Часто встречающиеся вопросы

В чём разница между цветной скоростной камерой Fastvideo и монохромной?

Скоростная видеокамера сделана на основе видео сенсора MT9M413, который выпускается в двух модификациях, отличающихся только наличием фильтров (Bayer Pattern). Т.е. видеокамера изначально сделана монохромной, а с помощью фильтров она "становится" цветной. Эти фильтры нанесены на светочувствительные элементы видео сенсора. Вид матрицы с фильтрами представлен на рисунке справа. Поэтому при "грубом подходе" и при отсутствии алгоритмов интерполяции может показаться, что цветная камера должна иметь пространственное разрешение 640 х 512 и при этом как минимум в 3 раза должна уменьшаться чувствительность (по сравнению с монохромным вариантом) и кроме того, должна обрезаться вся ИК область спектра.

Однако при регистрации данных видеокамерой с фильтром пространственное разрешение не изменяется, так как количество пикселов остаётся прежним, но происходит потеря цветового разрешения и уменьшается чувствительность. А цвет для каждого пиксела приходится пересчитывать исходя из значений в соседних пикселах. Поэтому цвет интерполируется, а пространственное разрешение определяется количеством пикселов.

Таким образом, в итоге получается, что цветная камера имеет разрешение 1280 х 1024, интерполированный цвет и её чувствительность хуже более чем в 3 раза по сравнению с монохромной камерой на том же самом видео сенсоре. При скоростной съёмке практически всегда стоит проблема освещения, так как с увеличением частоты кадров уменьшается время экспозиции, поэтому уменьшение чувствительности может быть очень важным моментом, так что если нет серьёзных оснований для использования именно цветной скоростной видеокамеры, то лучше использовать монохромную. Ниже приведены графики квантовой эффективности цветного КМОП сенсора MT9M413 и монохромного

Что такое "Fill factor"?

У КМОП сенсоров на одном чипе кроме светочувствительных элементов находятся все АЦП и прочие элементы схемы, необходимые для оцифровки регистрируемого сигнала. Поэтому получается, что светочувствительные элементы занимают лишь часть площади видео сенсора. Отношение полезной сенсора матрицы к его полной площади называется "коэффициентом заполнения" (fill factor) и у модели MT9M413 он равен 40%, а у MT9V403 он равен 50%.

Какова максимальная частота смены кадров у быстрой камеры?

Матрица MT9M413 камеры имеет размер 1280 х 1024 и за 128 тактов (тактовая частота составляет 66 МГц) происходит считывание одной строки шириной 1280 пикселов в "непрерывном режиме" работы (Simultaneous mode). В цикле происходит следующая последовательность действий: 1) засветка строки, 2) чтение аналоговых данных со всех пикселов строки, 3) оцифровка аналоговых данных строки, 4) сохранение оцифрованных данных в выходных регистрах АЦП (1280 х 10 бит), 5) сброс данных (обнуление) строки для готовности нового цикла. Поэтому длительность записи кадра получается равной сумме длительностей этих процессов.

Если сенсор видеокамеры работает "непрерывном режиме" (simultaneous mode), то при этом возможна одновременная экспозиция чувствительных элементов и чтение данных. Это возможно за счет промежуточной аналоговой ячейки памяти у каждого пиксела. Время, за которое сигнал записывается в неё равно длительности чтения половины строки. Такое же время необходимо для стирания информации из пиксела перед его экспозицией. Это означает, что минимальное время одного цикла равно времени чтения одной строки плюс время экспозиции. Но так как прерывать процедуру чтения в этом режиме не рекомендуется, то максимальная частота смены кадров определяется временем чтения двух строк, т.е. получается равной 250 кГц.

