高速カメラ モジュールとは何ですか?{0}

標準のカメラ モジュールは、1 秒あたり 30 または 60 フレームでビデオをキャプチャします。これは、ほとんどの監視、会議、または内視鏡検査のタスクには十分です。しかし、一部のアプリケーションでは、空中を飛ぶ弾丸、高速で移動する機械部品、または急速に振動するコンポーネントなど、瞬く間に起こるイベントを確認する必要があります。ここで高速カメラ モジュールが登場します。このモジュールは 1 秒あたり数百、さらには数千のフレームで記録することができ、速い動きを鮮明で分析可能なフレームに凍結します。

高速カメラモジュールとは何ですか?

高速カメラ モジュールは、単なる通常のカメラの高解像度バージョンではありません。に最適化されていますフレームレート画素数ではなく。主な特徴は次のとおりです。

高いフレームレート– 少なくとも 100 フレーム/秒 (fps)、解像度を下げると 500、1000 fps、またはそれ以上に達することがよくあります。

グローバルシャッター– ローリング シャッターとは異なり、グローバル シャッターは画像全体を同時にキャプチャし、動きの歪みを排除します。

高速読み出し– センサーは、多くの場合、複数の MIPI レーンまたは高帯域幅のパラレル インターフェイスを使用して、画像データを非常に高速に転送する必要があります。

限られた解像度– 高速を実現するには、数百万のピクセルを 1 秒間に 1,000 回移動するのは非常に要求が厳しいため、解像度を下げることができます (VGA または 720p など)。

高速カメラ モジュールと標準カメラ モジュールの比較

内部ではどのように機能するのでしょうか?

高速カメラ モジュールは、専用の CMOS カメラ モジュール センサーから始まります。行を順番に読み取る一般的なセンサー (ローリング シャッター) とは異なり、高速センサーはすべてのピクセルを同時に読み取ります (グローバル シャッター)。これにより、オブジェクトが高速で移動するときの歪みやぐらつきが回避されます。

このセンサーには、より高速なピクセル読み出し回路も搭載されています。一部のセンサーは、小さな関心領域 (ROI) のみを読み取ることで、低解像度で 1 秒あたり 1000 フレームを超える出力を行うことができます。これは「サブサンプリング」または「ウィンドウ読み出し」と呼ばれます。

その後、データは高帯域幅のインターフェイスを介して送信されます。組み込みシステムの場合、4 レーン (それぞれ 1.5 ～ 2.5 Gbps で動作) を備えた MIPI カメラ モジュールが一般的です。 PC ベースのシステムの場合、USB 3.0 または USB 3.2 を備えた USB カメラ モジュールは最大 5 ～ 10 Gbps を処理できます。

高速カメラモジュールの応用例

産業検査– 高速生産ラインの監視、可動部品の欠陥の検出、または機械の振動の分析。標準の HD カメラ モジュールでは動きがぼやけてしまいます。高速モジュールがフリーズします。

スポーツとバイオメカニクス– ゴルフスイング、投手の腕の動き、またはランナーのストライドを分析します。スローモーションで再生すると、肉眼では見えない細部が明らかになります。

科学研究– 流体力学、材料破壊、または燃焼プロセスの研究。高速イメージングは​​、わずか数ミリ秒のイベントをキャプチャします。

医療および内視鏡検査– ほとんどの内視鏡カメラ モジュールは 30 ～ 60 fps で動作しますが、一部の特殊な心臓または声帯スコープでは、高速な組織の動きを捉えるためにより高いフレーム レートを使用します。高速内視鏡カメラ モジュールは、声帯麻痺や心臓弁の粗動の診断に役立ちます。

ドローンとロボット工学– 高速センサーを備えたモジュールカメララズベリーパイは、高速で移動するドローンの障害物回避や安定化フィードバックに使用できます。

組み込みシステム用高速カメラモジュール

メーカーや開発者にとって、実験する最も簡単な方法は、高フレーム レートをサポートする USB カメラ モジュールを使用することです。多くの USB カメラ モジュール製品 (UVC 準拠) は、120 fps で 1080p、または 240 fps で 720p を実行できます。これらは PC 上でプラグアンドプレイで動作します。

