25.02.2022Частата кадраў камеры паказвае, колькі малюнкаў камера можа атрымаць у секунду, і часта лічыцца галоўнай характарыстыкай пры ацэнцы высакахуткасных сістэм візуалізацыі. У дынамічных эксперыментах, працоўных працэсах інспекцыі або хуткіх біялагічных працэсах частата кадраў непасрэдна вызначае, колькі часавых дэталяў можна захапіць.
Аднак указаная максімальная частата кадраў не з'яўляецца фіксаваным значэннем. Яна залежыць ад архітэктуры датчыка, вобласці цікавасці (ROI), часу экспазіцыі, рэжыму зчытвання і прапускной здольнасці інтэрфейсу даных. На практыцы дасягальная частата кадраў з'яўляецца вынікам узаемадзеяння некалькіх фактараў. Для разумення гэтых фактараў неабходна выйсці за рамкі кадраў у секунду і вывучыць, як у сістэме камеры фармуецца час кадра.
Што такое частата кадраў камеры?
Частата кадраў камеры адносіцца да колькасці кадраў, якія камера можа атрымліваць у секунду пры пэўных умовах працы. Звычайна яна выражаецца ў кадрах у секунду (FPS) і паказвае, наколькі хутка паслядоўныя выявы могуць быць захоплены і даступныя для апрацоўкі або захоўвання.
Частата кадраў вызначае часавую раздзяляльнасць сістэмы візуалізацыі. У дынамічных прыкладаннях, такіх як адсочванне часціц, высакахуткасны кантроль або хутказменныя біялагічныя працэсы, больш высокая частата кадраў дазваляе больш дэталёва назіраць рух і кароткачасовыя падзеі.
Аднак частата кадраў не з'яўляецца ізаляванай характарыстыкай. Максімальна дасягальны FPS залежыць ад рэжыму камеры, вобласці цікавасці (ROI), часу экспазіцыі, глыбіні колеру і прапускной здольнасці інтэрфейсу. Пазначаная «максімальная частата кадраў» звычайна прадугледжвае пэўныя ўмовы, такія як паніжаная ROI або пэўны рэжым счытвання.
Каб зразумець, што сапраўды абмяжоўвае частату кадраў, неабходна вывучыць, колькі часу патрабуецца для атрымання і зчытвання аднаго кадра — вядомага як час кадра — што разгледзім у наступным раздзеле.
Частата кадраў супраць часу кадра супраць часу радка
Частата кадраў звычайна выражаецца ў кадрах у секунду (FPS), але FPS не з'яўляецца асноўным фізічным параметрам. Гэта адваротная велічыня часу, неабходнага для атрымання і зчытвання аднаго кадра.
Частата кадраў = 1 / час кадра
Каб зразумець, што вызначае частату кадраў, нам трэба вывучыць, як фармуецца час кадра.
З чаго складаецца час кадра?
Час кадра ўяўляе сабой агульны час, неабходны для стварэння аднаго поўнага малюнка. У большасці выпадкаўCMOS-камеры, гэта ўключае ў сябе:
● Час экспазіцыі (як доўга датчык збірае святло)
● Час счытвання датчыка (колькі часу патрабуецца для пераўтварэння і перадачы значэнняў пікселяў)
● Час перадачы дадзеных (перадача інтэрфейсу на галоўны камп'ютар)
Калі час экспазіцыі кароткі ў параўнанні з часам зчытвання, частата кадраў звычайна абмежаваная працэсам зчытвання. Калі ж час экспазіцыі доўгі, ён можа стаць дамінуючым абмежавальным фактарам.
Час лініі — фундаментальнае абмежаванне датчыка
Для CMOS-датчыкаў асноўным унутраным фактарам, які абмяжоўвае частату кадраў, з'яўляецца час працы лініі. Час працы лініі — гэта час, неабходны радку аналага-лічбавых пераўтваральнікаў (АЛП) для вымярэння і алічбоўкі аднаго радка пікселяў.
У большасці архітэктур кожны радок апрацоўваецца паслядоўна. У выніку агульны час чытання кадра вызначаецца колькасцю актыўных радкоў, памножанай на час працы радка:
Час чытання кадра = Час чытання радка × Колькасць радкоў
Малюнак 1: Уводзіны ў дыяграмы часу рухомага затвора «Паралелаграм»
Злева:Графік залежнасці радка датчыкаў (вось Y) ад часу (вось X), прычым жоўтыя паралелаграмы пазначаюць экспазіцыю кожнага радка камер з-за дзеяння рухомага затвора.
Справа:Павелічэнне маштабу на ўзроўні асобнага радка, якое ілюструе ролю счытвання і скіду пры вызначэнні часу радка пракатнага затвора.