В спецификации сенсора указано, что при считывании всех строк сенсора максимальная частота кадров равна 500 Гц, а при уменьшении количества считываемых строк должно происходить пропорциональное увеличиние максимальной частоты. Такая возможность реализована в сенсоре, но для того, чтобы это было возможным и у скоростной камеры, необходимо, чтобы высокоскоростной контроллер тоже мог это делать. Если у контроллера это получится, то при сканировании одной строки максимальная частота видеокамеры будет равна 250 кГц. Как показывают спецификации многих производителей скоростных видеокамер, у большинства это не получается (получается от 5 кГц до 50 кГц при минимальном разрешении).

Нужно отметить, что вопрос о максимальной частоте при считывании одной строки отнюдь не умозрительный. В задачах физики плазмы и физики высоких температур встречаются ситуации, когда регистрируемая картинка имеет центральную симметрию, поэтому имеет смысл записывать не всё изображение, а лишь его часть, состоящую из полосы, проходящей через центр симметрии. При этом также случается, что общая длительность записи процесса не превышает 20 миллисекунд, поэтому режим работы на максимальной частоте актуален и по этой причине.

При изменении "области интереса" (т.е. координат области сенсора, откуда нужно считывать данные) возможно увеличение максимальной частоты кадров только при уменьшении количества считываемых строк. При уменьшении размера строки максимальная частота кадров не меняется. Зато при уменьшении длины строки потребуется меньше памяти для хранения полученных данных, т.е. таким образом можно увеличить максимальную длительность записи.

Ещё нужно понимать, что обеспечив максимальную частоту смены кадров в скоростной видеокамере, нужно эти данные передать в компьютер, а для этого канал передачи должен соответствовать потоку данных. Наиболее распространённый на данный момент вариант - интерфейс Camera Link (версия Full). Есть ещё версии Base и Medium, которые имеют более низкую пропускную способность. Эти подробности можно посмотреть в описании интерфейса Camera Link.

Следует заметить, что эти моменты зависят от спецификации сенсора и при использовании другого сенсора эти рассуждения могут быть неверны.

Почему быстрая камера работает только в течение нескольких секунд?

Быстрая камера может работать непрерывно (данные всё время пишутся в кольцевой буфер оперативной памяти фреймграббера или компьютера), а запись данных всегда начинается лишь после получения синхронизирующего сигнала, поэтому длительность записи с максимальной скоростью и максимальным разрешением действительно занимает лишь несколько секунд. Если доступна память 1 ГБайт, то максимальное время записи на частоте 500 Гц получается равным примерно 1,6 сек. Если уменьшить частоту кадров, то длительность записи пропорционально увеличится.

Почему у быстрых камер такая высокая цена?

У "бытовых" видеокамер частота смены кадров равна 25 или 30 кадров в секунду в зависимости от стандарта сигнала. У быстрой видеокамеры эта частота равна 500 кадрам в секунду, т.е. почти в 20 раз выше, что довольно приблизительно, но правильно отражает ценовую тенденцию: скоростные камеры стоят во много раз дороже "бытовых" видеокамер. Кроме того, массовое производство "бытовых" видеокамер и должно быть дешевле.

Почему разрядность сенсора 10 бит, а разрядность видеозаписи - 8 бит?

Действительно, у каждого светочувствительного элемента матрицы MT9M413 разрядность 10 бит, но в процессе передачи эти данные пересылаются по протоколу Camera Link, а этот протокол 8-битный. В частности поэтому перед процессом передачи данных они обрезаются в контроллере матрицы с 10 бит до 8 бит и лишь затем передаются (если сигнал слабый, то отбрасываются 2 старших бита, а если сигнал сильный, то отбрасываются 2 младших бита).

Многие производители быстрых камер (Basler, Mikrotron и др.) в своих спецификациях утверждают, что у их камер имеется 10-битный режим регистрации сигнала. Но имеется в виду именно режим регистрации видеосигнала, который действительно 10-битный, а вот перед передачей этих данных по протоколу Camera Link происходит преобразование данных до 8 бит, о чём чётко написано в инструкциях по эксплуатации этих камер.

