2022/02/25A kamera képkockasebessége azt írja le, hogy egy kamera hány képet képes rögzíteni másodpercenként, és gyakran fő specifikációként kezelik a nagy sebességű képalkotó rendszerek értékelésekor. Dinamikus kísérletekben, vizsgálati munkafolyamatokban vagy gyors biológiai folyamatokban a képkockasebesség közvetlenül meghatározza, hogy mennyi időbeli részlet rögzíthető.
A megadott maximális képkockasebesség azonban nem egy rögzített érték. Függ az érzékelő architektúrájától, az érdeklődési területtől (ROI), az expozíciós időtől, a kiolvasási módtól és az adatinterfész sávszélességétől. A gyakorlatban az elérhető képkockasebesség több kölcsönhatásban álló tényező eredménye. Ezen tényezők megértéséhez a képkocka/másodperc számon túlmutató vizsgálatra van szükség, és meg kell vizsgálni, hogyan épül fel a képkockasebesség a kamerarendszeren belül.
Mi a kamera képkockasebessége?
A kamera képkockasebessége azt a képkockák számát jelenti, amelyeket egy kamera másodpercenként képes rögzíteni meghatározott működési feltételek mellett. Általában képkocka/másodpercben (FPS) fejezik ki, és azt jelzi, hogy milyen gyorsan lehet egymást követő képeket rögzíteni és feldolgozásra vagy tárolásra elérhetővé tenni.
A képkockasebesség határozza meg a képalkotó rendszer időbeli felbontását. Dinamikus alkalmazásokban – például részecskekövetésben, nagy sebességű ellenőrzésben vagy gyorsan változó biológiai folyamatokban – a nagyobb képkockasebesség lehetővé teszi a mozgás és az átmeneti események részletesebb megfigyelését.
A képkockasebesség azonban nem egy elszigetelt specifikáció. A maximálisan elérhető FPS a kamera módjától, az érdeklődési területtől (ROI), az expozíciós időtől, a bitmélységtől és az interfész sávszélességétől függ. Az idézett „maximális képkockasebesség” általában bizonyos feltételeket feltételez, például csökkentett ROI-t vagy egy adott kiolvasási módot.
A képkockasebesség valódi korlátozásának megértéséhez meg kell vizsgálni, hogy mennyi időbe telik egyetlen képkocka beolvasása és kiolvasása – ezt képkockaidőnek nevezzük –, amelyet a következő szakaszban tárgyalunk.
Képkockasebesség vs. Képkockaidő vs. Soridő
A képkockasebességet általában képkocka/másodpercben (FPS) fejezik ki, de az FPS nem elsődleges fizikai paraméter. Ez egyetlen képkocka megszerzéséhez és kiolvasásához szükséges idő fordítottja.
Képkockasebesség = 1 / Képkockaidő
Ahhoz, hogy megértsük, mi határozza meg a képkockasebességet, meg kell vizsgálnunk, hogyan épül fel a képkockaidő.
Miből tevődik össze a képkockaidő?
A képkockaidő az egy teljes kép elkészítéséhez szükséges teljes időt jelenti. A legtöbb esetbenCMOS kamerák, ez magában foglalja:
● Expozíciós idő (mennyi ideig gyűjti a fényt az érzékelő)
● Érzékelő leolvasási ideje (mennyi időbe telik a pixelértékek konvertálása és átvitele)
● Adatátviteli idő (interfész átvitel a gazdagépre)
Amikor az expozíciós idő rövid a kiolvasási időhöz képest, a képkockasebességet jellemzően a kiolvasási folyamat korlátozza. Amikor az expozíciós idő hosszú, ehelyett ez válhat a domináns korlátozó tényezővé.
Vonalidő – Az alapvető érzékelőkorlátozás
A CMOS érzékelők esetében a képkockasebességet korlátozó elsődleges belső tényező a soridő. A soridő az az idő, amelyre egy sor analóg-digitális átalakító (ADC) szükséges egy pixelsor méréséhez és digitalizálásához.
A legtöbb architektúrában minden sor szekvenciálisan kerül feldolgozásra. Ennek eredményeként egy keret teljes kiolvasási idejét az aktív sorok számának és a soridőnek szorzata határozza meg:
Keretolvasási idő = Soridő × Sorok száma
1. ábra: Bevezetés a „parallelogram” gördülő redőny időzítési diagramjaiba
Balra:Az érzékelősor (y tengely) időfüggvényének (x tengely) ábrázolása, sárga paralelogrammákkal jelölve az egyes kamerasorok expozícióját a gördülő zár működése miatt.