Гэта тлумачыць, чаму памяншэнне вобласці цікавасці (ROI), а менавіта колькасці радкоў пікселяў, можа значна павялічыць частату кадраў. Памяншэнне колькасці радкоў удвая прыкладна скарачае час зчытвання ўдвая і можа амаль падвоіць дасягальны FPS, пры ўмове, што іншыя фактары застаюцца нязменнымі.
Сам час лініі можа адрознівацца ў залежнасці ад рэжыму счытвання, але ў межах дадзенага рэжыму ён звычайна фіксаваны.
Тэарэтычная і рэальная частата кадраў
«Максімальная частата кадраў», указаная ў спецыфікацыях, звычайна разлічваецца толькі з часу чытання кадра. На практыцы рэальная частата кадраў можа быць ніжэйшай з-за:
● Больш працяглы час экспазіцыі
● Абмежаванні прапускной здольнасці інтэрфейсу
● Затрымкі праграмнага забеспячэння або апрацоўкі
Па гэтай прычыне важна адрозніваць тэарэтычны максімальны FPS ад дасягальнай частаты кадраў у рэальных умовах эксплуатацыі.
Фактары ўзроўню датчыка, якія ўплываюць на частату кадраў
Хоць час радка і час чытання кадра вызначаюць асноўныя часавыя абмежаванні датчыка, некалькі наладжвальных параметраў на ўзроўні камеры могуць істотна паўплываць на дасягальную частату кадраў.
Рэгіён цікавасці (ROI)
Колькасць актыўных радкоў пікселяў непасрэдна вызначае час чытання кадра. Змяншэнне вышыні вобласці цікавасці памяншае колькасць радкоў, якія неабходна прачытаць, тым самым скарачаючы працягласць чытання.
Паколькі час чытання кадра маштабуецца прыблізна прапорцыйна колькасці радкоў, скарачэнне вышыні ROI ўдвая можа павялічыць максімальна дасягальную частату кадраў амаль удвая — пры ўмове, што час экспазіцыі і прапускная здольнасць інтэрфейсу не з'яўляюцца абмяжоўваючымі фактарамі. Для прыкладанняў, арыентаваных на невялікую вобласць руху або выяўлення, ROI часта з'яўляецца найбольш эфектыўным спосабам павелічэння хуткасці.
Бінінг і падвыбарка
Аб'яднанне пікселяў аб'ядноўвае суседнія пікселі перад зчытваннем або алічбоўкай, эфектыўна зніжаючы выходную раздзяляльнасць і агульны аб'ём дадзеных. У залежнасці ад архітэктуры датчыка, аб'яднанне можа знізіць патрабаванні да прапускной здольнасці дадзеных і часам палепшыць эфектыўную частату кадраў.
Аднак бінінг не заўсёды скарачае ўнутраны час зчытвання. У многіх CMOS-праектах радкі ўсё яшчэ зчытваюцца паслядоўна, нават калі пікселі аб'ядноўваюцца. У выніку бінінг можа палепшыць эфектыўнасць перадачы дадзеных без істотнай змены ўнутранага часу зчытвання.
Бітавая глыбіня і рэжымы зчытвання
Многіянавуковыя камерыпрапануюць некалькі рэжымаў счытвання, часта ахвяруючы дынамічным дыяпазонам дзеля хуткасці. Напрыклад, 16-бітны рэжым высокага дынамічнага дыяпазону можа аддаваць прыярытэт нізкаму шуму счытвання і вялікай ёмістасці поўнай лункі, у той час як 12-бітны «хуткасны рэжым» можа дасягнуць больш высокай частаты кадраў за кошт зніжэння дакладнасці дадзеных або змены налад узмацнення.
Паколькі большая глыбіня разраднасці павялічвае аб'ём дадзеных на кадр, пераключэнне на меншую глыбіню разраднасці можа знізіць нагрузку на перадачу дадзеных і ў некаторых выпадках дазволіць павялічыць частату кадраў, асабліва калі прапускная здольнасць інтэрфейсу з'яўляецца абмежавальным фактарам.
Узаемадзеянне часу экспазіцыі і частаты кадраў
Частата кадраў вызначаецца не толькі часам счытвання дадзеных з датчыка. Працягласць экспазіцыі таксама можа абмяжоўваць хуткасць атрымання паслядоўных кадраў.
У цэлым, максімальна дасягальная частата кадраў вызначаецца тым, які кампанент часу даўжэйшы: часам экспазіцыі або часам зчытвання кадра. Калі час экспазіцыі карацейшы за час зчытвання, то зчытванне абмяжоўвае частату кадраў. Аднак, калі час экспазіцыі перавышае працягласць зчытвання, экспазіцыя становіцца дамінуючым абмежаваннем.
