一文解析工業(yè)相機幀率與曝光時間的關系

工業(yè)相機是機器視覺系統(tǒng)的重要組成部分之一,在機器視覺系統(tǒng)中有著非常重要的作用。工業(yè)相機已經被廣泛應用于工業(yè)生產線在線檢測、智能交通,機器視覺,科研,軍事科學,航天航空等眾多領域。??? 工業(yè)相機的主要參數(shù)包括:分辨率、幀率、像素、像元尺寸、光譜響應特性等。下面我們來對工業(yè)相機幀率的相關知識進行講解:?

幀率(Frame rate)是用于測量顯示幀數(shù)的量度。所謂的測量單位為每秒顯示幀數(shù)(Frames per Second),簡稱:FPS或“赫茲”(Hz)。?

??? 由于人類眼睛的特殊生理結構,如果所看畫面之幀率高于16fps的時候,就會認為是連貫的,此現(xiàn)象稱之為視覺暫留。這也就是為什么電影膠片是一格一格拍攝出來,然后快速播放的。?

每秒的幀數(shù)(fps)或者說幀率表示圖形處理器處理場時每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動畫。一般來說30fps就是可以接受的,但是將性能提升至60fps則可以明顯提升交互感和逼真感,但是一般來說超過75fps一般就不容易察覺到有明顯的流暢度提升了。如果幀率超過屏幕刷新率只會浪費圖形處理的能力,因為監(jiān)視器不能以這么快的速度更新,這樣超過刷新率的幀率就浪費掉了。?

最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate):即相機采集傳輸圖像的速率,對于面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec.),對于線陣相機為每秒采集的行數(shù)(Hz)。?

相機幀率和曝光時間的關系:

有人問,為什么我們在使用工業(yè)相機的時候,將相機的曝光時間增加以后,相機的幀率就下降,而且下降得很厲害,相機的幀率和曝光的關系是怎樣,如果想要獲得固定的幀率,相機的曝光時間應該怎么設置?因此寫下本文,解答了朋友的問題,也使用Sentech相機來做過相關的測試,幀率和曝光時間跟本文中所述一致。詳細原理見下文所示:

曝光和傳感器讀數(shù)

相機上的圖像采集過程包括兩個截然不同的部分。第一部分是曝光。曝光完成后,進行第二部分Readout過程即從傳感器的寄存器中讀出數(shù)據(jù)并傳送出去(Readout過程)。

關于圖像采集過程中,相機操作有兩種常見的方法:“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光。在非重疊(“non-overlapped”)模式中,每個圖像采集的周期中,相機在下一個圖像采集開始前,均要完成曝光/讀出整個過程。如圖1所示。

Fig.1 Non-overlapped Exposure

雖然非重疊(“non-overlapped”)的模式,可適合于許多情況下,但它并不是最有效的方式。為了提高相機的幀率,允許在下一幀圖像開始曝光時候,將前一幀獲得的圖像數(shù)據(jù)讀出并傳送出去。相機“重疊”(“overlapped”)曝光的方式見圖2所示。

從圖2中我們可以看到,相機讀出數(shù)據(jù)和下一幀曝光開始出現(xiàn)重疊的情況,在同一個時刻內,相機執(zhí)行兩個操作,導致在同樣的單位時間內,在“overlapped”曝光模式下,可以采集到更多的圖片,即相機的幀率更高。

Fig.2 overlapped Exposure

從上邊兩個圖中,我們可以知道在“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光模式底下,一幀圖像的周期存在著這樣的關系:?"overlapped”的曝光模式下: FramePeriod?≤Exposure Time + ReadoutTime

“non-overlapped”的曝光模式下:FramePeriod > Exposure Time + Readout Time

以STC-A202A為例:

圖1 Spec

從Spec中可知,其Pixel Frequency為:36.8181MHz,所以1Clock的時間為1/36.8181Mhz =27.3836ns,接下來我們看相機的Timing chart,首先先看HorizontalTiming,見圖2所示:

圖2 Horizontal Timing
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從圖2中,我們從中可讀到的信息為,1 CLK=27.1605 nseconds,和我們從spec上得到的Pixel Frequency算出來的時間差不多。掃描1Horizontal需要1920CLK,即1H =27.1605*1920 =52148.16ns=52.14816us

接下來看相機Vertical Timing?見圖3所示:

圖3 Vertical Timing

從圖3中,我們可讀出的信息為,1H=52.1482useconds,和我們通過圖2計算出來horizontal Scanning的時間一致,而在一幀圖像中,需要掃描1252H,其中Effective Pixels為1220H,即1幀圖像中,Effective Pixels Read out的時間為1220*52.1482 =63620.804us =63.620804ms,一個VD信號,所用的時間為:1252*52.1482=67793.5464us =67.7935464ms。按照我們前邊的理論,一個cycletime內,一幀圖像的時間為:Frame Period = Exposure Time +Readout Time

而我們知道STC-A202A的幀率為:15fps,即1 Frame Period =1/15 =66.7ms。

所以在“non-overlapped”exposure 模式下,ExposureTime = Frame Period – Readout Time =66.7ms -63.6ms =3.1ms,在此模式下,若是超過3.1ms的曝光時間,其幀率就會比標準幀率15fps低。

假如1顆相機Readout Time為:66.7ms,即數(shù)據(jù)傳輸時間為A,A=66.7ms,曝光時間為B,B=5ms,則一幀圖像的時間為C,則C=A+B=66.7ms + 5ms =71.7ms,則這顆相機的幀率為:1000/71.7 =13.94FPS,則這顆相機的幀率為13.94.

注意:一般情況下,若我們的相機的幀率為15fps,則表示相機ReadOut數(shù)據(jù)的時間為1000ms/15 =66.7ms

審核編輯：黃飛

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