Jobbra:Nagyítás az egyes sorok szintjére, amely bemutatja a szerepkiolvasást és a visszaállítási játékot a gördülő redőny soridejének meghatározásakor.
Ez magyarázza, hogy az érdeklődési terület (ROI) – konkrétan a pixelsorok számának – csökkentése miért növelheti jelentősen a képkockasebességet. A sorok számának felére csökkentése körülbelül a felére csökkenti a kiolvasási időt, és majdnem megduplázhatja az elérhető FPS-t, feltételezve, hogy más tényezők állandóak.
Maga a soridő változhat a kiolvasási módok között, de egy adott módon belül jellemzően rögzített.
Elméleti és valós képkockasebesség
A specifikációkban szereplő „maximális képkockasebességet” általában kizárólag a képkockaolvasási időből számítják ki. A gyakorlatban a valós képkockasebesség alacsonyabb lehet a következők miatt:
● Hosszabb expozíciós idők
● Interfész sávszélesség-korlátozások
● Szoftveres vagy feldolgozási késedelmek
Emiatt fontos különbséget tenni az elméleti maximális FPS és a tényleges működési körülmények között elérhető képkockasebesség között.
A képkockasebességet befolyásoló érzékelő szintű tényezők
Míg a soridő és a képkockaolvasási idő meghatározza az érzékelő alapvető időkorlátait, számos konfigurálható paraméter a kamera szintjén jelentősen befolyásolhatja az elérhető képkockasebességet.
Érdeklődési régió (ROI)
Az aktív pixelsorok száma közvetlenül meghatározza a képkocka beolvasási idejét. A vizsgált régió magasságának csökkentése csökkenti a beolvasandó sorok számát, ezáltal lerövidíti a kiolvasási időt.
Mivel a képkockaolvasási idő nagyjából a sorok számával skálázódik, a ROI magasságának felére csökkentése majdnem megduplázhatja a maximálisan elérhető képkockasebességet – feltételezve, hogy az expozíciós idő és az interfész sávszélessége nem korlátozó tényezők. A mozgás vagy az érzékelés kis területére összpontosító alkalmazások esetében a ROI gyakran a leghatékonyabb módja a sebesség növelésének.
Csomagolás és almintavételezés
A pixel binning (pixel binning) a kiolvasás vagy digitalizálás előtt egyesíti a szomszédos pixeleket, ezáltal hatékonyan csökkentve a kimeneti felbontást és a teljes adatmennyiséget. Az érzékelő architektúrájától függően a binning csökkentheti az adatátviteli követelményeket, és néha javíthatja a tényleges képkockasebességet.
A szelvényezés azonban nem mindig csökkenti a belső soridőt. Sok CMOS-tervben a sorok továbbra is szekvenciálisan kerülnek olvasásra, még akkor is, ha a pixeleket kombinálják. Ennek eredményeként a szelvényezés javíthatja az adatátvitel hatékonyságát anélkül, hogy jelentősen megváltoztatná a belső kiolvasási időzítést.
Bitmélység és kiolvasási módok
Soktudományos kameráktöbb kiolvasási módot kínálnak, gyakran a dinamikatartományt a sebesség kedvéért cserélve. Például egy 16 bites, nagy dinamikatartományú mód az alacsony olvasási zajt és a nagy teljes kútkapacitást részesítheti előnyben, míg egy 12 bites „sebességmód” nagyobb képkockasebességet érhet el az adatpontosság csökkentésével vagy az erősítési beállítások módosításával.
Mivel a nagyobb bitmélység növeli a képkockánkénti adatmennyiséget, az alacsonyabb bitmélységre váltás csökkentheti az adatátviteli terhelést, és bizonyos esetekben nagyobb képkockasebességet tesz lehetővé – különösen akkor, ha az interfész sávszélessége korlátozó tényező.
Expozíciós idő és képkockasebesség kölcsönhatása
A képkockasebességet nem csak az érzékelő kiolvasási ideje határozza meg. Az expozíció időtartama is korlátozhatja az egymást követő képkockák rögzítésének sebességét.
Általánosságban elmondható, hogy a maximálisan elérhető képkockasebességet az határozza meg, hogy melyik időkomponens hosszabb: az expozíciós idő vagy a képkockaolvasási idő. Ha az expozíciós idő rövidebb, mint a kiolvasási idő, akkor a kiolvasási idő korlátozza a képkockasebességet. Ha azonban az expozíciós idő meghaladja a kiolvasási időtartamot, az expozíció válik a domináns korlátozó tényezővé.
