25/02/2022La velocidad de fotogramas de una cámara describe cuántas imágenes puede capturar por segundo y suele considerarse una especificación clave al evaluar sistemas de imagen de alta velocidad. En experimentos dinámicos, flujos de trabajo de inspección o procesos biológicos rápidos, la velocidad de fotogramas determina directamente la cantidad de detalles temporales que se pueden capturar.
Sin embargo, la velocidad de fotogramas máxima especificada no es un valor fijo. Depende de la arquitectura del sensor, la región de interés (ROI), el tiempo de exposición, el modo de lectura y el ancho de banda de la interfaz de datos. En la práctica, la velocidad de fotogramas alcanzable es el resultado de múltiples factores que interactúan entre sí. Para comprender estos factores, es necesario ir más allá de los fotogramas por segundo y analizar cómo se construye el tiempo de fotograma dentro del sistema de la cámara.
¿Qué es la velocidad de fotogramas de la cámara?
La velocidad de fotogramas de una cámara se refiere a la cantidad de fotogramas que puede capturar por segundo bajo un conjunto definido de condiciones de funcionamiento. Generalmente se expresa en fotogramas por segundo (FPS) e indica la rapidez con la que se pueden capturar imágenes sucesivas y ponerlas a disposición para su procesamiento o almacenamiento.
La velocidad de fotogramas determina la resolución temporal de un sistema de imagen. En aplicaciones dinámicas, como el seguimiento de partículas, la inspección a alta velocidad o los procesos biológicos que cambian rápidamente, una mayor velocidad de fotogramas permite una observación más detallada del movimiento y los eventos transitorios.
Sin embargo, la velocidad de fotogramas no es una especificación aislada. La velocidad máxima alcanzable depende del modo de la cámara, la región de interés (ROI), el tiempo de exposición, la profundidad de bits y el ancho de banda de la interfaz. La "velocidad máxima de fotogramas" indicada suele basarse en condiciones específicas, como una ROI reducida o un modo de lectura particular.
Para comprender qué limita realmente la velocidad de fotogramas, es necesario examinar cuánto tiempo se tarda en adquirir y leer un solo fotograma, lo que se conoce como tiempo de fotograma, tema que se explora en la siguiente sección.
Velocidad de fotogramas vs. Tiempo de fotograma vs. Tiempo de línea
La velocidad de fotogramas se suele expresar en fotogramas por segundo (FPS), pero los FPS no son un parámetro físico fundamental. Son el inverso del tiempo necesario para adquirir y leer un solo fotograma.
Velocidad de fotogramas = 1 / Tiempo de fotograma
Para comprender qué determina la velocidad de fotogramas, debemos examinar cómo se construye el tiempo de fotograma.
¿Qué compone el tiempo de fotograma?
El tiempo de fotograma representa el tiempo total necesario para producir una imagen completa. En la mayoría de los casoscámaras CMOSEsto incluye:
● Tiempo de exposición (cuánto tiempo recoge luz el sensor)
● Tiempo de lectura del sensor (cuánto tiempo se tarda en convertir y transferir valores de píxeles)
● Tiempo de transferencia de datos (transmisión de interfaz al ordenador anfitrión)
Cuando el tiempo de exposición es corto en relación con el tiempo de lectura, la velocidad de fotogramas suele estar limitada por el proceso de lectura. Cuando el tiempo de exposición es largo, puede convertirse en el factor limitante dominante.
Tiempo de línea: la limitación fundamental del sensor
En los sensores CMOS, el principal factor interno que limita la velocidad de fotogramas es el tiempo de línea. El tiempo de línea es el tiempo que tarda una fila de convertidores analógico-digitales (ADC) en medir y digitalizar una fila de píxeles.
En la mayoría de las arquitecturas, cada fila se procesa secuencialmente. Como resultado, el tiempo total de lectura de un fotograma viene determinado por el número de filas activas multiplicado por el tiempo de línea:
Tiempo de lectura del fotograma = Tiempo de línea × Número de filas
Figura 1: Introducción a los diagramas de temporización de obturadores rodantes de tipo "paralelogramo".
