Một mô-đun máy ảnh tiêu chuẩn quay video ở tốc độ 30 hoặc 60 khung hình mỗi giây. Điều đó là đủ cho hầu hết các nhiệm vụ giám sát, hội nghị hoặc nội soi. Nhưng một số ứng dụng cần xem các sự kiện xảy ra trong chớp mắt – một viên đạn bay trong không khí, một bộ phận máy chuyển động với tốc độ cao hoặc một bộ phận rung nhanh. Đây là lúc cần có mô-đun máy ảnh tốc độ cao. Nó có thể ghi ở tốc độ hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn khung hình mỗi giây, đóng băng chuyển động nhanh thành các khung hình rõ ràng, có thể phân tích được.
Điều gì xác định mô-đun máy ảnh tốc độ cao?
Mô-đun máy ảnh tốc độ cao không chỉ đơn giản là phiên bản có độ phân giải cao hơn của máy ảnh thông thường. Nó được tối ưu hóa chotốc độ khung hìnhthay vì số pixel. Các đặc điểm chính bao gồm:
Tốc độ khung hình cao– Tối thiểu 100 khung hình/giây (fps), thường đạt 500, 1000 hoặc nhiều khung hình/giây ở độ phân giải giảm.
Màn trập toàn cầu– Không giống như màn trập lăn, màn trập toàn cầu sẽ chụp toàn bộ hình ảnh cùng lúc, loại bỏ hiện tượng biến dạng chuyển động.
Đọc nhanh– Cảm biến phải truyền dữ liệu hình ảnh rất nhanh, thường sử dụng nhiều làn MIPI hoặc giao diện song song băng thông cao.
Độ phân giải hạn chế– Để đạt được tốc độ cao, độ phân giải có thể bị giảm (ví dụ VGA hoặc 720p) vì việc di chuyển hàng triệu pixel 1000 lần mỗi giây là cực kỳ khắt khe.
Mô-đun máy ảnh tốc độ cao so với tiêu chuẩn
| Tính năng | Mô-đun máy ảnh tiêu chuẩn | Mô-đun máy ảnh tốc độ cao |
|---|---|---|
| Tốc độ khung hình điển hình | 30–60 khung hình/giây | 100–1000+ khung hình/giây |
| Loại màn trập | Cán (phổ biến) | Toàn cầu (cần thiết) |
| Giao diện | USB 2.0/3.0, MIPI | MIPI (số làn đường cao), USB 3.0, Camera Link |
| Nghị quyết | 1080p, 4K | VGA, 720p, 1 MP |
| Trường hợp sử dụng | Webcam, nội soi, giám sát | Phân tích chuyển động, hình ảnh khoa học |
Nó hoạt động bên trong như thế nào?
Mô-đun máy ảnh tốc độ cao bắt đầu bằng cảm biến Mô-đun máy ảnh CMOS chuyên dụng. Không giống như cảm biến thông thường đọc các hàng theo tuần tự (màn trập lăn), cảm biến tốc độ cao đọc đồng thời tất cả các pixel (màn trập chung). Điều này tránh tình trạng bị lệch, chao đảo khi đồ vật chuyển động nhanh.
Cảm biến cũng có mạch đọc pixel nhanh hơn nhiều. Một số cảm biến có thể xuất ra hơn 1000 khung hình mỗi giây ở độ phân giải thấp hơn bằng cách chỉ đọc một vùng quan tâm nhỏ (ROI). Việc này được gọi là "lấy mẫu phụ" hoặc "đọc ra cửa sổ".
Sau đó, dữ liệu sẽ truyền qua giao diện băng thông cao. Đối với các hệ thống nhúng, mô-đun camera MIPI có 4 làn (mỗi làn chạy ở tốc độ 1,5–2,5 Gbps) là phổ biến. Đối với các hệ thống dựa trên PC, mô-đun camera USB có USB 3.0 hoặc USB 3.2 có thể xử lý tốc độ lên tới 5–10 Gbps.
Ứng dụng của mô-đun máy ảnh tốc độ cao
Kiểm tra công nghiệp– Giám sát dây chuyền sản xuất nhanh, phát hiện khuyết tật ở các bộ phận chuyển động hoặc phân tích độ rung trong máy móc. Mô-đun máy ảnh HD tiêu chuẩn sẽ làm mờ chuyển động; mô-đun tốc độ cao sẽ đóng băng nó.
Thể thao và cơ sinh học– Phân tích cú đánh golf, chuyển động của cánh tay người ném bóng hoặc bước đi của người chạy. Tính năng phát lại chuyển động chậm hiển thị các chi tiết mà mắt thường không nhìn thấy được.
Nghiên cứu khoa học– Nghiên cứu động lực học chất lỏng, quá trình đứt gãy vật liệu hoặc quá trình cháy. Hình ảnh tốc độ cao ghi lại các sự kiện chỉ kéo dài vài mili giây.
Y tế và nội soi– Trong khi hầu hết các mô-đun camera nội soi hoạt động ở tốc độ 30–60 khung hình/giây, một số máy nội soi tim hoặc dây thanh âm chuyên dụng sử dụng tốc độ khung hình cao hơn để ghi lại chuyển động mô nhanh. Mô-đun camera nội soi tốc độ cao có thể giúp chẩn đoán tình trạng liệt dây thanh hoặc rung van tim.
Máy bay không người lái và Robot– Có thể sử dụng mô-đun máy ảnh Raspberry Pi có cảm biến tốc độ cao để tránh chướng ngại vật trên máy bay không người lái chuyển động nhanh hoặc để phản hồi ổn định.