Sok gördülő záras CMOS kialakításban az expozíció és a kiolvasás részben átfedésben lehet. Amíg az egyik sor kiolvasása folyamatban van, más sorok már integrálhatják a fényt a következő képkockához. Ez az átfedés lehetővé teszi, hogy az expozíciós idő rövidebb legyen, mint a teljes képkocka kiolvasási ideje, anélkül, hogy feltétlenül csökkentené a képkockasebességet.
Azonban, amikor az expozíciós idő hosszabb lesz, mint az érzékelő teljes kiolvasási ideje – például gyenge fényviszonyok melletti képalkotás esetén, amely hosszabb integrációs időt igényel –, a képkockasebesség arányosan csökken. Ilyen esetekben:
Maximális képkockasebesség ≈ 1 / Expozíciós idő
A képalkotási sebesség optimalizálásához elengedhetetlen annak megértése, hogy a rendszered kiolvasáskorlátozott vagy expozíciókorlátozott-e. Az erősítés növelése, a megvilágítás javítása vagy a szükséges integrációs idő csökkentése hatékonyabb lehet a képkockasebesség növelésében, mint önmagában a ROI vagy a kiolvasási mód beállítása.
Interfész sávszélesség és adatátviteli korlátok
Még ha egy érzékelő képes is nagy sebességgel képkockákat olvasni, a kamera és a gazdaszámítógép közötti interfész korlátozó tényezővé válhat.
Minden egyes rögzített képkockát adatkapcsolaton – például USB-n, Camera Linken vagy PCIe-n – keresztül kell továbbítani a számítógépre feldolgozás vagy tárolás céljából. A szükséges sávszélesség a következőktől függ:
● Képméret (pixelek száma)
● Bitmélység (adatmennyiség képpontonként)
● Képkockasebesség
Az adatátviteli sebesség a következőképpen becsülhető:
Adatsebesség ≈ (Pixel/képkocka × Bitmélység × Képkockasebesség)
Például egy 2048 × 2048 felbontású érzékelő, amely 16 bites mélységgel és 100 FPS-sel működik, több mint 800 MB/s nyers adatot generál. Ha az interfész nem tudja fenntartani ezt az átviteli sebességet, a tényleges képkockasebesség csökken, vagy a képkockák ideiglenesen pufferelhetők a kamerán belül.
Sok rendszerben a ROI csökkentése vagy az alacsonyabb bitmélységre váltás nemcsak a kiolvasási időt csökkenti, hanem a szükséges sávszélességet is, lehetővé téve az interfész számára a magasabb FPS fenntartását.
Ezért fontos különbséget tenni a következők között:
●Szenzor által korlátozott képkockasebesség, a soridő és a leolvasás alapján meghatározva
●Interfész által korlátozott képkockasebesség, amelyet a sávszélesség és a rendszerkonfiguráció határoz meg
A tárolási sebesség, a meghajtó hatékonysága és a szoftverterhelés szintén befolyásolhatja a valós teljesítményt, különösen a tartós nagysebességű adatgyűjtés során.
A képkockasebesség-korlátok diagnosztizálásakor elengedhetetlen megérteni, hogy hol található a szűk keresztmetszet – az érzékelő időzítése vagy az adatátvitel.
Miért alacsonyabb a valós képkockasebesség a specifikációnál?
A kamera specifikációs lapján feltüntetett maximális képkockasebességet jellemzően ideális körülmények között számítják ki – gyakran csökkentett érdeklődési terület (ROI), rövid expozíciós idő, specifikus kiolvasási mód és optimális interfészkonfiguráció felhasználásával. A gyakorlatban az elérhető képkockasebesség több gyakori tényező miatt alacsonyabb lehet.
1. Teljes szenzor vs. csökkentett megtérülés
Sok maximális FPS-értéket részleges ROI-val adnak meg. Ha a kamerát teljes érzékelőfelbontással működteti, a megnövekedett sorszám közvetlenül növeli a képkockaolvasási időt, csökkentve az elérhető képkockasebességet.
2. Az expozíciós idő meghaladja a leolvasási időt
Ha az expozíciós idő hosszabb, mint a szenzor képkockaolvasási ideje, akkor az válik korlátozó tényezővé. Gyenge fényviszonyok melletti képalkotásnál a hosszabb integrációs idők természetesen csökkentik a maximális FPS-t, függetlenül a szenzor kiolvasási képességétől.
