視覺必備知識點:工業相機的幀率與曝光的關係

2021-01-07 騰訊網

工業相機是機器視覺系統的重要組成部分之一，在機器視覺系統中有著非常重要的作用。工業相機已經被廣泛應用於工業生產線在線檢測、智能交通，機器視覺，科研，軍事科學，航天航空等眾多領域。

工業相機的主要參數包括：解析度、幀率、像素、像元尺寸、光譜響應特性等。下面我們來對工業相機幀率的相關知識進行講解：

幀率（Frame rate）是用於測量顯示幀數的量度。所謂的測量單位為每秒顯示幀數(Frames per Second)，簡稱：FPS或「赫茲」（Hz）。

由於人類眼睛的特殊生理結構，如果所看畫面之幀率高於16fps的時候，就會認為是連貫的，此現象稱之為視覺暫留。這也就是為什麼電影膠片是一格一格拍攝出來，然後快速播放的。

每秒的幀數(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。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，因為監視器不能以這麼快的速度更新，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)：即相機採集傳輸圖像的速率，對於面陣相機一般為每秒採集的幀數(Frames/Sec.)，對於線陣相機為每秒採集的行數(Hz)。

相機幀率和曝光時間的關係：

有人問，為什麼我們在使用工業相機的時候，將相機的曝光時間增加以後，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係是怎樣，如果想要獲得固定的幀率，相機的曝光時間應該怎麼設置？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：

相機上的圖像採集過程包括兩個截然不同的部分。第一部分是曝光。曝光完成後，進行第二部分Readout過程即從傳感器的寄存器中讀出數據並傳送出去（Readout過程）。

關於圖像採集過程中，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，每個圖像採集的周期中，相機在下一個圖像採集開始前，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，可適合於許多情況下，但它並不是最有效的方式。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據讀出並傳送出去。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，相機讀出數據和下一幀曝光開始出現重疊的情況，在同一個時刻內，相機執行兩個操作，導致在同樣的單位時間內，在「overlapped」曝光模式下，可以採集到更多的圖片，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係: 「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：

相機幀率和曝光時間的關係 - L

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，即數據傳輸時間為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數據的時間為1000ms/15 =66.7ms

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