У многіх CMOS-матрыцах з рухомым затворам экспазіцыя і зчытванне могуць часткова перакрывацца. Пакуль зчытваецца адзін радок, іншыя радкі ўжо могуць інтэграваць святло для наступнага кадра. Гэта перакрыццё дазваляе скараціць час экспазіцыі за час зчытвання поўнага кадра, не абавязкова зніжаючы частату кадраў.
Аднак, калі час экспазіцыі становіцца большым за агульны час зчытвання датчыка — напрыклад, пры здымках пры слабым асвятленні, якія патрабуюць больш працяглай інтэграцыі, — частата кадраў прапарцыйна памяншаецца. У такіх выпадках:
Максімальная частата кадраў ≈ 1 / час экспазіцыі
Пры аптымізацыі хуткасці збору дадзеных важна разумець, ці абмежаваная ваша сістэма счытваннем дадзеных або экспазіцыяй. Павелічэнне ўзмацнення, паляпшэнне асвятлення або скарачэнне неабходнага часу інтэграцыі могуць быць больш эфектыўнымі для павышэння частаты кадраў, чым толькі карэкціроўка ROI або рэжыму счытвання дадзеных.
Абмежаванні прапускной здольнасці інтэрфейсу і прапускной здольнасці дадзеных
Нават калі датчык можа зчытваць кадры з высокай хуткасцю, інтэрфейс паміж камерай і камп'ютарам можа стаць абмежавальным фактарам.
Кожны атрыманы кадр павінен быць перададзены праз канал перадачы дадзеных, напрыклад, USB, Camera Link або PCIe, на камп'ютар для апрацоўкі або захоўвання. Патрэбная прапускная здольнасць залежыць ад:
● Памер кадра (колькасць пікселяў)
● Глыбіня ў бітах (дадзеныя на піксель)
● Частата кадраў
Хуткасць перадачы дадзеных можна ацаніць як:
Хуткасць перадачы дадзеных ≈ (пікселяў на кадр × глыбіня кадраў × частата кадраў)
Напрыклад, датчык з дазволам 2048 × 2048, які працуе з глыбінёй колеру 16 біт і частатой 100 кадраў у секунду, генеруе больш за 800 МБ/с неапрацаваных дадзеных. Калі інтэрфейс не можа падтрымліваць такую прапускную здольнасць, эфектыўная частата кадраў будзе зніжана, альбо кадры могуць часова буферызавацца ўнутры камеры.
У многіх сістэмах зніжэнне ROI або пераход на меншую разраднасць не толькі памяншае час зчытвання, але і памяншае неабходную прапускную здольнасць, дазваляючы інтэрфейсу падтрымліваць больш высокі FPS.
Таму важна адрозніваць:
●Абмежаваная сэнсарам частата кадраў, вызначаецца часам працы лініі і паказаннямі
●Частата кадраў, абмежаваная інтэрфейсам, вызначаецца прапускной здольнасцю і канфігурацыяй сістэмы
Хуткасць захоўвання дадзеных, эфектыўнасць драйвера і накладныя выдаткі на праграмнае забеспячэнне таксама могуць уплываць на рэальную прадукцыйнасць, асабліва падчас працяглага хуткаснага збору дадзеных.
Разуменне таго, дзе знаходзіцца вузкае месца — сінхранізацыя датчыка або перадача дадзеных — мае важнае значэнне пры дыягностыцы абмежаванняў частаты кадраў.
Чаму рэальная частата кадраў ніжэйшая за заяўленую ў спецыфікацыі
Максімальная частата кадраў, указаная ў спецыфікацыі камеры, звычайна разлічваецца ў ідэальных умовах — часта з выкарыстаннем абмежаванай вобласці цікавасці (ROI), кароткага часу экспазіцыі, пэўнага рэжыму счытвання і аптымальнай канфігурацыі інтэрфейсу. На практыцы дасягальная частата кадраў можа быць ніжэйшай з-за некалькіх распаўсюджаных фактараў.
1. Поўны сэнсар супраць паніжанай рэнтабельнасці інвестыцый
Шмат якія максімальныя значэнні FPS пададзены з выкарыстаннем частковай ROI. Калі вы выкарыстоўваеце камеру з поўным дазволам матрыцы, павелічэнне колькасці радкоў непасрэдна павялічвае час чытання кадра, зніжаючы дасягальную частату кадраў.
2. Час экспазіцыі перавышае час зчытвання
Калі час экспазіцыі перавышае час зчытвання кадра датчыкам, гэта становіцца абмежавальным фактарам. Пры здымцы з нізкім асвятленнем больш працяглы час інтэграцыі натуральным чынам зніжае максімальную частату кадраў у секунду, незалежна ад магчымасцей счытвання датчыкам.