Стоит отметить, что компания Basler в своих быстрых камерах A504k использует стандартный кабель Camera Link, но протокол передачи данных отличается от стандартного Camera Link, так как в нём "не по назначению" используются зарезервированные биты, а также биты, предназначенные для управления камерой (у них в документации это называется "Basler-specific bit assignment") и кроме того, данные передаются по другим линиям. Поэтому получилось так, что стандартный фреймграббер с разъёмом Camera Link не может работать со скоростными камерами Basler - для этого требуется специализированный фреймграббер, который "понимает" этот модифицированный протокол. Таким образом, компания Basler упростила решение задачи о передаче данных, используя стандартный кабель Camera Link, но изменив протокол (на самом деле скорость передачи данных не повысилась, см. следующий абзац). Это важно понимать при заказе такого оборудования, поскольку в этом случае нужно заказывать именно модифицированный фреймграббер, который нельзя будет использовать при работе со скоростными видеокамерами других производителей. Такие модифицированные фреймграбберы выпускают компании Matrox, National Instruments, Alacron и др.

В стандартном варианте при передачи данных по протоколу Camera Link есть 8 линий по 8 бит на частоте 85 МГц, что даёт скорость передачи данных до 680 Мбайт/сек. Компания Basler сделала так: 10 линий по 8 бит на частоте 67,58 МГц, т.е. в этом случае получается не более 675 Мбайт/сек (в спецификации A504k указано 625 Мбайт/сек), чего для работы с этой матрицей на максимальной частоте кадров вполне достаточно. Суть задачи состоит в том, что данные с сенсора видеокамеры идут с частотой 67,58 МГц, а в Camera Link их нужно посылать на частоте 85 МГц. Простое решение (как и сделала компания Basler) этой задачи таково: модифицируется протокол Camera Link, а все данные приходят от сенсора и уходят по Camera Link на одинаковой частоте 67,58 МГц. Побочным отрицательным эффектом такого простого решения является несовместимость фреймграбберов, как было указано выше.

Альтернативным решением этой проблемы является встраивание фреймграббера, модуля с оперативной памятью и модуля для связи с компьютером в быструю камеру. В этом случае данные из скоростного контроллера в оперативную память камеры при необходимости будут передаваться в 10-битном формате и протокол Camera Link в этой ситуации вообще не понадобится. А в компьютер полученные данные будут передаваться из собственной оперативной памяти видеокамеры через PCI, PCI-X, PCI-Express, USB-2.0, IEEE-1394 или Ethernet. Хотя если говорить о пропускной способности стандартных интерфейсов, то превзойти Camera Link могут PCI-Express и 10-Gigabit Ethernet.

Какие объективы нужно использовать с быстрой камерой?

Обычно быстрые камеры поставляются без объектива в стандартном комплекте, поскольку изначально неизвестно, какие объективы потребуются для решения конкретной задачи. На корпусе видеокамеры ставят разъём для крепления объектива C-mount, CS-mount или F-mount. Чаще всего мы ставим объективы Navitar или Nikon, оптимизированные для конкретного сенсора видеокамеры.

В принципе есть возможность поставить и варио объектив (объектив с переменным фокусным расстоянием) - для этого нужно правильно его подобрать, чтобы он был оптимизирован под размер сенсора высокоскоростной видеокамеры.

Какое программное обеспечение поставляется вместе с видеокамерой?

Мы поставляем базовое программное обеспечение, которое позволяет управлять всеми настройками видеокамеры, снимать последовательность кадров, передавать эти данные в компьютер и просматривать их в стандартных форматах графических файлов. В стандартный комплект таже входят все необходимые драйверы и подробная документация. Базовое программное обеспечение написано для Windows-2000/XP. Мы понимаем, что скоростные видеокамеры используются во многих областях, поэтому написать универсальный софт, видимо, невозможно. Мы также можем поставить SDK, чтобы пользователь сам мог написать необходимое программное обеспечение. Если для него это затруднительно, то мы это можем сделать по согласованному техническому заданию.