組み込みプロジェクトの場合、モジュール カメラ Raspberry pi に高速 MIPI センサーを装備できます。 Raspberry Pi 4 または 5 は、OV9281 や IMX296 などのグローバル シャッター センサーを使用して 200 fps で 720p をキャプチャするのに十分な処理能力を備えています。その後、OpenCV を使用してフレームをリアルタイムで分析したり、スローモーション再生用に記録したりできます。

カメラ USB モジュールも高速バージョンで利用できます。これらは、ラップトップまたはデスクトップ コンピュータが処理を行う産業用 PC ビジョン システムでよく使用されます。

トレードオフと制限事項

点灯– 高速カメラはフレームごとの露光時間が非常に短いため、標準カメラよりもはるかに多くの光を必要とします。強い照明がないと、画像が暗くなったり、ノイズが多くなったりします。

ストレージ– 1000 fps で 1 秒間だけ録画すると、1000 フレームが生成されます。 720p ビデオは数百メガバイト必要になります。対応するには高速ストレージ (SSD、NVMe) が必要です。

処理能力– 1 秒あたり数千のフレームを分析するには、強力なプロセッサまたは専用のハードウェアが必要です。

料金– 真の高速カメラ モジュール (グローバル シャッターと高帯域幅を備えたもの) は、通常のセンサーよりも高価です。

高速カメラモジュールの選択

必要なフレームレート– 遅いマシンの解析用 (<10 m/s), 100–200 fps may be enough. For a bullet or explosion, you need 10,000+ fps.

解決– 被写体が小さい場合があるため、多くの場合、VGA (640×480) または 1 MP で十分です。解像度が高くなると、最大フレーム レートが低下します。

インタフェース– PCの場合はUSB 3.0が便利です。組み込みシステムの場合、MIPI は待ち時間と電力を削減します。

シャッター方式– 移動するオブジェクトにはグローバル シャッターが必須です。ローリングシャッターではスキューが発生します。

CMOSカメラモジュール– Sony IMX250 (2 MP、163 fps)、IMX252 (3 MP、120 fps)、または OmniVision OV9281 (フル解像度で 1 MP、120 fps、ROI により高速) などのセンサーを探します。

例：高速検査システムの構築

コンベアに沿って秒速 5 メートルで移動するスプリングを検査する必要があるとします。標準の HD カメラ モジュール (30 fps) では、モーション ブラーが表示されます。グローバル シャッターで 300 fps で 720p を実行できる USB カメラ モジュールを選択します。

産業用PCに接続します。フレームを連続的にキャプチャするスクリプトを作成します。スプリングがトリガーを通過すると、最後の 100 フレームがディスクに保存されます。次に、各フレームを分析してスプリングの長さを測定します。高いフレームレートにより、少なくとも 1 枚の鮮明な画像が春を完全に捉えることができます。

結論

高速カメラ モジュールは、グローバル シャッター センサーと高速インターフェイスを使用して 1 秒あたり数百または数千のフレームをキャプチャできる機能によって定義されます。これは、産業検査、科学研究、および急速な動作を伴うあらゆる用途に不可欠です。標準的な内視鏡カメラ モジュールまたは USB カメラ モジュールは日常のビデオに使用できますが、高速バリアントは動作分析の世界を開きます。愛好家にとって、グローバル シャッター CMOS カメラ モジュールを備えたモジュール カメラ ラズベリー パイは、手頃な価格のエントリー ポイントです。プロ向けの専用高速 USB カメラ モジュール製品は、プラグアンドプレイの利便性を提供します。ニーズが何であれ、フレーム レート、シャッター タイプ、インターフェイスを理解すれば、適切なカメラを見つけることができます。

組み込みプロジェクトにカスタム高速カメラ モジュールが必要な場合は、シンシアにお問い合わせください。当社は、お客様の速度と解像度の要件に合わせた CMOS カメラ モジュール ソリューションを設計および製造します。