25/02/2022La fréquence d'acquisition d'images d'une caméra indique le nombre d'images qu'elle peut acquérir par seconde et constitue souvent un critère essentiel lors de l'évaluation des systèmes d'imagerie haute vitesse. Dans les expériences dynamiques, les flux de travail d'inspection ou les processus biologiques rapides, la fréquence d'acquisition détermine directement la quantité de détails temporels pouvant être capturés.
Cependant, la fréquence d'images maximale spécifiée n'est pas une valeur fixe. Elle dépend de l'architecture du capteur, de la zone d'intérêt (ROI), du temps d'exposition, du mode de lecture et de la bande passante de l'interface de données. En pratique, la fréquence d'images atteignable résulte de multiples facteurs interagissant. Comprendre ces facteurs implique d'aller au-delà des images par seconde et d'examiner comment le temps d'image est construit au sein du système de la caméra.
Qu'est-ce que la fréquence d'images d'une caméra ?
La fréquence d'images d'une caméra correspond au nombre d'images qu'elle peut acquérir par seconde dans des conditions de fonctionnement définies. Elle est généralement exprimée en images par seconde (IPS) et représente la rapidité avec laquelle des images successives peuvent être capturées et mises à disposition pour traitement ou stockage.
La fréquence d'acquisition détermine la résolution temporelle d'un système d'imagerie. Dans les applications dynamiques, telles que le suivi de particules, l'inspection à grande vitesse ou les processus biologiques à évolution rapide, des fréquences d'acquisition plus élevées permettent une observation plus détaillée des mouvements et des événements transitoires.
Cependant, la fréquence d'images n'est pas une spécification isolée. Le nombre maximal d'images par seconde (IPS) dépend du mode de la caméra, de la zone d'intérêt (ROI), du temps d'exposition, de la profondeur de bits et de la bande passante de l'interface. Une « fréquence d'images maximale » annoncée suppose généralement des conditions spécifiques, comme une ROI réduite ou un mode de lecture particulier.
Pour comprendre ce qui limite réellement la fréquence d'images, il faut examiner le temps nécessaire pour acquérir et lire une seule image — appelé temps d'image —, qui est exploré dans la section suivante.
Fréquence d'images vs Temps d'image vs Temps de ligne
La fréquence d'images est généralement exprimée en images par seconde (IPS), mais les IPS ne constituent pas un paramètre physique direct. Elles représentent l'inverse du temps nécessaire à l'acquisition et à la lecture d'une seule image.
Fréquence d'images = 1 / Durée d'une image
Pour comprendre ce qui détermine la fréquence d'images, nous devons donc examiner comment le temps d'image est construit.
Qu'est-ce qui compose le temps d'image ?
Le temps d'acquisition d'une image représente le temps total nécessaire à la production d'une image complète. Dans la plupart des cas,Caméras CMOS, cela inclut :
● Temps d'exposition (combien de temps le capteur capte la lumière)
● Temps de lecture du capteur (combien de temps faut-il pour convertir et transférer les valeurs des pixels)
● Temps de transfert des données (transmission de l'interface à l'ordinateur hôte)
Lorsque le temps d'exposition est court par rapport au temps de lecture, la fréquence d'images est généralement limitée par le processus de lecture. En revanche, lorsque le temps d'exposition est long, il peut devenir le facteur limitant prédominant.
Temps d'attente en ligne — La contrainte fondamentale du capteur
Pour les capteurs CMOS, le principal facteur interne limitant la fréquence d'images est le temps de ligne. Le temps de ligne correspond au temps nécessaire à une rangée de convertisseurs analogique-numérique (CAN) pour mesurer et numériser une ligne de pixels.
Dans la plupart des architectures, chaque ligne est traitée séquentiellement. Par conséquent, le temps de lecture total d'une trame est déterminé par le nombre de lignes actives multiplié par le temps de ligne :
Temps de lecture de la trame = Temps de ligne × Nombre de lignes
Figure 1 : Introduction aux diagrammes de synchronisation de l'obturateur roulant « Parallélogramme »
Gauche:Graphique de la rangée de capteurs (axe y) en fonction du temps (axe x), avec des parallélogrammes jaunes marquant l'exposition de chaque rangée de caméra due à l'action de l'obturateur roulant.
