Camere de Înaltă Viteză: Tehnologie, Memorie și Aplicații
Nu există un singur parametru oficial care să definească viteza pe care ar trebui să o aibă camerele de înaltă viteză. Pe piață sunt disponibile modele capabile să înregistreze imagini cu o viteză de până la un milion de cadre pe secundă (fps). Acesta este un rezultat uimitor, atât în ceea ce privește capacitățile senzorului, cât și, mai ales, cantitatea de date pe care dispozitivul trebuie să o înregistreze într-o singură secundă.
Imaginile de înaltă viteză permit înregistrarea și analiza proceselor care se desfășoară prea repede pentru a fi observate cu ochiul liber. După înregistrarea materialului, filmele sunt „întinse” astfel încât viteza materialului video final să fie de 25-30 fps standard. Acest lucru realizează așa-numitul efect de „slow motion”.
În prezent, tehnologia de imagistică de mare viteză ia amploare. O întâlnim din ce în ce mai des atât în industrie, cât și în laboratoare. Efectul de „slow motion” poate fi găsit chiar și în smartphone-urile de înaltă performanță, unde are mai mult o funcție de efect vizual.
Tehnologie și Matrice
Camerele de înaltă viteză, la fel ca și camerele obișnuite, focalizează lumina colectată din mediu pe un senzor, unde este transformată într-o sarcină electrică. O revoluție deosebită pe piața imagisticii de mare viteză a fost adusă de stăpânirea tehnologiei CMOS. Spre deosebire de senzorii CCD, în care fiecare pixel transformă lumina care intră prin obiectiv într-o tensiune trimisă de la cip printr-un număr limitat de noduri de ieșire (unul până la câteva), senzorii CMOS conțin amplificatoare și convertoare analog-digitale (DAC) pe cipul senzorului. O astfel de soluție, pe lângă o viteză mai mare de digitalizare a imaginii, permite și economisirea energiei.
Matricele utilizate în camerele de înaltă viteză se caracterizează adesea prin dimensiunea mare a pixelilor individuali. Această construcție permite creșterea sensibilității senzorului și, implicit, a cantității de lumină capturate. O astfel de abordare este utilizată datorită timpului de expunere foarte scurt cu care camerele înregistrează imaginile la mii de fps.
În camerele de înaltă viteză, tipul dominant sunt matricele CMOS.
O alternativă la camerele standard de imagine sunt camerele liniare, în care viteza de achiziție este dată nu în cadre pe secundă, ci în frecvența la care câteva linii de pixeli colectează imaginea obiectelor în mișcare. Timpul scurt de expunere face ca aceste dispozitive să colaboreze adesea cu iluminatoare foarte puternice, creând sisteme de viziune.
Memorie și Performanță
O viteză de achiziție de 1000 fps la o rezoluție de 1280 x 800 pixeli înseamnă că într-o secundă trebuie transmise și înregistrate 1000 de imagini la rezoluție HD. Din cauza limitărilor interfețelor, camerele în discuție nu transmit imaginea către computer în timp real, ci folosesc propria memorie internă, încorporată. Această memorie trebuie să fie, de asemenea, de înaltă calitate – unitățile SSD încorporate nu oferă încă viteza care să permită digitalizarea continuă. În acest scop sunt utilizate memoriile SDRAM. La camerele de înaltă viteză de clasă superioară, aceasta poate avea o capacitate mai mare decât în multe computere. De acolo, imaginea înregistrată este apoi transmisă mai departe, pe un disc SSD sau pe computer. Este important de reținut, totuși, că o memorie SDRAM cu o capacitate de, de exemplu, 128 GB, poate permite înregistrarea doar a câtorva secunde de imagine o singură dată, dacă înregistrăm imaginea la rezoluție înaltă și la viteză mare.
În concluzie, fiecare element care alcătuiește un dispozitiv destinat imagisticii de mare viteză trebuie să se caracterizeze prin cea mai înaltă calitate disponibilă în domeniul respectiv. Acest lucru demonstrează cât de dificilă este problema în sine și cât de complicat poate fi un dispozitiv de tip cameră „high speed”.