Как решается вопрос о синхронизации?

Варианты синхронизации описаны здесь.

Есть ли возможность программной синхронизации?

Возможностей контроллера матрицы быстрой видеокамеры не хватает для реализации алгоритмов программной синхронизации. Для такой синхронизации нужно либо писать программу для обработки данных, полученных компьютером через фреймграббер, либо этот алгоритм должен быть реализован в DSP-процессоре фреймграббера. Во втором случае скорость отклика будет максимальной.

Какие есть варианты непрерывного использования быстрой камеры?

Если в DSP-процессоре фреймграббера реализовать алгоритм обработки полученных данных, а в компьютер передавать только результаты анализа, то при условии, что результаты будут занимать немного места, можно реализовать непрерывный режим работы высокоскоростной видеокамеры - именно работы, а не ожидания начала быстрого процесса, длящегося не более нескольких секунд. Один из вариантов приложения с возможностью такого режима - это, например, анализ геометрических размеров предметов на скоростной линии промышленного производства. В этом случае передавать в компьютер нужно, например, номер дефектного предмета, размер и время прохождения предмета через точку измерения, а для этого может хватить даже пропускной способности СОМ-порта или USB-1.1, не говоря уже об Ethernet.

Для реализации такого алгоритма нужно написать программу на Си в среде разработки, которая поставляется с DSP-процессором, а затем оптимизировать эту программу с учётом того, что она должна выполнять все необходимые расчёты за время между двумя последовательными кадрами. Надо сказать, что обычно DSP-процессоры имеют собственную память и предназначены как раз для этого.

Есть ещё один вариант непрерывного использования высокоскоростной видеокамеры: если исследуемый быстрый процесс возникает с очень малой частотой (сравнимой со временем сохранения полученных данных из оперативной памяти компьютера на жёсткий диск), то вполне возможно реализовать непрерывный режим работы. При этом количество видео записей будет ограничено размером жёсткого диска.

Какое необходимо освещение для работы с быстрой камерой?

Усиленное освещение необходимо для проведения скоростной съёмки, особенно на больших частотах. Это освещение должно быть непрерывным, равномерным и достоточно ярким. При скоростной съёмке, например, хорошо видна частота мерцания лампы дневного света, чего не видно при съёмке бытовой видеокамерой.

Возможно, при достаточно длительном периоде ожидания, придётся использовать специальную схему внешней синхронизации для включения освещения и определения его параметров.

Перед проведением съёмки необходимо выполнить процедуру настройки на резкость. Обычно это делается на тестовом изображении при постоянном освещении (таким же, как и при скоростной съёмке) с непрерывным выводом видеосигнала на экран монитора с частотой смены кадров 5-10 Герц или даже меньше. Этого вполне достоточно для того, чтобы проверить настройку на резкость.

Какой компьютер нужен для работы со быстрой камерой?

Если в комплект поставки видеокамеры входит фреймграббер с разъёмом PCI-Express, то нужен компьютер, у которого имеется шина PCI-Express с возможностью работы в режиме x4 или х8 помимо наличия слота x16. Если у материнской платы компьютера отсутствует разъём x4, а есть x8 или x16, то нужно убедиться в документации, что в случае, когда устройство типа x4 вставляется в разъём x8 или x16, не происходит уменьшения скорости работы до х1. Ещё нужно проверить, что шина PCI-Express полнодуплексная, так как часто ради удешевления материнской платы в одном направлении делают x16, а в обратном x1. Также желательно, чтобы компьютер имел не менее 1 Гбайт оперативной памяти (лучше 2-8 Гбайт), быстрый и вместительный жёсткий диск, DVD-RW и несколько свободных разъёмов USB.

Подробнее вопрос выбора материнской платы освещён в описании фреймграббера с разъёмом PCI-Express.