Mô-đun camera tốc độ cao cho hệ thống nhúng
Đối với các nhà sản xuất và nhà phát triển, cách thử nghiệm dễ dàng nhất là sử dụng mô-đun camera USB hỗ trợ tốc độ khung hình cao. Nhiều sản phẩm mô-đun máy ảnh USB (tuân thủ UVC) có thể quay 1080p ở tốc độ 120 khung hình/giây hoặc 720p ở tốc độ 240 khung hình/giây. Chúng hoạt động plug-and-play trên PC.
Đối với các dự án nhúng, mô-đun máy ảnh Raspberry Pi có thể được trang bị cảm biến MIPI tốc độ cao. Raspberry Pi 4 hoặc 5 có đủ sức mạnh xử lý để quay 720p ở tốc độ 200 khung hình/giây bằng cảm biến màn trập toàn cầu như OV9281 hoặc IMX296. Sau đó, bạn có thể phân tích các khung hình trong thời gian thực bằng OpenCV hoặc ghi lại chúng để phát lại chuyển động chậm.
Mô-đun usb máy ảnh cũng có sẵn ở các biến thể tốc độ cao. Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống thị giác PC công nghiệp, nơi máy tính xách tay hoặc máy tính để bàn thực hiện việc xử lý.
Sự đánh đổi và hạn chế
Chiếu sáng– Máy ảnh tốc độ cao cần nhiều ánh sáng hơn máy ảnh tiêu chuẩn vì thời gian phơi sáng trên mỗi khung hình cực kỳ ngắn. Nếu không có ánh sáng mạnh, hình ảnh sẽ tối hoặc nhiễu.
Kho– Ghi ở tốc độ 1000 khung hình/giây chỉ trong một giây sẽ tạo ra 1000 khung hình. Một video 720p sẽ tiêu tốn hàng trăm megabyte. Bạn cần bộ lưu trữ nhanh (SSD, NVMe) để theo kịp.
Sức mạnh xử lý– Phân tích hàng ngàn khung hình mỗi giây đòi hỏi bộ xử lý mạnh mẽ hoặc phần cứng chuyên dụng.
Trị giá– Mô-đun máy ảnh tốc độ cao thực sự (với màn trập toàn cầu và băng thông cao) đắt hơn các cảm biến thông thường.
Chọn mô-đun máy ảnh tốc độ cao
Tốc độ khung hình cần thiết– Để phân tích một máy chạy chậm (<10 m/s), 100–200 fps may be enough. For a bullet or explosion, you need 10,000+ fps.
Nghị quyết– Thường thì VGA (640×480) hoặc 1 MP là đủ vì chủ thể có thể nhỏ. Độ phân giải cao hơn làm giảm tốc độ khung hình tối đa.
Giao diện– Đối với PC, USB 3.0 rất tiện lợi. Đối với các hệ thống nhúng, MIPI cung cấp độ trễ thấp hơn và công suất thấp hơn.
Loại màn trập– Màn trập toàn cầu là bắt buộc đối với các vật thể chuyển động. Màn trập lăn sẽ tạo ra độ lệch.
Mô-đun máy ảnh CMOS– Hãy tìm các cảm biến như Sony IMX250 (2 MP, 163 khung hình/giây), IMX252 (3 MP, 120 khung hình/giây) hoặc OmniVision OV9281 (1 MP, 120 khung hình/giây ở độ phân giải đầy đủ, nhanh hơn với ROI).
Ví dụ: Xây dựng hệ thống kiểm tra tốc độ cao
Giả sử bạn cần kiểm tra các lò xo chuyển động dọc theo băng tải với tốc độ 5 mét/giây. Mô-đun máy ảnh HD tiêu chuẩn (30 khung hình/giây) sẽ hiển thị chuyển động mờ. Bạn chọn mô-đun máy ảnh USB có thể quay 720p ở tốc độ 300 khung hình/giây với màn trập toàn cầu.
Kết nối nó với một PC công nghiệp. Viết script chụp khung hình liên tục. Khi lò xo đi qua bộ kích hoạt, hãy lưu 100 khung hình cuối cùng vào đĩa. Sau đó phân tích từng khung hình để đo chiều dài lò xo. Tốc độ khung hình cao đảm bảo rằng ít nhất một hình ảnh sắc nét sẽ ghi lại mùa xuân một cách hoàn hảo.
Phần kết luận
Mô-đun máy ảnh tốc độ cao được xác định bằng khả năng chụp hàng trăm hoặc hàng nghìn khung hình mỗi giây bằng cảm biến màn trập toàn cầu và giao diện nhanh. Nó rất cần thiết cho việc kiểm tra công nghiệp, nghiên cứu khoa học và bất kỳ ứng dụng nào liên quan đến chuyển động nhanh. Trong khi mô-đun camera nội soi tiêu chuẩn hoặc mô-đun camera USB hoạt động cho video hàng ngày, các biến thể tốc độ cao sẽ mở ra một thế giới phân tích chuyển động. Đối với những người có sở thích, mô-đun máy ảnh Raspberry Pi với Mô-đun máy ảnh CMOS màn trập toàn cầu là một điểm đầu vào hợp lý. Để sử dụng chuyên nghiệp, các sản phẩm mô-đun máy ảnh USB tốc độ cao chuyên dụng mang đến sự tiện lợi chỉ cần cắm và chạy. Dù nhu cầu của bạn là gì, việc hiểu rõ tốc độ khung hình, loại màn trập và giao diện sẽ hướng dẫn bạn đến chiếc máy ảnh phù hợp.
Nếu bạn yêu cầu mô-đun máy ảnh tốc độ cao tùy chỉnh cho dự án nhúng của mình, hãy liên hệ với Chân thành. Chúng tôi thiết kế và sản xuất các giải pháp Mô-đun Máy ảnh CMOS phù hợp với yêu cầu về tốc độ và độ phân giải của bạn.
