Standartinis kameros modulis filmuoja 30 arba 60 kadrų per sekundę greičiu. To pakanka daugeliui stebėjimo, konferencijų ar endoskopijos užduočių. Tačiau kai kurioms programoms reikia matyti įvykius, kurie įvyksta akimirksniu – oru skrendančią kulką, dideliu greičiu judančią mašinos dalį arba greitai vibruojančią sudedamąją dalį. Čia atsiranda didelės spartos kameros modulis. Jis gali įrašyti šimtus ar net tūkstančius kadrų per sekundę, sustingdydamas greitą judesį į aiškius, analizuojamus kadrus.
Kas apibrėžia didelės spartos kameros modulį?
Didelės spartos kameros modulis nėra tiesiog didesnės raiškos įprastos kameros versija. Jis yra optimizuotaskadrų dažniso ne pikselių skaičių. Pagrindinės charakteristikos apima:
Didelis kadrų dažnis– Mažiausiai 100 kadrų per sekundę (fps), dažnai pasiekiant 500, 1000 ar daugiau kadrų per sekundę esant sumažintai skyrai.
Visuotinis užraktas– Skirtingai nei susukamas užraktas, visuotinis užraktas užfiksuoja visą vaizdą tą pačią akimirką, pašalindamas judesio iškraipymus.
Greitas nuskaitymas– Jutiklis turi labai greitai perduoti vaizdo duomenis, dažnai naudodamas kelias MIPI juostas arba didelio pralaidumo lygiagrečią sąsają.
Ribota skiriamoji geba– Norint pasiekti didelį greitį, skiriamoji geba gali būti sumažinta (pvz., VGA arba 720p), nes perkelti milijonus pikselių 1000 kartų per sekundę yra labai sunku.
Didelės spartos ir standartinių kamerų moduliai
| Funkcija | Standartinis fotoaparato modulis | Didelės spartos kameros modulis |
|---|---|---|
| Tipiškas kadrų dažnis | 30–60 kadrų per sekundę | 100–1000+ kadrų per sekundę |
| Užrakto tipas | Riedantis (dažnas) | Visuotinis (būtinas) |
| Sąsaja | USB 2.0/3.0, MIPI | MIPI (didelių juostų skaičius), USB 3.0, fotoaparato nuoroda |
| Rezoliucija | 1080p, 4K | VGA, 720p, 1 MP |
| Naudojimo atvejis | Internetinės kameros, endoskopai, stebėjimas | Judėjimo analizė, mokslinis vaizdavimas |
Kaip tai veikia viduje?
Didelės spartos kameros modulis prasideda nuo specializuoto CMOS kameros modulio jutiklio. Skirtingai nuo įprasto jutiklio, kuris eilutes nuskaito paeiliui (slenkantis užraktas), didelės spartos jutiklis nuskaito visus pikselius vienu metu (visuotinis užraktas). Taip išvengiama pasvirimo ir klibėjimo, kai objektai greitai juda.
Jutiklis taip pat turi daug greitesnę pikselių nuskaitymo grandinę. Kai kurie jutikliai gali išvesti daugiau nei 1000 kadrų per sekundę esant mažesnei skyrai, nuskaitydami tik nedidelį dominantį regioną (ROI). Tai vadinama „sub-sampling“ arba „lango skaitymu“.
Tada duomenys keliauja per didelio pralaidumo sąsają. Įterptosiose sistemose įprastas MIPI kameros modulis su 4 juostomis (kiekviena veikia 1,5–2,5 Gbps greičiu). Kompiuterinėmis sistemomis USB kameros modulis su USB 3.0 arba USB 3.2 gali apdoroti iki 5–10 Gbps.
Didelės spartos kamerų modulių taikymas
Pramonės inspekcija– Stebėti greitas gamybos linijas, aptikti judančių dalių defektus arba analizuoti mašinų vibraciją. Standartinis HD kameros modulis sulietų judesį; didelės spartos modulis jį užšaldo.
Sportas ir biomechanika– Golfo sūpynės, ąsočio rankos judesio ar bėgiko žingsnio analizė. Sulėtintas atkūrimas atskleidžia plika akimi nematomas detales.
Moksliniai tyrimai– Skysčių dinamikos, medžiagos lūžimo ar degimo procesų tyrimas. Didelės spartos vaizdavimas užfiksuoja įvykius, kurie trunka tik kelias milisekundes.
Medicina ir endoskopija– Nors dauguma endoskopinių kamerų modulių veikia 30–60 kadrų per sekundę greičiu, kai kurie specializuoti širdies ar balso stygų diapazonai naudoja didesnį kadrų dažnį, kad užfiksuotų greitą audinių judesį. Didelės spartos endoskopo kameros modulis gali padėti diagnozuoti balso stygų paralyžių arba širdies vožtuvų plazdėjimą.
Dronai ir robotai– Modulio kamera raspberry pi su didelės spartos jutikliu gali būti naudojama norint išvengti greitai judančių dronų kliūčių arba gauti grįžtamąjį ryšį su stabilizavimu.
