2022/02/25Kameros kadrų dažnis apibūdina, kiek vaizdų kamera gali užfiksuoti per sekundę, ir dažnai laikomas pagrindine specifikacija vertinant didelės spartos vaizdo gavimo sistemas. Dinaminiuose eksperimentuose, tikrinimo darbo eigose ar greituose biologiniuose procesuose kadrų dažnis tiesiogiai lemia, kiek laiko detalių galima užfiksuoti.
Tačiau nurodytas maksimalus kadrų dažnis nėra fiksuota vertė. Jis priklauso nuo jutiklio architektūros, dominančios srities (ROI), ekspozicijos laiko, nuskaitymo režimo ir duomenų sąsajos pralaidumo. Praktiškai pasiekiamas kadrų dažnis yra daugelio sąveikaujančių veiksnių rezultatas. Norint suprasti šiuos veiksnius, reikia pažvelgti ne tik į kadrų skaičių per sekundę ir išnagrinėti, kaip kadrų greitis konstruojamas kameros sistemoje.
Kas yra kameros kadrų dažnis?
Kameros kadrų dažnis reiškia kadrų skaičių, kurį kamera gali užfiksuoti per sekundę esant apibrėžtoms veikimo sąlygoms. Paprastai jis išreiškiamas kadrais per sekundę (FPS) ir rodo, kaip greitai galima užfiksuoti ir pateikti apdorojimui arba saugojimui iš eilės einančius vaizdus.
Kadrų dažnis lemia vaizdo gavimo sistemos laikinę skiriamąją gebą. Dinaminėse srityse, tokiose kaip dalelių sekimas, greitaeigis tikrinimas ar sparčiai kintantys biologiniai procesai, didesnis kadrų dažnis leidžia detaliau stebėti judėjimą ir trumpalaikius įvykius.
Tačiau kadrų dažnis nėra atskira specifikacija. Didžiausias pasiekiamas kadrų dažnis (FPS) priklauso nuo kameros režimo, dominančios srities (ROI), ekspozicijos laiko, bitų gylio ir sąsajos pralaidumo. Nurodytas „didžiausias kadrų dažnis“ paprastai reiškia konkrečias sąlygas, pvz., sumažintą ROI arba konkretų nuskaitymo režimą.
Norint suprasti, kas iš tikrųjų riboja kadrų dažnį, reikia išnagrinėti, kiek laiko užtrunka gauti ir nuskaityti vieną kadrą – tai vadinama kadro trukme, kuri aptariama kitame skyriuje.
Kadrų dažnis, kadrų laikas ir eilutės laikas
Kadrų dažnis dažniausiai išreiškiamas kadrais per sekundę (FPS), tačiau FPS nėra pagrindinis fizinis parametras. Jis yra atvirkštinis laikas, reikalingas vienam kadrui gauti ir nuskaityti.
Kadrų dažnis = 1 / Kadro trukmė
Norėdami suprasti, kas lemia kadrų dažnį, turime išnagrinėti, kaip jis konstruojamas.
Kas sudaro kadro trukmę?
Kadrų laikas rodo bendrą laiką, reikalingą vienam pilnam vaizdui sukurti. Daugeliu atvejųCMOS kameros, tai apima:
● Ekspozicijos laikas (kiek laiko jutiklis renka šviesą)
● Jutiklio rodmenų laikas (kiek laiko užtrunka pikselių reikšmių konvertavimas ir perkėlimas)
● Duomenų perdavimo laikas (sąsajos perdavimas į pagrindinį kompiuterį)
Kai ekspozicijos laikas yra trumpas, palyginti su nuskaitymo laiku, kadrų dažnį paprastai riboja nuskaitymo procesas. Kai ekspozicijos laikas yra ilgas, jis gali tapti dominuojančiu ribojančiu veiksniu.
Linijos laikas – pagrindinis jutiklio apribojimas
CMOS jutiklių pagrindinis vidinis veiksnys, ribojantis kadrų dažnį, yra eilutės laikas. Eilutės laikas – tai laikas, reikalingas analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC) eilei išmatuoti ir suskaitmeninti vieną pikselių eilutę.
Daugumoje architektūrų kiekviena eilutė apdorojama nuosekliai. Todėl bendras kadro nuskaitymo laikas nustatomas aktyvių eilučių skaičių padauginus iš eilutės laiko:
Kadro skaitymo laikas = Eilutės laikas × Eilučių skaičius
1 pav.: Įvadas į „Paralelogramo“ riedančio užrakto laiko diagramas
Kairėje:Jutiklių eilutės (y ašis) ir laiko (x ašis) grafikas, kuriame geltonos lygiagretės žymi kiekvienos kameros eilutės ekspoziciją dėl riedančio užrakto veikimo.