Izquierda:Gráfico que muestra la fila de sensores (eje y) en función del tiempo (eje x), donde los paralelogramos amarillos indican la exposición de cada fila de la cámara debido a la acción del obturador rodante.
Bien:Un acercamiento al nivel de fila individual ilustra el papel que desempeñan la lectura y el reinicio en la determinación del tiempo de línea del obturador rodante.
Esto explica por qué reducir la región de interés (ROI), específicamente el número de filas de píxeles, puede aumentar significativamente la velocidad de fotogramas. Reducir a la mitad el número de filas reduce aproximadamente a la mitad el tiempo de lectura y puede casi duplicar los FPS alcanzables, suponiendo que los demás factores permanezcan constantes.
El tiempo de línea en sí puede variar entre los distintos modos de lectura, pero dentro de un modo determinado suele ser fijo.
Velocidad de fotogramas teórica frente a velocidad de fotogramas real
La “velocidad máxima de fotogramas” que se indica en las especificaciones generalmente se calcula a partir únicamente del tiempo de lectura de fotogramas. En la práctica, la velocidad de fotogramas real puede ser menor debido a:
● Tiempos de exposición más prolongados
● Limitaciones del ancho de banda de la interfaz
● Retrasos en el software o en el procesamiento
Por este motivo, es importante distinguir entre la velocidad de fotogramas máxima teórica (FPS) y la velocidad de fotogramas que se puede alcanzar en las condiciones de funcionamiento reales.
Factores a nivel de sensor que afectan la velocidad de fotogramas
Si bien el tiempo de línea y el tiempo de lectura de fotograma definen los límites de temporización fundamentales de un sensor, varios parámetros configurables a nivel de la cámara pueden influir significativamente en la velocidad de fotogramas alcanzable.
Región de Interés (ROI)
El número de filas de píxeles activas determina directamente el tiempo de lectura del fotograma. Reducir la altura de la región de interés disminuye el número de filas que deben leerse, acortando así la duración de la lectura.
Dado que el tiempo de lectura de fotogramas es aproximadamente proporcional al número de filas, reducir a la mitad la altura de la región de interés (ROI) puede casi duplicar la velocidad máxima de fotogramas alcanzable, siempre que el tiempo de exposición y el ancho de banda de la interfaz no sean factores limitantes. Para aplicaciones centradas en un área pequeña de movimiento o detección, la ROI suele ser la forma más eficaz de aumentar la velocidad.
Agrupación y submuestreo
La agrupación de píxeles combina los píxeles adyacentes antes de la lectura o digitalización, lo que reduce la resolución de salida y el volumen total de datos. Dependiendo de la arquitectura del sensor, la agrupación puede reducir los requisitos de transmisión de datos y, en ocasiones, mejorar la velocidad de fotogramas efectiva.
Sin embargo, la agrupación de píxeles no siempre reduce el tiempo de línea interno. En muchos diseños CMOS, las filas se leen secuencialmente incluso cuando se combinan píxeles. Por lo tanto, la agrupación de píxeles puede mejorar la eficiencia de la transferencia de datos sin alterar significativamente la temporización intrínseca de lectura.
Profundidad de bits y modos de lectura
Muchoscámaras científicasOfrecen múltiples modos de lectura, a menudo priorizando la velocidad sobre el rango dinámico. Por ejemplo, un modo de alto rango dinámico de 16 bits puede priorizar el bajo ruido de lectura y una gran capacidad de pozo completo, mientras que un "modo de velocidad" de 12 bits puede lograr velocidades de fotogramas más altas reduciendo la precisión de los datos o modificando la configuración de amplificación.
Dado que una mayor profundidad de bits aumenta la cantidad de datos por fotograma, cambiar a una menor profundidad de bits puede reducir la carga de transferencia de datos y, en algunos casos, permitir velocidades de fotogramas más altas, especialmente cuando el ancho de banda de la interfaz es un factor limitante.
Interacción entre el tiempo de exposición y la velocidad de fotogramas
La velocidad de fotogramas no está determinada únicamente por el tiempo de lectura del sensor. La duración de la exposición también puede limitar la rapidez con la que se pueden adquirir fotogramas sucesivos.