3. Рэжымы з большай глыбінёй колеру або HDR
Праца ў 16-бітным рэжыме або рэжыме высокага дынамічнага дыяпазону павялічвае аб'ём дадзеных і можа змяніць час зчытвання. Гэта можа знізіць дасягальную частату кадраў у параўнанні з рэжымамі з меншай бітавай глыбінёй.
4. Абмежаванні прапускной здольнасці інтэрфейсу
Інтэрфейсы USB, Camera Link або PCIe маюць абмежаваную прапускную здольнасць. Калі неабходная хуткасць перадачы дадзеных перавышае ўстойлівую прапускную здольнасць інтэрфейса, эфектыўны FPS можа быць зніжаны або буферызаваны ўнутры сістэмы.
5. Выдаткі на праграмнае забеспячэнне і апрацоўку
Канфігурацыя трыгераў, стратэгія буферызацыі, хуткасць захоўвання дадзеных і нагрузка на апрацоўку могуць паўплываць на ўстойлівую частату кадраў падчас рэальнага захопу дадзеных.
Каб дыягнаставаць разыходжанні ў частаце кадраў, важна вызначыць, ці звязана абмежаванне з часам спрацоўвання датчыка, працягласцю экспазіцыі або прапускной здольнасцю дадзеных. Толькі пасля вызначэння вузкага месца можна эфектыўна аптымізаваць прадукцыйнасць.
Як аптымізаваць частату кадраў для вашага прыкладання
Аптымізацыя частаты кадраў пачынаецца з вызначэння сапраўднага абмежавальнага фактару ў вашай сістэме візуалізацыі. Пасля таго, як вузкае месца будзе зразумета, мэтанакіраваныя карэкціроўкі могуць значна палепшыць хуткасць збору дадзеных.
1. Зменшце рэгіён цікавасці (ROI)
Калі не патрабуецца поўнае разрозненне датчыка, зніжэнне колькасці актыўных радкоў часта з'яўляецца найбольш эфектыўным спосабам павелічэння частаты кадраў. Паколькі час чытання кадраў залежыць ад колькасці радкоў, абмежаванне захопу выявы вобласцю цікавасці можа істотна павялічыць FPS.
2. Адрэгулюйце час экспазіцыі
Калі час экспазіцыі перавышае час зчытвання, гэта становіцца абмежавальным фактарам. Павелічэнне інтэнсіўнасці асвятлення, адпаведная рэгуляванне ўзмацнення або паслабленне патрабаванняў да сігналу могуць дазволіць скараціць час экспазіцыі і павялічыць дасягальную частату кадраў.
3. Выберыце адпаведны рэжым счытвання
Калі магчыма, выкарыстоўвайце рэжым з аптымізацыяй хуткасці, калі высокі дынамічны дыяпазон не мае вырашальнага значэння. Меншая разраднасць або альтэрнатыўныя рэжымы ўзмацнення могуць паменшыць нагрузку на зчытванне і перадачу дадзеных.
4. Праверце інтэрфейс і прапускную здольнасць дадзеных
Пераканайцеся, што прапускная здольнасць інтэрфейса падтрымлівае неабходную хуткасць перадачы дадзеных. Зніжэнне глыбіні разраду, абмежаванне раздзяляльнай здольнасці або мадэрнізацыя канала перадачы дадзеных могуць палепшыць устойлівую прадукцыйнасць.
5. Вызначце дамінуючае абмежаванне
Аптымізацыя частаты кадраў найбольш эфектыўная, калі змены тычацца сапраўднага абмежавальнага кампанента — паказанняў датчыка, працягласці экспазіцыі або прапускной здольнасці інтэрфейсу, — а не карэкціроўкі не звязаных з гэтым параметраў.
Выснова
Частата кадраў камеры не з'яўляецца фіксаванай характарыстыкай, а вынікам сумеснай працы часу датчыка, працягласці экспазіцыі і прапускной здольнасці дадзеных у пэўных умовах эксплуатацыі. Разуменне ўзаемасувязі паміж часам лініі, часам зчытвання кадра, часам экспазіцыі і прапускной здольнасцю інтэрфейса мае важнае значэнне пры ацэнцы або аптымізацыі хуткасці захопу дадзеных. На практыцы дасягальная частата кадраў вызначаецца самым павольным кампанентам у ланцужку візуалізацыі.
At Тусен, прадукцыйнасць частаты кадраў распрацоўваецца і правяраецца з улікам рэальных сістэмных абмежаванняў, у тым ліку архітэктуры счытвання, выбару рэжыму і канфігурацыі інтэрфейсу. Калі ваша прыкладанне патрабуе ўстойлівага хуткаснага збору дадзеных, наша каманда можа дапамагчы ацаніць сапраўдныя абмежаванні прадукцыйнасці ў межах вашага канкрэтнага працоўнага працэсу.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