Dešinėje:Priartinimas prie atskirų eilučių lygio, iliustruojantis vaidmens rodmenis ir atstatymo veiksmus nustatant riedančio užrakto linijos laiką.
Tai paaiškina, kodėl dominančios srities (ROI), konkrečiai – pikselių eilučių skaičiaus, sumažinimas gali žymiai padidinti kadrų dažnį. Sumažinus eilučių skaičių perpus, nuskaitymo laikas maždaug sutrumpėja perpus, o pasiekiamas kadrų dažnis gali būti beveik padvigubintas, jei kiti veiksniai išlieka pastovūs.
Pats linijos laikas gali skirtis priklausomai nuo nuskaitymo režimo, tačiau tam tikrame režime jis paprastai yra fiksuotas.
Teorinis ir realaus pasaulio kadrų dažnis
Specifikacijose nurodytas „maksimalus kadrų dažnis“ paprastai apskaičiuojamas vien tik pagal kadro skaitymo laiką. Praktiškai realus kadrų dažnis gali būti mažesnis dėl:
● Ilgesnis ekspozicijos laikas
● Sąsajos pralaidumo apribojimai
● Programinės įrangos ar apdorojimo vėlavimai
Dėl šios priežasties svarbu atskirti teorinį maksimalų FPS ir pasiekiamą kadrų dažnį esant realioms darbo sąlygoms.
Jutiklio lygio veiksniai, turintys įtakos kadrų dažniui
Nors eilutės laikas ir kadro skaitymo laikas apibrėžia pagrindines jutiklio laiko ribas, keli konfigūruojami parametrai kameros lygmeniu gali reikšmingai paveikti pasiekiamą kadrų dažnį.
Dominamasis regionas (IG)
Aktyvių pikselių eilučių skaičius tiesiogiai lemia kadro skaitymo laiką. Sumažinus dominančios srities aukštį, sumažėja nuskaitomų eilučių skaičius, taip sutrumpinant nuskaitymo trukmę.
Kadangi kadrų skaitymo laikas maždaug priklauso nuo eilučių skaičiaus, ROI aukščio sumažinimas perpus gali beveik padvigubinti maksimalų pasiekiamą kadrų dažnį – darant prielaidą, kad ekspozicijos laikas ir sąsajos pralaidumas nėra ribojantys veiksniai. Programoms, orientuotoms į nedidelę judesio ar aptikimo sritį, ROI dažnai yra efektyviausias būdas padidinti greitį.
Atranka ir atranka
Pikselių sujungimas sujungia gretimus pikselius prieš nuskaitymą arba skaitmeninimą, efektyviai sumažindamas išvesties skiriamąją gebą ir bendrą duomenų kiekį. Priklausomai nuo jutiklio architektūros, sujungimas gali sumažinti duomenų pralaidumo reikalavimus ir kartais pagerinti efektyvų kadrų dažnį.
Tačiau skaidymas ne visada sutrumpina vidinį eilutės laiką. Daugelyje CMOS konstrukcijų eilutės vis tiek skaitomos nuosekliai, net ir sujungus pikselius. Dėl to skaidymas gali pagerinti duomenų perdavimo efektyvumą reikšmingai nepakeisdamas vidinio nuskaitymo laiko.
Bitų gylis ir nuskaitymo režimai
Daugelismokslinės kamerossiūlo kelis nuskaitymo režimus, dažnai keičiant dinaminį diapazoną į greitį. Pavyzdžiui, 16 bitų didelio dinaminio diapazono režimas gali teikti pirmenybę mažam skaitymo triukšmui ir didelei viso šulinio talpai, o 12 bitų „greičio režimas“ gali pasiekti didesnį kadrų dažnį sumažindamas duomenų tikslumą arba keisdamas stiprinimo nustatymus.
Kadangi didesnis bitų gylis padidina duomenų kiekį viename kadre, perėjimas prie mažesnio bitų gylio gali sumažinti duomenų perdavimo apkrovą ir kai kuriais atvejais leisti didesnį kadrų dažnį, ypač kai ribojantis veiksnys yra sąsajos pralaidumas.
Ekspozicijos laiko ir kadrų dažnio sąveika
Kadrų dažnis nustatomas ne vien pagal jutiklio nuskaitymo laiką. Ekspozicijos trukmė taip pat gali apriboti, kaip greitai galima gauti vienas po kito einančius kadrus.
Apskritai maksimalų pasiekiamą kadrų dažnį lemia tas laiko komponentas, kuris yra ilgesnis: ekspozicijos laikas arba kadro nuskaitymo laikas. Jei ekspozicijos laikas yra trumpesnis nei nuskaitymo laikas, nuskaitymo laikas riboja kadrų dažnį. Tačiau jei ekspozicijos laikas viršija nuskaitymo trukmę, ekspozicija tampa dominuojančiu apribojimu.