En general, la velocidad de fotogramas máxima que se puede alcanzar viene determinada por el componente temporal que sea más largo: el tiempo de exposición o el tiempo de lectura del fotograma. Si el tiempo de exposición es menor que el tiempo de lectura, este último limita la velocidad de fotogramas. Sin embargo, si el tiempo de exposición supera la duración de la lectura, la exposición se convierte en la limitación principal.
En muchos diseños CMOS de obturador rodante, la exposición y la lectura pueden superponerse parcialmente. Mientras se lee una fila, otras filas ya pueden estar integrando luz para el siguiente fotograma. Esta superposición permite que el tiempo de exposición sea menor que el tiempo de lectura de un fotograma completo sin reducir necesariamente la velocidad de fotogramas.
Sin embargo, cuando el tiempo de exposición supera el tiempo total de lectura del sensor —como ocurre en la captura de imágenes con poca luz que requiere una integración más prolongada— la velocidad de fotogramas disminuye proporcionalmente. En tales casos:
Velocidad máxima de fotogramas ≈ 1 / Tiempo de exposición
Para optimizar la velocidad de adquisición, es fundamental comprender si el sistema está limitado por la lectura o por la exposición. Aumentar la ganancia, mejorar la iluminación o reducir el tiempo de integración necesario puede ser más eficaz para incrementar la velocidad de fotogramas que ajustar únicamente la región de interés (ROI) o el modo de lectura.
Limitaciones del ancho de banda de la interfaz y del rendimiento de datos
Aunque un sensor pueda leer fotogramas a alta velocidad, la interfaz entre la cámara y el ordenador anfitrión puede convertirse en el factor limitante.
Cada fotograma adquirido debe transferirse a través de un enlace de datos —como USB, Camera Link o PCIe— al ordenador para su procesamiento o almacenamiento. El ancho de banda requerido depende de:
● Tamaño del fotograma (número de píxeles)
● Profundidad de bits (datos por píxel)
● Velocidad de fotogramas
La tasa de datos se puede estimar como:
Tasa de datos ≈ (Píxeles por fotograma × Profundidad de bits × Velocidad de fotogramas)
Por ejemplo, un sensor de 2048 × 2048 píxeles que funciona con una profundidad de 16 bits y 100 fotogramas por segundo genera más de 800 MB/s de datos sin procesar. Si la interfaz no puede soportar este flujo de datos, la velocidad de fotogramas efectiva se reducirá o los fotogramas se almacenarán temporalmente en la cámara.
En muchos sistemas, reducir la región de interés (ROI) o cambiar a una profundidad de bits menor no solo disminuye el tiempo de lectura, sino que también reduce el ancho de banda necesario, lo que permite que la interfaz mantenga una mayor velocidad de fotogramas por segundo (FPS).
Por lo tanto, es importante distinguir entre:
●Velocidad de fotogramas limitada por el sensor, determinado por el tiempo de línea y la lectura
●Velocidad de fotogramas limitada por la interfaz, determinado por el ancho de banda y la configuración del sistema
La velocidad de almacenamiento, la eficiencia del controlador y la sobrecarga del software también pueden influir en el rendimiento en el mundo real, especialmente durante la adquisición sostenida a alta velocidad.
Comprender dónde reside el cuello de botella —ya sea en la sincronización del sensor o en la transferencia de datos— es fundamental para diagnosticar las limitaciones de la velocidad de fotogramas.
¿Por qué tu velocidad de fotogramas real es inferior a la especificada?
La velocidad de fotogramas máxima indicada en la hoja de especificaciones de una cámara se calcula normalmente en condiciones ideales, utilizando a menudo una región de interés (ROI) reducida, un tiempo de exposición corto, un modo de lectura específico y una configuración de interfaz óptima. En la práctica, la velocidad de fotogramas alcanzable puede ser inferior debido a diversos factores comunes.
1. Sensor completo frente a ROI reducido
Muchos valores máximos de FPS se indican utilizando una región de interés (ROI) parcial. Si se utiliza la cámara con la resolución completa del sensor, el aumento en el número de filas incrementa directamente el tiempo de lectura de fotogramas, lo que reduce la velocidad de fotogramas alcanzable.
