CMOS Sensor的基本概念及計算

1、基本概念

1）幀

簡單來說，一幀就是一副圖像。顯示器上面我們看到的畫面就是一幀一幀的顯示的。只不過顯示的速度足夠快，人眼以為畫面是運動的。

2）幀率

是以幀為單位，sensor單位時間內(nèi)曝光并輸出圖像的頻率，通常使用fps（frame per second）來表示，比如幀率是30fps，則代表1秒內(nèi)輸出30幀圖像。

3）有效像素數(shù)

如上是 imx335 datasheet 中的說明，有效像素是2616x1964，就是指所有可以用的像素，實際我們一般是使用推薦的像素2592x1944，當(dāng)后續(xù)需要裁剪/偏移之類的操作，可以留有余量。

4）pclk

是控制像素輸出的時鐘，即pixel采樣時鐘，一個clk采集一個像素點 ， 單位MHz。表示是每個單位時間內(nèi)（每秒）采樣的pixel數(shù)量。

5）H_Blank/V_Blank

H_Blank：是指行消隱或稱水平消隱，如下幀結(jié)構(gòu)示意圖所示，假定曝光起始位置在圖像的左上角，對于逐行曝光的 sensor 來說，曝光從第一個像素開始，依次曝光直至這行的最后一個像素曝光結(jié)束，

這時曝光位置要從此行的尾部快速移動到下一行的頭部，開始下一行的曝光，這段行與行之間的返回過程稱為H_Blank。

V_Blank：是指場消隱或稱垂直消隱，如下幀結(jié)構(gòu)示意圖所示，假定曝光起始位置在圖像的左上角，曝光完成一幀圖像后，曝光位置要從圖像的右下角返回左上角，開始新一幀的曝光，這一段時間間隔稱為V_Blank。

7）dummy_line

虛擬行，是用來填充V_Blank的行，一般最大曝光行數(shù)是要大于有效像素的長的，就是因為加了dummy_line的原因，這個后面會繼續(xù)說明。

8）frame_offset

是指最小的dummy_line，這里要注意：最大曝光行 = VTS - frame_offset，而最小曝光行則不是frame_offset ， datasheet 中會定義一個最小曝光行，這是兩個概念。

9）line_length

一行的長度，它包含H_Blank，通常說的 HTS 就是行長，

line_length =

width_number_of_effective_cloumns+H_Blank

11）frame_length

一幀的行數(shù)，也就是幀長，它包含V_Blank，通常說的 VTS 就是幀長，

frame_length =

height_number_of_effective_rows + V_Blank

10）line_time

曝光一行的時間。

12）exposure_time

曝光時間，指一幀曝光了多長時間，這里是絕對時間。單位用秒（s）、毫秒（ms）或微秒（us）表示。

13）integration_time

積分時間，單位為行（H），通常也稱為曝光行。 對于逐行曝光的sensor來說，積分時間是指這一幀曝光了多少行，這是一個相對時間。

2、與 Sensor 曝光相關(guān)的計算

1）曝光一行的時間計算（line_time）

line_time = line_length/pclk

--- 單位通常是：us（微秒）

--- 也就是曝光一行所用的時間，等于一行的長度除以1秒時間內(nèi)采樣的像素數(shù)，可以理解成：路程/速度=時間。

2）曝光時間計算（exposure_time）

exposure_time = integration_time * line_time

--- 積分時間是指曝光一幀所用的行數(shù)，那這一幀的絕對曝光時間就等于，曝光所用行數(shù)乘以曝光一行所用的時間。

3）幀率計算（fps）

line_length = pclk * line_time；

fps=pclk/（VTS?HTS） = pclk/（frame_length?line_length）

以上兩式代入得：fps = 1/（frame_length ? line_time）

如上式可以理解成，幀率等于1秒內(nèi)能曝光多少幀，比如 sensor 出30fps，那按上式來看，每幀的曝光時間就是1/30=33ms。

--- 注1：fps即表示1秒內(nèi)幀數(shù)，此公式中l(wèi)ine_time單位是秒。

--- 注2：調(diào)節(jié)幀率一般都會通過調(diào)整VTS來完成（也就是調(diào)整V_Blank，如增加了幀與幀間隔的時長，自然每秒內(nèi)能處理的幀數(shù)就少了），

改HTS和VTS是一樣的，但可能有些sensor對行長有8倍，16倍的要求，需要找原廠確認(rèn)，要注意sensor 廠家不同對 sensor 的設(shè)計要求有所區(qū)別，具體要咨詢相應(yīng)廠家的fae ;

4）幀長（frame_length）VTS = frame_length =height_number_of_effective_rows + dummy_line （ V_Blank ）

VTS ≥ height_number_of_effective_rows + frame_offset

min_integration_time ≤ integration_time ≤ VTS - frame_offset

5）sony對于同一個概念有不同的描述，但本質(zhì)一樣，這里以IMX307為例：

通常在 sony sensor 的 datasheet中都可以查找到effective number of pixels，VMAX 與 VTS是一個概念，HMAX 與 HTS 是一個概念。

integration_time = VTS - SHR0

SHR0本意是表示Shutter釋放的時機，SHR0的值越大，說明Shutter釋放得越晚，integration_time越小，

IMX307 是通過控制SHR0來間接控制曝光行的，其他廠家的sensor 是有直接控制曝光行（integration_time）的寄存器。

如下圖所示，integration_time = VTS （frame1+v_blk） - SHR0（β） ；

有SHR0=α是因為這是首幀，存在收斂誤差可能，后面都是一樣了。

審核編輯：郭婷