό θα δημιουργήσει λοξή.

Μονάδα κάμερας CMOS– Αναζητήστε αισθητήρες όπως Sony IMX250 (2 MP, 163 fps), IMX252 (3 MP, 120 fps) ή OmniVision OV9281 (1 MP, 120 fps σε πλήρη ανάλυση, πιο γρήγορος με ROI).

Παράδειγμα: Δημιουργία συστήματος επιθεώρησης υψηλής ταχύτητας

Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να επιθεωρήσετε τα ελατήρια που κινούνται κατά μήκος ενός μεταφορέα με ταχύτητα 5 μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Μια τυπική μονάδα κάμερας HD (30 fps) θα εμφανίζει θόλωση κίνησης. Επιλέγετε μια μονάδα κάμερας USB που μπορεί να κάνει 720p στα 300 fps με καθολικό κλείστρο.

Συνδέστε το σε βιομηχανικό υπολογιστή. Γράψτε ένα σενάριο που καταγράφει συνεχώς καρέ. Όταν ένα ελατήριο περάσει μια σκανδάλη, αποθηκεύστε τα τελευταία 100 καρέ στο δίσκο. Στη συνέχεια, αναλύστε κάθε πλαίσιο για να μετρήσετε το μήκος του ελατηρίου. Ο υψηλός ρυθμός καρέ διασφαλίζει ότι τουλάχιστον μία ευκρινής εικόνα θα αποτυπώσει τέλεια το ελατήριο.

Σύναψη

Μια μονάδα κάμερας υψηλής ταχύτητας ορίζεται από την ικανότητά της να καταγράφει εκατοντάδες ή χιλιάδες καρέ ανά δευτερόλεπτο χρησιμοποιώντας έναν παγκόσμιο αισθητήρα κλείστρου και μια γρήγορη διεπαφή. Είναι απαραίτητο για βιομηχανική επιθεώρηση, επιστημονική έρευνα και κάθε εφαρμογή που περιλαμβάνει γρήγορη κίνηση. Ενώ μια τυπική μονάδα κάμερας ενδοσκοπίου ή μονάδα κάμερας USB λειτουργεί για καθημερινό βίντεο, οι παραλλαγές υψηλής ταχύτητας ανοίγουν έναν κόσμο ανάλυσης κίνησης. Για τους χομπίστες, μια μονάδα κάμερας raspberry pi με σφαιρικό κλείστρο CMOS Camera Module είναι ένα προσιτό σημείο εισόδου. Για επαγγελματική χρήση, τα προϊόντα αποκλειστικής μονάδας κάμερας USB υψηλής ταχύτητας προσφέρουν ευκολία plug-and-play. Όποια κι αν είναι η ανάγκη σας, η κατανόηση του ρυθμού καρέ, του τύπου κλείστρου και της διεπαφής θα σας καθοδηγήσει στη σωστή κάμερα.

Εάν χρειάζεστε μια προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας υψηλής ταχύτητας για το ενσωματωμένο έργο σας, επικοινωνήστε με την Sincere. Σχεδιάζουμε και κατασκευάζουμε λύσεις CMOS Camera Module προσαρμοσμένες στις δικές σας απαιτήσεις ταχύτητας και ανάλυσης.