Daugelyje CMOS ekranų su riedančio užrakto funkcija ekspozicija ir rodmenų nuskaitymas gali iš dalies sutapti. Kol viena eilutė nuskaitoma, kitos eilutės jau gali integruoti šviesą kitam kadrui. Dėl šio sutapimo ekspozicijos laikas gali būti trumpesnis nei viso kadro nuskaitymo laikas, nebūtinai sumažinant kadrų dažnį.
Tačiau, kai ekspozicijos laikas tampa ilgesnis nei bendras jutiklio nuskaitymo laikas, pavyzdžiui, fotografuojant esant silpnam apšvietimui, kuriam reikia ilgesnio integravimo, kadrų dažnis proporcingai sumažėja. Tokiais atvejais:
Maksimalus kadrų dažnis ≈ 1 / Ekspozicijos laikas
Optimizuojant duomenų nuskaitymo greitį, labai svarbu suprasti, ar jūsų sistema yra ribojama rodmenų, ar ekspozicijos. Padidinus stiprinimą, pagerinus apšvietimą arba sutrumpėjus reikiamą integravimo laiką, kadrų dažnis gali būti veiksmingesnis nei vien tik ROI ar rodmenų režimo reguliavimas.
Sąsajos pralaidumo ir duomenų pralaidumo apribojimai
Net jei jutiklis gali nuskaityti kadrus dideliu greičiu, ribojančiu veiksniu gali tapti sąsaja tarp kameros ir pagrindinio kompiuterio.
Kiekvienas užfiksuotas kadras turi būti perduotas į kompiuterį apdorojimui arba saugojimui per duomenų perdavimo jungtį, pvz., USB, „Camera Link“ arba PCIe. Reikalingas pralaidumas priklauso nuo:
● Kadro dydis (pikselių skaičius)
● Bitų gylis (duomenų kiekis pikselyje)
● Kadrų dažnis
Duomenų perdavimo spartą galima įvertinti taip:
Duomenų perdavimo sparta ≈ (pikselių skaičius kadre × bitų gylis × kadrų dažnis)
Pavyzdžiui, 2048 × 2048 jutiklis, veikiantis 16 bitų gylyje ir 100 kadrų per sekundę dažniu, generuoja daugiau nei 800 MB/s neapdorotų duomenų. Jei sąsaja negali išlaikyti tokio pralaidumo, efektyvus kadrų dažnis sumažės arba kadrai gali būti laikinai buferizuojami kameros viduje.
Daugelyje sistemų investicijų grąžos sumažinimas arba perjungimas į mažesnį bitų gylį ne tik sutrumpina nuskaitymo laiką, bet ir sumažina reikiamą pralaidumą, todėl sąsaja gali palaikyti didesnį kadrų dažnį (FPS).
Todėl svarbu atskirti:
●Jutiklio ribotas kadrų dažnis, nustatomas pagal eilutės laiką ir rodmenis
●Sąsajos ribotas kadrų dažnis, nustatomas pagal pralaidumą ir sistemos konfigūraciją
Saugojimo greitis, tvarkyklės efektyvumas ir programinės įrangos apkrovos taip pat gali turėti įtakos realiam našumui, ypač esant nuolatiniam didelės spartos duomenų rinkimui.
Diagnozuojant kadrų dažnio apribojimus, labai svarbu suprasti, kur yra kliūtis – jutiklio laiko nustatymas ar duomenų perdavimas.
Kodėl jūsų tikrasis kadrų dažnis yra mažesnis nei specifikacijoje
Maksimalus kadrų dažnis, nurodytas fotoaparato specifikacijų lape, paprastai apskaičiuojamas idealiomis sąlygomis – dažnai naudojant sumažintą dominančią sritį (ROI), trumpą ekspozicijos laiką, konkretų nuskaitymo režimą ir optimalią sąsajos konfigūraciją. Praktiškai pasiekiamas kadrų dažnis gali būti mažesnis dėl kelių bendrų veiksnių.
1. Pilnas jutiklis, palyginti su sumažinta investicijų grąža
Daugelis maksimalių FPS verčių nurodomos naudojant dalinę investicijų grąžą (ROI). Jei kamera veikia visa jutiklio raiška, padidėjęs eilučių skaičius tiesiogiai padidina kadrų skaitymo laiką, sumažindamas pasiekiamą kadrų dažnį.
