工业相机参数之帧率相关知识详解
工业相机是机器视觉系统的重要组成部分之一,在机器视觉系统中有着非常重要的作用。工业相机已经被广泛应用于工业生产线在线检测、智能交通,机器视觉,科研,军事科学,航天航空等众多领域。 工业相机的主要参数包括:分辨率、帧率、像素、像元尺寸、光谱响应特性等。下面我们来对工业相机帧率的相关知识进行讲解:
帧率(frame rate)是用于测量显示帧数的量度。所谓的测量单位为每秒显示帧数(frames per second),简称:fps或“赫兹”(hz)。
由于人类眼睛的特殊生理结构,如果所看画面之帧率高于16fps的时候,就会认为是连贯的,此现象称之为视觉暂留。这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来,然后快速播放的。
每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形处理器处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。一般来说30fps就是可以接受的,但是将性能提升至60fps则可以明显提升交互感和逼真感,但是一般来说超过75fps一般就不容易察觉到有明显的流畅度提升了。如果帧率超过屏幕刷新率只会浪费图形处理的能力,因为监视器不能以这么快的速度更新,这样超过刷新率的帧率就浪费掉了。
最大帧率(frame rate)/行频(line rate):即相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(frames/sec.),对于线阵相机为每秒采集的行数(hz)。
相机帧率和曝光时间的关系:
有人问,为什么我们在使用工业相机的时候,将相机的曝光时间增加以后,相机的帧率就下降,而且下降得很厉害,相机的帧率和曝光的关系是怎样,如果想要获得固定的帧率,相机的曝光时间应该怎么设置?因此写下本文,解答了朋友的问题,也使用sentech相机来做过相关的测试,帧率和曝光时间跟本文中所述一致。详细原理见下文所示:
曝光和传感器读数
相机上的图像采集过程包括两个截然不同的部分。第一部分是曝光。曝光完成后,进行第二部分readout过程即从传感器的寄存器中读出数据并传送出去(readout过程)。
关于图像采集过程中,相机操作有两种常见的方法:“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光。在非重叠(“non-overlapped”)模式中,每个图像采集的周期中,相机在下一个图像采集开始前,均要完成曝光/读出整个过程。如图1所示。
fig.1 non-overlapped exposure
虽然非重叠(“non-overlapped”)的模式,可适合于许多情况下,但它并不是最有效的方式。为了提高相机的帧率,允许在下一帧图像开始曝光时候,将前一帧获得的图像数据读出并传送出去。相机“重叠”(“overlapped”)曝光的方式见图2所示。
从图2中我们可以看到,相机读出数据和下一帧曝光开始出现重叠的情况,在同一个时刻内,相机执行两个操作,导致在同样的单位时间内,在“overlapped”曝光模式下,可以采集到更多的图片,即相机的帧率更高。
fig.2 overlapped exposure
从上边两个图中,我们可以知道在“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光模式底下,一帧图像的周期存在着这样的关系: 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为例:
图1 spec
从spec中可知,其pixel frequency为:36.8181mhz,所以1clock的时间为1/36.8181mhz =27.3836ns,接下来我们看相机的timing chart,首先先看horizontaltiming,见图2所示:
图2 horizontal timing
从图2中,我们从中可读到的信息为,1 clk=27.1605 nseconds,和我们从spec上得到的pixel frequency算出来的时间差不多。扫描1horizontal需要1920clk,即1h =27.1605*1920 =52148.16ns=52.14816us
接下来看相机vertical timing 见图3所示:
图3 vertical timing
从图3中,我们可读出的信息为,1h=52.1482useconds,和我们通过图2计算出来horizontal scanning的时间一致,而在一帧图像中,需要扫描1252h,其中effective pixels为1220h,即1帧图像中,effective pixels read out的时间为1220*52.1482 =63620.804us =63.620804ms,一个vd信号,所用的时间为:1252*52.1482=67793.5464us =67.7935464ms。按照我们前边的理论,一个cycletime内,一帧图像的时间为:frame period = exposure time +readout time
而我们知道stc-a202a的帧率为: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,若是超过3.1ms的曝光时间,其帧率就会比标准帧率15fps低。
假如1颗相机readout time为:66.7ms,即数据传输时间为a,a=66.7ms,曝光时间为b,b=5ms,则一帧图像的时间为c,则c=a+b=66.7ms + 5ms =71.7ms,则这颗相机的帧率为:1000/71.7 =13.94fps,则这颗相机的帧率为13.94.
