Como Alcançar uma Taxa de Frames Superior?

Frame rate refere-se ao número de fotogramas (ou imagens) que uma câmara industrial capta por segundo, normalmente medido em FPS (fotogramas por segundo). Por exemplo, uma câmara a funcionar a 60 fps capta 60 imagens individuais por segundo.

2. Throughput de dados

2.a. Tipo de interface

A interface de dados, como USB 3.0, GigE ou CoaXPress, afeta diretamente a quantidade de dados de imagem que pode ser transferida por segundo. Para sensores de alta resolução, são necessárias interfaces com maior bandwidth para manter frame rates elevadas.

2.b. Tamanho do pacote

No GigE Vision, o tamanho do pacote GVSP afeta a eficiência com que os dados são transmitidos. Os pacotes maiores, conhecidos como Jumbo Frames, reduzem a sobrecarga do protocolo ao enviar mais dados por pacote. Isto melhora o throughput, especialmente no imaging de alta resolução, ao reduzir o número de pacotes necessários por frame e permitir uma transferência de dados mais rápida e eficiente.

2.c. Comprimento do cabo

O comprimento do cabo industrial pode afetar a frame rate em câmaras industriais ao provocar degradação do sinal em distâncias mais longas. À medida que os cabos se tornam mais longos, a integridade dos dados pode ser comprometida, levando à redução da bandwidth ou a frame rates mais baixas. Para manter o desempenho, cabos e conectores de alta qualidade são essenciais.

2.d. Componentes externos

Componentes externos, como frame grabbers, switches e dispositivos de rede, podem afetar diretamente a frame rate. Se estes dispositivos não conseguirem suportar a bandwidth necessária ou não estiverem devidamente compatibilizados com a interface da câmara, podem causar estrangulamentos de dados, perda de frames ou velocidades de captura mais baixas. Garantir que todo o hardware externo é de elevada qualidade e possui a classificação adequada é essencial para manter o desempenho à frame rate máxima.

2.e. Múltiplas câmaras

Ao utilizar múltiplas câmaras, é importante ter em consideração a bandwidth total disponível. Cada câmara necessita de uma determinada quantidade de bandwidth para transmitir os seus dados. Se várias câmaras estiverem a transmitir em streaming com resoluções ou frame rates elevadas, a carga de dados combinada pode exceder a capacidade da ligação ou da rede. Isto pode resultar em perda de frames ou desempenho reduzido, uma vez que o sistema tem dificuldade em gerir o throughput de dados total. Garantir que a interface e a rede conseguem suportar as exigências combinadas é essencial para manter uma frame rate e um desempenho de sincronização ideais em todos os dispositivos.

2.f.  Sincronização e acionamento

Modos de captura acionados, nos quais a aquisição de frames está ligada a eventos externos, como o sinal de um sensor ou um intervalo de tempo definido, podem limitar a frame rate devido à necessidade de sincronização precisa. Isto é especialmente verdade quando estão envolvidos vários dispositivos, pois a coordenação dos tempos de captura pode afetar a frame rate em todos os dispositivos. A temporização e a frequência dos triggers, bem como a bandwidth partilhada ou requisitos rigorosos de sincronização, podem reduzir o desempenho geral do sistema e o throughput quando são necessárias capturas de alta velocidade

4. Configurações de Aquisição de Imagem

4.a. Região de Interesse (ROI)

Limitar a câmera a um ROI (região de interesse) específico reduz o número de píxeis lidos por frame, diminuindo a carga de dados e permitindo frame rates mais rápidos. Este é um método comum para otimizar a velocidade sem sacrificar informação visual essencial na área de imagem.

4.b. Tempo de Exposição

Tempos de exposição mais longos reduzem o frame rate porque o sensor está a captar luz durante mais tempo antes de poder iniciar o frame seguinte. Exposições mais curtas são normalmente utilizadas quando são necessários frame rates elevados. No entanto, exposições curtas podem exigir iluminação intensa para manter a qualidade da imagem, especialmente em cenários de movimento rápido ou ambientes de pouca luz.