2. Ekspozicijos laikas viršija nuskaitymo laiką
Jei ekspozicijos laikas yra ilgesnis nei jutiklio kadro nuskaitymo laikas, tai tampa ribojančiu veiksniu. Fotografuojant prasto apšvietimo sąlygomis, ilgesnis integravimo laikas natūraliai sumažina maksimalų kadrų dažnį (FPS), neatsižvelgiant į jutiklio nuskaitymo galimybes.
3. Didesnis bitų gylis arba HDR režimai
Veikiant 16 bitų arba didelio dinaminio diapazono režimais, padidėja duomenų kiekis ir gali pakisti nuskaitymo laikas. Tai gali sumažinti pasiekiamą kadrų dažnį, palyginti su mažesnio bitų gylio „greičio“ režimais.
4. Sąsajos pralaidumo apribojimai
USB, „Camera Link“ arba PCIe sąsajų pralaidumas yra ribotas. Jei reikalinga duomenų perdavimo sparta viršija nuolatinį sąsajos pralaidumą, efektyvus kadrų dažnis (FPS) gali būti sumažintas arba buferizuotas viduje.
5. Programinės įrangos ir apdorojimo pridėtinės išlaidos
Trigerio konfigūracija, buferizavimo strategija, saugojimo greitis ir apdorojimo apkrova gali turėti įtakos ilgalaikiam kadrų dažniui realaus pasaulio duomenų rinkimo metu.
Norint diagnozuoti kadrų dažnio neatitikimus, svarbu nustatyti, ar apribojimas kyla dėl jutiklio laiko, ekspozicijos trukmės ar duomenų pralaidumo. Tik nustačius kliūtį, galima efektyviai optimizuoti našumą.
Kaip optimizuoti kadrų dažnį jūsų programai
Kadrų dažnio optimizavimas prasideda nuo tikrojo ribojančio veiksnio jūsų vaizdo gavimo sistemoje nustatymo. Supratus kliūtį, tiksliniai pakeitimai gali žymiai pagerinti duomenų gavimo greitį.
1. Sumažinkite dominančią sritį (ROI)
Jei nereikia visos jutiklio skiriamosios gebos, aktyvių eilučių skaičiaus sumažinimas dažnai yra efektyviausias būdas padidinti kadrų dažnį. Kadangi kadrų skaitymo laikas priklauso nuo eilučių skaičiaus, apribojus nuskaitymą iki dominančios srities, galima gerokai padidinti kadrų dažnį.
2. Sureguliuokite ekspozicijos laiką
Kai ekspozicijos laikas viršija nuskaitymo laiką, tai tampa ribojančiu veiksniu. Padidinus apšvietimo intensyvumą, tinkamai sureguliavus stiprinimą arba sumažėjus signalo reikalavimams, galima sutrumpinti ekspozicijos laiką ir pasiekti didesnį kadrų dažnį.
3. Pasirinkite tinkamą rodmenų režimą
Jei įmanoma, naudokite greičiui optimizuotą režimą, kai didelis dinaminis diapazonas nėra labai svarbus. Mažesnis bitų gylis arba alternatyvūs stiprinimo režimai gali sumažinti nuskaitymo ir duomenų perdavimo naštą.
4. Patikrinkite sąsają ir duomenų pralaidumą
Įsitikinkite, kad sąsajos pralaidumas palaiko reikiamą duomenų perdavimo spartą. Bitų gylio sumažinimas, skiriamosios gebos apribojimas arba duomenų perdavimo linijos atnaujinimas gali pagerinti ilgalaikį našumą.
5. Nustatykite dominuojantį apribojimą
Kadrų dažnio optimizavimas yra efektyviausias, kai pakeitimai skirti tikrajam ribojančiam komponentui – jutiklio rodmenims, ekspozicijos trukmei arba sąsajos pralaidumui – o ne nesusijusių parametrų koregavimui.
Išvada
Kameros kadrų dažnis nėra fiksuota specifikacija, o jutiklio laiko, ekspozicijos trukmės ir duomenų pralaidumo, veikiančių kartu konkrečiomis veikimo sąlygomis, rezultatas. Vertinant arba optimizuojant duomenų įrašymo greitį, labai svarbu suprasti linijos laiko, kadro skaitymo laiko, ekspozicijos laiko ir sąsajos pralaidumo ryšį. Praktiškai pasiekiamą kadrų dažnį lemia lėčiausias vaizdo gavimo grandinės komponentas.
At TučenasKadrų dažnio našumas yra suprojektuotas ir patvirtintas atsižvelgiant į realius sistemos apribojimus, įskaitant nuskaitymo architektūrą, režimo pasirinkimą ir sąsajos konfigūraciją. Jei jūsų programai reikalingas nuolatinis didelės spartos duomenų nuskaitymas, mūsų komanda gali padėti įvertinti tikrąsias našumo ribas jūsų konkrečiame darbo eigoje.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