3. Nagyobb bitmélység vagy HDR módok
A 16 bites vagy nagy dinamikatartományú módokban való működés növeli az adatmennyiséget, és megváltoztathatja a kiolvasási időzítést. Ez csökkentheti az elérhető képkockasebességet az alacsonyabb bitmélységű „sebességű” módokhoz képest.
4. Interfész sávszélesség-korlátozások
Az USB, Camera Link vagy PCIe interfészek véges sávszélességgel rendelkeznek. Ha a szükséges adatsebesség meghaladja a tartós interfész átviteli sebességét, a tényleges FPS csökkenthető vagy belsőleg pufferelhető.
5. Szoftver- és feldolgozási többletköltségek
A trigger konfigurációja, a pufferelési stratégia, a tárolási sebesség és a feldolgozási terhelés mind befolyásolhatja a tartós képkockasebességet a valós világbeli adatgyűjtés során.
A képkockasebesség-eltérések diagnosztizálásához fontos azonosítani, hogy a korlátozás az érzékelő időzítéséből, az expozíció időtartamából vagy az adatátviteli sebességből ered-e. Csak a szűk keresztmetszet azonosítása után lehet hatékonyan optimalizálni a teljesítményt.
Hogyan optimalizáljuk a képkockasebességet az alkalmazásunkhoz?
A képkockasebesség optimalizálása a képalkotó rendszer valódi korlátozó tényezőjének azonosításával kezdődik. Miután megértettük a szűk keresztmetszetet, a célzott beállítások jelentősen javíthatják a képalkotási sebességet.
1. Csökkentse az érdeklődési területet (ROI)
Ha nincs szükség a teljes szenzorfelbontásra, az aktív sorok számának csökkentése gyakran a leghatékonyabb módja a képkockasebesség növelésének. Mivel a képkockaolvasási idő a sorok számával skálázódik, az adatgyűjtés az adott területre korlátozása jelentősen növelheti az FPS-t.
2. Állítsa be az expozíciós időt
Amikor az expozíciós idő meghaladja a kiolvasási időt, az válik korlátozó tényezővé. A megvilágítási intenzitás növelése, az erősítés megfelelő beállítása vagy a jelkövetelmények enyhítése rövidebb expozíciós időket és magasabb elérhető képkockasebességet eredményezhet.
3. Válasszon megfelelő leolvasási módot
Ha lehetséges, használjon sebességoptimalizált módot, ha a nagy dinamikatartomány nem kritikus fontosságú. Az alacsonyabb bitmélység vagy az alternatív erősítési módok csökkenthetik a kiolvasási és adatátviteli terhelést.
4. Ellenőrizze az interfészt és az adatátvitelt
Győződjön meg arról, hogy az interfész sávszélessége támogatja a szükséges adatsebességet. A bitmélység csökkentése, a felbontás korlátozása vagy az adatkapcsolat frissítése javíthatja a fenntartható teljesítményt.
5. Azonosítsa a domináns korlátot
A képkockasebesség-optimalizálás akkor a leghatékonyabb, ha a változtatások a valódi korlátozó tényezőt – az érzékelő leolvasását, az expozíció időtartamát vagy az interfész sávszélességét – célozzák, ahelyett, hogy a nem kapcsolódó paramétereket módosítanák.
Következtetés
A kamera képkockasebessége nem egy rögzített specifikáció, hanem az érzékelő időzítésének, az expozíciós időtartamnak és az adatátviteli sebességnek az eredménye, amely adott működési körülmények között együttesen működik. A soridő, a képkockaolvasási idő, az expozíciós idő és az interfész sávszélessége közötti kapcsolat megértése elengedhetetlen a képalkotási sebesség értékelésekor vagy optimalizálásakor. A gyakorlatban az elérhető képkockasebességet a képalkotási lánc leglassabb komponense határozza meg.
At TucsenA képkockasebesség-teljesítményt valós rendszerkorlátok között tervezzük és validáljuk – beleértve a kiolvasási architektúrát, a módválasztást és az interfész konfigurációját. Ha alkalmazása tartós nagysebességű adatgyűjtést igényel, csapatunk segíthet a valódi teljesítménykorlátok felmérésében az Ön adott munkafolyamatán belül.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Minden jog fenntartva. Hivatkozáskor kérjük, tüntesse fel a forrást:www.tucsen.com