4.c. Binning e Decimação

Binning e decimação são duas técnicas utilizadas para reduzir a resolução da imagem e o volume de dados, aumentando assim o frame rate. O binning funciona combinando píxeis vizinhos num único "super pixel", o que diminui a resolução mas reduz significativamente a quantidade de dados que precisa de ser lida e transmitida. A decimação, por outro lado, ignora píxeis durante a leitura, reduzindo de forma semelhante o tamanho da imagem e acelerando a transferência de dados. Ambos os métodos trocam detalhe de imagem por desempenho, tornando-os ideais em aplicações onde a velocidade é mais crítica do que a resolução fina.

4.d. Formato de Pixel

As câmeras podem fornecer dados de imagem em vários formatos de pixel, como 8 bits, 10 bits ou superiores. Embora profundidades de bits mais elevadas aumentem a gama dinâmica e a fidelidade de cor, também aumentam o tamanho dos dados por frame, o que pode reduzir o frame rate alcançável se não houver largura de banda ou potência de processamento suficiente.

4.e. Processamento de Imagem

Tarefas de processamento de imagem incorporadas, como balanço de brancos, correção de gama, redução de ruído, etc., podem reduzir os frame rates, uma vez que os recursos internos da câmera são partilhados entre a captura e o processamento de imagem. Além disso, funcionalidades automáticas como auto-exposição, auto-balanço de brancos e auto-ganho podem introduzir latência devido a ajustes em tempo real entre frames. Uma configuração cuidadosa destas definições é essencial para evitar limitar inadvertidamente o desempenho da câmera.

Aqui estão várias estratégias e considerações para ajudar a resolver problemas e aumentar o frame rate da sua configuração de câmera industrial.

• Verifique o Cabo e a Saúde da Câmera: Comece pelo básico, certificando-se de que os componentes físicos não estão danificados.
• Teste com o Galaxy Viewer: Verifique se o problema está nas definições da câmera ou no código. O Galaxy Viewer ajuda a diagnosticar se a câmera está a funcionar corretamente.
• Utilize um Frame Rate Calculator: Utilize um frame rate calculator para calcular o frame rate máximo possível com base nas definições da sua câmera (resolução, exposição, etc.) e avaliar se são necessários ajustes.
• Assegure Banda Larga Suficiente: Verifique se existe bandwidth suficiente para a transmissão de dados da câmera. A. Monitorize Múltiplas Câmeras: Teste o desempenho da câmera individualmente para excluir congestionamento de rede. B. Verifique o Congestionamento de Rede: Certifique-se de que os dispositivos de rede (como switches e routers) não estão a limitar a bandwidth disponível. Tente ligar a câmera diretamente ao PC para excluir o congestionamento de rede.
• Reduza o ROI: Limitar a Região de Interesse diminui a carga de dados, ajudando a melhorar o frame rate.
• Utilize Binning/Decimation: Reduzir a resolução da imagem através destes métodos acelera a transferência de dados e aumenta o frame rate.
• Reduza o Tempo de Exposição: Tempos de exposição mais curtos podem aumentar o frame rate, mas poderá ser necessária mais iluminação para garantir clareza.
• Altere o Formato de Pixel: Reduzir a profundidade de bits (por exemplo, 8 bits em vez de 10 bits) reduz o tamanho dos dados por frame, permitindo frame rates mais rápidos.
• Aumente o Tamanho do Pacote: Pacotes maiores reduzem a sobrecarga, aumentando a eficiência da transferência de dados.
• Desative o DeviceLinkThroughputLimitMode (USB 3.0)
  Esta definição pode estar ativada por defeito e pode limitar o throughput de dados da sua câmera.
• Ative Jumbo Frames (GigE)
  Certifique-se de que os Jumbo Frames estão ativados para uma transmissão de dados mais eficiente.
• Garanta Recursos de Sistema Adequados: Assegure-se de que o CPU, RAM e outros recursos do sistema são suficientes para o processamento de dados em tempo real.
• Otimize as Definições de Processamento de Imagem: Desative funcionalidades de processamento de imagem desnecessárias (como autoexposição ou redução de ruído) que possam abrandar o frame rate.
• Atualize a Infraestrutura de Rede: Considere atualizar switches ou dispositivos de rede para suportar taxas de dados mais elevadas e reduzir estrangulamentos na rede.