2. El tiempo de exposición excede el tiempo de lectura.
Si el tiempo de exposición es mayor que el tiempo de lectura de fotogramas del sensor, se convierte en el factor limitante. En la captura de imágenes con poca luz, los tiempos de integración más largos reducen naturalmente la velocidad máxima de fotogramas por segundo (FPS), independientemente de la capacidad de lectura del sensor.
3. Mayor profundidad de bits o modos HDR
Operar en modos de 16 bits o de alto rango dinámico aumenta el volumen de datos y puede alterar la sincronización de lectura. Esto puede reducir la velocidad de fotogramas alcanzable en comparación con los modos de "velocidad" de menor profundidad de bits.
4. Limitaciones del ancho de banda de la interfaz
Las interfaces USB, Camera Link o PCIe tienen un ancho de banda limitado. Si la velocidad de datos requerida supera el rendimiento sostenido de la interfaz, la velocidad de fotogramas efectiva (FPS) puede reducirse o almacenarse internamente.
5. Costos indirectos de software y procesamiento
La configuración del disparador, la estrategia de almacenamiento en búfer, la velocidad de almacenamiento y la carga de procesamiento pueden afectar la velocidad de fotogramas sostenida durante la adquisición en el mundo real.
Para diagnosticar discrepancias en la velocidad de fotogramas, es importante determinar si la limitación se origina en la sincronización del sensor, la duración de la exposición o el flujo de datos. Solo después de identificar el cuello de botella se puede optimizar el rendimiento de manera efectiva.
Cómo optimizar la velocidad de fotogramas para su aplicación
La optimización de la velocidad de fotogramas comienza por identificar el factor limitante real en su sistema de imagen. Una vez comprendido el cuello de botella, los ajustes específicos pueden mejorar significativamente la velocidad de adquisición.
1. Reducir la región de interés (ROI)
Si no se requiere la resolución máxima del sensor, reducir el número de filas activas suele ser la forma más eficaz de aumentar la velocidad de fotogramas. Dado que el tiempo de lectura de fotogramas aumenta con el número de filas, limitar la adquisición al área de interés puede incrementar sustancialmente los FPS.
2. Ajustar el tiempo de exposición
Cuando el tiempo de exposición supera el tiempo de lectura, se convierte en el factor limitante. Aumentar la intensidad de la iluminación, ajustar la ganancia adecuadamente o flexibilizar los requisitos de la señal pueden permitir tiempos de exposición más cortos y velocidades de fotogramas más altas.
3. Seleccione un modo de lectura apropiado.
Si está disponible, utilice un modo optimizado para velocidad cuando el alto rango dinámico no sea crítico. Una menor profundidad de bits o modos de amplificación alternativos pueden reducir la carga de lectura y transferencia de datos.
4. Comprobar la interfaz y el rendimiento de los datos.
Asegúrese de que el ancho de banda de la interfaz admita la velocidad de datos requerida. Reducir la profundidad de bits, limitar la resolución o actualizar el enlace de datos puede mejorar el rendimiento sostenido.
5. Identificar la restricción dominante
La optimización de la velocidad de fotogramas es más eficaz cuando los cambios abordan el componente limitante real (lectura del sensor, duración de la exposición o ancho de banda de la interfaz) en lugar de ajustar parámetros no relacionados.
Conclusión
La velocidad de fotogramas de la cámara no es una especificación fija, sino el resultado de la interacción entre la sincronización del sensor, la duración de la exposición y el flujo de datos bajo condiciones operativas específicas. Comprender la relación entre el tiempo de línea, el tiempo de lectura de fotogramas, el tiempo de exposición y el ancho de banda de la interfaz es fundamental para evaluar u optimizar la velocidad de adquisición. En la práctica, la velocidad de fotogramas alcanzable viene determinada por el componente más lento de la cadena de procesamiento de imágenes.
At TucsonEl rendimiento de la velocidad de fotogramas se diseña y valida dentro de las limitaciones reales del sistema, incluyendo la arquitectura de lectura, la selección de modo y la configuración de la interfaz. Si su aplicación requiere una adquisición de alta velocidad continua, nuestro equipo puede ayudarle a evaluar los límites reales de rendimiento dentro de su flujo de trabajo específico.
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