注意:一般情况下,若我们的相机的帧率为15fps,则表示相机readout数据的时间为1000ms/15 =66.7ms
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术语解释
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帧率(frame rate)是用于测量显示帧数的量度。所谓的测量单位为每秒显示帧数(frames per second),简称:fps或“赫兹”(hz)。
由于人类眼睛的特殊生理结构,如果所看画面之帧率高于16fps的时候,就会认为是连贯的,此现象称之为视觉暂留。这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来,然后快速播放的。
每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形处理器处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。一般来说30fps就是可以接受的,但是将性能提升至60fps则可以明显提升交互感和逼真感,但是一般来说超过75fps一般就不容易察觉到有明显的流畅度提升了。如果帧率超过屏幕刷新率只会浪费图形处理的能力,因为监视器不能以这么快的速度更新,这样超过刷新率的帧率就浪费掉了。
最大帧率(frame rate)/行频(line rate):即相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(frames/sec.),对于线阵相机为每秒采集的行数(hz)。
相机帧率和曝光时间的关系:
有人问,为什么我们在使用工业相机的时候,将相机的曝光时间增加以后,相机的帧率就下降,而且下降得很厉害,相机的帧率和曝光的关系是怎样,如果想要获得固定的帧率,相机的曝光时间应该怎么设置?因此写下本文,解答了朋友的问题,也使用sentech相机来做过相关的测试,帧率和曝光时间跟本文中所述一致。详细原理见下文所示:
曝光和传感器读数
相机上的图像采集过程包括两个截然不同的部分。第一部分是曝光。曝光完成后,进行第二部分readout过程即从传感器的寄存器中读出数据并传送出去(readout过程)。
关于图像采集过程中,相机操作有两种常见的方法:“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光。在非重叠(“non-overlapped”)模式中,每个图像采集的周期中,相机在下一个图像采集开始前,均要完成曝光/读出整个过程。如图1所示。
fig.1 non-overlapped exposure
虽然非重叠(“non-overlapped”)的模式,可适合于许多情况下,但它并不是最有效的方式。为了提高相机的帧率,允许在下一帧图像开始曝光时候,将前一帧获得的图像数据读出并传送出去。相机“重叠”(“overlapped”)曝光的方式见图2所示。
从图2中我们可以看到,相机读出数据和下一帧曝光开始出现重叠的情况,在同一个时刻内,相机执行两个操作,导致在同样的单位时间内,在“overlapped”曝光模式下,可以采集到更多的图片,即相机的帧率更高。
fig.2 overlapped exposure
从上边两个图中,我们可以知道在“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光模式底下,一帧图像的周期存在着这样的关系: 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为例:
图1 spec
从spec中可知,其pixel frequency为:36.8181mhz,所以1clock的时间为1/36.8181mhz =27.3836ns,接下来我们看相机的timing chart,首先先看horizontaltiming,见图2所示:
图2 horizontal timing
从图2中,我们从中可读到的信息为,1 clk=27.1605 nseconds,和我们从spec上得到的pixel frequency算出来的时间差不多。扫描1horizontal需要1920clk,即1h =27.1605*1920 =52148.16ns=52.14816us
接下来看相机vertical timing 见图3所示:
图3 vertical timing
从图3中,我们可读出的信息为,1h=52.1482useconds,和我们通过图2计算出来horizontal scanning的时间一致,而在一帧图像中,需要扫描1252h,其中effective pixels为1220h,即1帧图像中,effective pixels read out的时间为1220*52.1482 =63620.804us =63.620804ms,一个vd信号,所用的时间为:1252*52.1482=67793.5464us =67.7935464ms。按照我们前边的理论,一个cycletime内,一帧图像的时间为:frame period = exposure time +readout time
而我们知道stc-a202a的帧率为: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,若是超过3.1ms的曝光时间,其帧率就会比标准帧率15fps低。
假如1颗相机readout time为:66.7ms,即数据传输时间为a,a=66.7ms,曝光时间为b,b=5ms,则一帧图像的时间为c,则c=a+b=66.7ms + 5ms =71.7ms,则这颗相机的帧率为:1000/71.7 =13.94fps,则这颗相机的帧率为13.94.
注意:一般情况下,若我们的相机的帧率为15fps,则表示相机readout数据的时间为1000ms/15 =66.7ms
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