Didelės spartos kamerų moduliai, skirti įterptinėms sistemoms
Gamintojams ir kūrėjams lengviausias būdas eksperimentuoti yra su USB kameros moduliu, kuris palaiko didelį kadrų dažnį. Daugelis USB kameros modulių gaminių (suderinami su UVC) gali daryti 1080p 120 kadrų per sekundę arba 720p 240 kadrų per sekundę greičiu. Jie veikia „plug-and-play“ principu kompiuteryje.
Įterptiesiems projektams modulinė kamera raspberry pi gali būti aprūpinta didelės spartos MIPI jutikliu. Raspberry Pi 4 arba 5 turi pakankamai apdorojimo galios, kad būtų galima užfiksuoti 720p 200 kadrų per sekundę greičiu, naudojant visuotinį užrakto jutiklį, pvz., OV9281 arba IMX296. Tada galite analizuoti kadrus realiuoju laiku naudodami OpenCV arba įrašyti juos sulėtintam atkūrimui.
Taip pat yra didelės spartos kameros USB modulis. Jie dažnai naudojami pramoninėse kompiuterių vaizdo sistemose, kuriose apdorojimą atlieka nešiojamasis arba stalinis kompiuteris.
Kompromisai ir apribojimai
Apšvietimas– Didelės spartos kameroms reikia daug daugiau šviesos nei standartinėms, nes ekspozicijos laikas vienam kadrui yra itin trumpas. Be stipraus apšvietimo vaizdas bus tamsus arba triukšmingas.
Sandėliavimas– Įrašant 1000 kadrų per sekundę greičiu vos vieną sekundę sukuriama 1000 kadrų. 720p vaizdo įrašas užtruktų šimtus megabaitų. Norint neatsilikti, reikia greitos saugyklos (SSD, NVMe).
Apdorojimo galia– Norint analizuoti tūkstančius kadrų per sekundę, reikalingas galingas procesorius arba tam skirta aparatinė įranga.
Kaina– Tikri didelės spartos kamerų moduliai (su visuotiniu užraktu ir dideliu pralaidumu) yra brangesni nei įprasti jutikliai.
Didelės spartos kameros modulio pasirinkimas
Reikalingas kadrų dažnis– Lėtos mašinos analizei (<10 m/s), 100–200 fps may be enough. For a bullet or explosion, you need 10,000+ fps.
Rezoliucija– Dažnai pakanka VGA (640×480) arba 1 MP, nes objektas gali būti mažas. Didesnė raiška sumažina maksimalų kadrų dažnį.
Sąsaja– Kompiuteryje USB 3.0 patogu. Įterptųjų sistemų atveju MIPI siūlo mažesnę delsą ir mažesnę galią.
Užrakto tipas– Visuotinis užraktas yra privalomas judantiems objektams. Susukamas užraktas bus pasviręs.
CMOS kameros modulis– Ieškokite tokių jutiklių kaip Sony IMX250 (2 MP, 163 kadrų per sekundę), IMX252 (3 MP, 120 kadrų per sekundę) arba OmniVision OV9281 (1 MP, 120 kadrų per sekundę esant visa raiška, greičiau su IG).
Pavyzdys: didelio greičio tikrinimo sistemos sukūrimas
Tarkime, kad reikia apžiūrėti spyruokles, judančias palei konvejerį 5 metrų per sekundę greičiu. Standartinis HD kameros modulis (30 kadrų per sekundę) parodytų judesio susiliejimą. Galite pasirinkti USB kameros modulį, kuris gali atlikti 720p raišką 300 kadrų per sekundę greičiu su visuotiniu užraktu.
Prijunkite jį prie pramoninio kompiuterio. Parašykite scenarijų, kuris nuolat fiksuoja kadrus. Kai spyruoklė praeina per gaiduką, išsaugokite paskutinius 100 kadrų diske. Tada analizuokite kiekvieną rėmą, kad išmatuotų spyruoklės ilgį. Didelis kadrų dažnis užtikrina, kad bent vienas ryškus vaizdas puikiai užfiksuos pavasarį.
Išvada
Didelės spartos kameros modulis apibūdinamas jo gebėjimu užfiksuoti šimtus ar tūkstančius kadrų per sekundę, naudojant visuotinį užrakto jutiklį ir greitą sąsają. Jis būtinas atliekant pramoninius patikrinimus, mokslinius tyrimus ir bet kokias programas, susijusias su greitu judėjimu. Nors standartinis endoskopo kameros modulis arba USB kameros modulis tinka kasdieniam vaizdo įrašymui, didelės spartos variantai atveria judesio analizės pasaulį. Mėgėjams, modulinis fotoaparatas raspberry pi su visuotiniu užraktu CMOS kameros modulis yra prieinamas įėjimo taškas. Profesionaliam naudojimui skirti didelės spartos USB kameros modulių gaminiai siūlo „plug-and-play“ patogumą. Kad ir koks būtų jūsų poreikis, kadrų dažnio, užrakto tipo ir sąsajos supratimas padės jums pasirinkti tinkamą fotoaparatą.
Jei įterptajam projektui reikia pritaikyto didelės spartos kameros modulio, susisiekite su Sincere. Kuriame ir gaminame CMOS kameros modulių sprendimus, pritaikytus pagal jūsų greičio ir skiriamosios gebos reikalavimus.