Droite:Un zoom sur le niveau de chaque rangée, illustrant le rôle que jouent la lecture et la réinitialisation dans la détermination du temps de la ligne à obturateur roulant.
Ceci explique pourquoi la réduction de la zone d'intérêt (ROI), et plus précisément du nombre de lignes de pixels, peut augmenter significativement la fréquence d'images. Diviser par deux le nombre de lignes divise approximativement par deux le temps de lecture et peut presque doubler le nombre d'images par seconde (IPS) atteignable, toutes choses égales par ailleurs.
La durée de la ligne peut varier selon les modes de lecture, mais elle est généralement fixe au sein d'un même mode.
Fréquence d'images théorique vs réelle
La « fréquence d'images maximale » indiquée dans les spécifications est généralement calculée uniquement à partir du temps de lecture de l'image. En pratique, la fréquence d'images réelle peut être inférieure pour diverses raisons :
● Temps d'exposition plus longs
● Limitations de la bande passante de l'interface
● Retards logiciels ou de traitement
C’est pourquoi il est important de faire la distinction entre le nombre maximal d’images par seconde théorique et le taux d’images par seconde réellement atteignable dans vos conditions d’utilisation réelles.
Facteurs liés aux capteurs qui affectent la fréquence d'images
Alors que le temps de ligne et le temps de lecture d'image définissent les limites de synchronisation fondamentales d'un capteur, plusieurs paramètres configurables au niveau de la caméra peuvent influencer considérablement la fréquence d'images atteignable.
Région d'intérêt (ROI)
Le nombre de lignes de pixels actives détermine directement le temps de lecture de l'image. Réduire la hauteur de la zone d'intérêt diminue le nombre de lignes à lire, et donc la durée de lecture.
Comme le temps de lecture d'une image est approximativement proportionnel au nombre de lignes, réduire de moitié la hauteur de la zone d'intérêt (ROI) peut quasiment doubler la fréquence d'images maximale atteignable, à condition que le temps d'exposition et la bande passante de l'interface ne soient pas des facteurs limitants. Pour les applications axées sur une petite zone de mouvement ou de détection, la ROI est souvent la méthode la plus efficace pour augmenter la vitesse.
Regroupement et sous-échantillonnage
Le regroupement de pixels combine les pixels adjacents avant la lecture ou la numérisation, réduisant ainsi la résolution de sortie et le volume total de données. Selon l'architecture du capteur, il peut réduire le débit de données requis et parfois améliorer la fréquence d'images effective.
Cependant, le regroupement de pixels ne réduit pas toujours le temps de lecture interne. Dans de nombreuses conceptions CMOS, les lignes sont toujours lues séquentiellement, même lorsque les pixels sont combinés. Par conséquent, le regroupement de pixels peut améliorer l'efficacité du transfert de données sans modifier significativement le temps de lecture intrinsèque.
Profondeur de bits et modes de lecture
Beaucoupcaméras scientifiquesCes dispositifs offrent plusieurs modes de lecture, privilégiant souvent la vitesse au détriment de la plage dynamique. Par exemple, un mode HDR 16 bits peut privilégier un faible bruit de lecture et une grande capacité de puits, tandis qu'un « mode vitesse » 12 bits peut atteindre des fréquences d'images plus élevées en réduisant la précision des données ou en modifiant les paramètres d'amplification.
Étant donné qu'une profondeur de bits plus élevée augmente la quantité de données par trame, le passage à une profondeur de bits inférieure peut réduire la charge de transfert de données et, dans certains cas, permettre des fréquences d'images plus élevées, notamment lorsque la bande passante de l'interface est un facteur limitant.
Interaction entre le temps d'exposition et la fréquence d'images
La fréquence d'images ne dépend pas uniquement du temps de lecture du capteur. La durée d'exposition peut également limiter la rapidité d'acquisition des images successives.