Limitări și Provocări
Domeniul imagisticii de mare viteză trebuie să facă față și altor dificultăți. Viteza de achiziție este invers proporțională cu timpul de expunere. Acest lucru necesită o iluminare adecvată a scenei. În caz contrar, imaginea poate fi foarte zgomotoasă sau pur și simplu foarte întunecată, în cel mai rău caz, într-o măsură în care interpretarea sa corectă nu va fi posibilă. Pe piață pot fi găsite modele cu sursă de lumină încorporată, care previn estomparea nedorită. Această soluție face sistemul mai compact, ceea ce este deosebit de util la schimbarea frecventă a locului de lucru al dispozitivului.
Cantitatea uriașă de date procesate creează, de asemenea, alte probleme. Camerele destinate imagisticii de mare viteză pot înregistra imaginea la viteza lor maximă doar la o rezoluție limitată. Există o dependență: cu cât rezoluția este mai mare, cu atât rata maximă de cadre disponibilă este mai mică. Și invers.
Tipuri de Camere
Pe piață domină două soluții: camere care colaborează cu computere și camere care pot funcționa ca dispozitive autonome.
Camerele de tip „PC-Connected” au memorie internă SDRAM pentru înregistrarea rapidă a imaginilor. Ele transmit o previzualizare live la o viteză de câteva zeci de cadre pe secundă către un computer PC, în timp ce imaginea cu un număr mare de cadre pe secundă este înregistrată în memoria internă SDRAM, pentru descărcare ulterioară. Camerele de acest tip pot fi puțin mai ieftine decât omoloagele din seria „Handheld”, însă nu sunt la fel de mobile și necesită o conexiune la un computer, de exemplu, printr-o interfață Gigabit Ethernet. Din aceste motive, sunt mai recomandate pentru aplicații staționare.
Camerele portabile (handheld) sunt mobile și nu necesită o conexiune la un computer PC. Acestea au memorie internă SDRAM pentru înregistrare rapidă, unități SSD încorporate pentru stocarea imaginilor și posibilitatea de previzualizare live. În plus, sunt adesea echipate cu un ecran pentru vizualizarea imaginii în timp real și o sursă de lumină puternică care previne estomparea imaginii la timpi de expunere scurți. Un avantaj suplimentar este posibilitatea de a conecta camera la un computer PC în același mod ca și camerele PC-Connected. Camerele portabile sunt excelente acolo unde trebuie utilizate pentru înregistrarea diferitelor procese în diverse locații.
Aplicații
Imaginistica de mare viteză este folosită pentru a înregistra procese și fenomene prea dinamice pentru simțul vizual uman. Datorită acestui fapt, își găsesc aplicare în multe domenii, atât în industrie, cât și în știință. Foarte des, camerele „high speed” sunt utilizate pentru analiza proceselor rapide care au loc pe liniile de producție. De asemenea, oferă un ajutor neprețuit, de exemplu, la efectuarea testelor de impact autosau în balistică. Imaginistica de mare viteză este prezentă și în observarea proceselor biologice, chimice și în laboratoare. Se dovedește, de asemenea, fructuoasă în măsurarea vibrațiilor de înaltă frecvență și amplitudine scăzută.
Este important de reținut că, pe lângă informațiile despre proces, imaginea „slow motion” aduce și un efect vizual interesant. Tocmai din acest punct de vedere, camerele de mare viteză sunt din ce în ce mai des utilizate în domeniul divertismentului. Ele sunt folosite în televiziune, în înregistrarea videoclipurilor muzicale și în sport.
Oferta Avicon
Oferta noastră include servicii speciale de integrare în domeniul imagisticii proceselor rapide, unde parametrul fundamental al sistemului este numărul de cadre pe secundă. Dispunem de soluții staționare și portabile (handheld) în game de frecvențe de achiziție de la 100 până la 100.000 de cadre/secundă.
Soluțiile noastre funcționează în multe corporații, printre care:
- 3M
- Colgate-Palmolive
- Phillip Morris
- Ball Packaging
- Politechnika Gdańska (Universitatea de Tehnologie din Gdańsk)
- ETC PZL Aerospace
- International Paper Kwidzyn