En général, la fréquence d'images maximale est déterminée par la durée la plus longue : le temps d'exposition ou le temps de lecture de l'image. Si le temps d'exposition est plus court que le temps de lecture, c'est ce dernier qui limite la fréquence d'images. En revanche, si le temps d'exposition est plus long que le temps de lecture, l'exposition devient la contrainte principale.
Dans de nombreux capteurs CMOS à obturateur roulant, l'exposition et la lecture peuvent se chevaucher partiellement. Pendant la lecture d'une ligne, d'autres lignes peuvent déjà intégrer la lumière pour l'image suivante. Ce chevauchement permet de réduire le temps d'exposition par rapport au temps de lecture complet d'une image, sans pour autant diminuer la fréquence d'images.
Cependant, lorsque le temps d'exposition dépasse le temps de lecture total du capteur (par exemple, en imagerie en faible luminosité nécessitant une intégration plus longue), la fréquence d'images diminue proportionnellement. Dans ce cas :
Fréquence d'images maximale ≈ 1 / Temps d'exposition
Il est essentiel de déterminer si votre système est limité par la vitesse de lecture ou par le temps d'exposition pour optimiser la vitesse d'acquisition. Augmenter le gain, améliorer l'éclairage ou réduire le temps d'intégration requis peut s'avérer plus efficace pour accroître la fréquence d'images que de simplement ajuster la zone d'intérêt ou le mode de lecture.
Limitations de la bande passante de l'interface et du débit de données
Même si un capteur peut lire des images à grande vitesse, l'interface entre la caméra et l'ordinateur hôte peut devenir le facteur limitant.
Chaque image acquise doit être transférée via une liaison de données (USB, Camera Link ou PCIe, par exemple) vers l'ordinateur pour traitement ou stockage. La bande passante requise dépend de :
● Taille de l'image (nombre de pixels)
● Profondeur de bits (données par pixel)
● Fréquence d'images
Le débit de données peut être estimé comme suit :
Débit de données ≈ (Pixels par image × Profondeur de bits × Fréquence d'images)
Par exemple, un capteur 2048 × 2048 fonctionnant en 16 bits à 100 images par seconde génère plus de 800 Mo/s de données brutes. Si l'interface ne peut pas supporter ce débit, la fréquence d'images effective sera réduite, ou les images pourront être temporairement mises en mémoire tampon dans la caméra.
Dans de nombreux systèmes, la réduction du ROI ou le passage à une profondeur de bits inférieure diminue non seulement le temps de lecture, mais aussi la bande passante requise, permettant à l'interface de supporter un nombre d'images par seconde plus élevé.
Il est donc important de faire la distinction entre :
●Fréquence d'images limitée par le capteur, déterminé par le temps de ligne et la lecture
●Fréquence d'images limitée par l'interface, déterminée par la bande passante et la configuration du système
La vitesse de stockage, l'efficacité des pilotes et la surcharge logicielle peuvent également influencer les performances réelles, notamment lors d'une acquisition à haute vitesse soutenue.
Il est essentiel de comprendre où se situe le goulot d'étranglement (synchronisation des capteurs ou transfert de données) pour diagnostiquer les limitations de fréquence d'images.
Pourquoi votre fréquence d'images réelle est inférieure aux spécifications
La fréquence d'images maximale indiquée dans la fiche technique d'un appareil photo est généralement calculée dans des conditions idéales, souvent avec une zone d'intérêt réduite, un temps d'exposition court, un mode de lecture spécifique et une configuration d'interface optimale. En pratique, la fréquence d'images réelle peut être inférieure en raison de plusieurs facteurs courants.
1. Capteur complet vs retour sur investissement réduit
De nombreuses valeurs de FPS maximales sont indiquées à l'aide d'une zone d'intérêt partielle. Si vous utilisez la caméra à la résolution maximale du capteur, l'augmentation du nombre de lignes accroît directement le temps de lecture des images, réduisant ainsi la fréquence d'images maximale.
2. Le temps d'exposition dépasse le temps de lecture
Si le temps d'exposition est supérieur au temps de lecture d'image du capteur, il devient le facteur limitant. En imagerie en faible luminosité, des temps d'intégration plus longs réduisent naturellement la fréquence d'images maximale, quelle que soit la capacité de lecture du capteur.
3. Modes de profondeur de bits supérieure ou HDR
Le fonctionnement en mode 16 bits ou à plage dynamique étendue augmente le volume de données et peut modifier le temps de lecture. Cela peut réduire la fréquence d'images maximale par rapport aux modes « rapides » à plus faible profondeur de bits.
4. Limitations de la bande passante de l'interface
Les interfaces USB, Camera Link ou PCIe ont une bande passante limitée. Si le débit de données requis dépasse le débit soutenu de l'interface, le nombre d'images par seconde (IPS) effectif peut être réduit ou mis en mémoire tampon en interne.
5. Frais généraux liés aux logiciels et au traitement
La configuration du déclencheur, la stratégie de mise en mémoire tampon, la vitesse de stockage et la charge de traitement peuvent toutes affecter la fréquence d'images soutenue lors d'une acquisition en conditions réelles.
Pour diagnostiquer les anomalies de fréquence d'images, il est essentiel de déterminer si la limitation provient de la synchronisation du capteur, de la durée d'exposition ou du débit de données. Ce n'est qu'après avoir identifié le goulot d'étranglement que les performances pourront être optimisées efficacement.
Comment optimiser la fréquence d'images de votre application
L'optimisation de la fréquence d'images commence par l'identification du véritable facteur limitant de votre système d'imagerie. Une fois le goulot d'étranglement identifié, des ajustements ciblés peuvent améliorer considérablement la vitesse d'acquisition.
1. Réduire la région d'intérêt (ROI)
Si la résolution maximale du capteur n'est pas nécessaire, réduire le nombre de lignes actives est souvent la méthode la plus efficace pour augmenter la fréquence d'images. Le temps de lecture des images étant proportionnel au nombre de lignes, limiter l'acquisition à la zone d'intérêt peut considérablement améliorer le nombre d'images par seconde.
2. Ajuster le temps d'exposition
Lorsque le temps d'exposition dépasse le temps de lecture, il devient le facteur limitant. Augmenter l'intensité lumineuse, ajuster le gain de manière appropriée ou assouplir les exigences relatives au signal permet de réduire les temps d'exposition et d'atteindre des fréquences d'images plus élevées.
3. Sélectionnez un mode d'affichage approprié
Si possible, utilisez un mode optimisé pour la vitesse lorsque la plage dynamique élevée n'est pas essentielle. Une profondeur de bits inférieure ou des modes d'amplification alternatifs peuvent réduire la charge de lecture et de transfert de données.
4. Vérifier l'interface et le débit de données
Vérifiez que la bande passante de l'interface supporte le débit de données requis. Réduire la profondeur de bits, limiter la résolution ou mettre à niveau la liaison de données peut améliorer les performances soutenues.
5. Identifier la contrainte dominante
L'optimisation de la fréquence d'images est plus efficace lorsque les modifications portent sur le véritable élément limitant (lecture du capteur, durée d'exposition ou bande passante de l'interface) plutôt que sur des paramètres sans rapport.
Conclusion
La fréquence d'images d'une caméra n'est pas une valeur fixe, mais résulte de la synchronisation du capteur, du temps d'exposition et du débit de données, le tout dans des conditions de fonctionnement spécifiques. Il est essentiel de comprendre la relation entre le temps de ligne, le temps de lecture d'image, le temps d'exposition et la bande passante de l'interface pour évaluer ou optimiser la vitesse d'acquisition. En pratique, la fréquence d'images maximale est déterminée par le composant le plus lent de la chaîne d'imagerie.
At TucsenLes performances en termes de fréquence d'images sont conçues et validées en fonction des contraintes réelles du système, notamment l'architecture de lecture, le mode de capture et la configuration de l'interface. Si votre application nécessite une acquisition rapide et continue, notre équipe peut vous aider à évaluer les limites de performance réelles au sein de votre flux de travail spécifique.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tous droits réservés. Veuillez citer la source :www.tucsen.com
