2022/02/25De framesnelheid van een camera beschrijft hoeveel beelden een camera per seconde kan vastleggen en wordt vaak als een belangrijke specificatie beschouwd bij de evaluatie van snelle beeldvormingssystemen. In dynamische experimenten, inspectieworkflows of snelle biologische processen bepaalt de framesnelheid direct hoeveel tijdsdetails kunnen worden vastgelegd.
De opgegeven maximale framesnelheid is echter geen vaste waarde. Deze is afhankelijk van de sensorarchitectuur, het interessegebied (ROI), de belichtingstijd, de uitleesmodus en de bandbreedte van de data-interface. In de praktijk is de haalbare framesnelheid het resultaat van meerdere factoren die op elkaar inwerken. Om deze factoren te begrijpen, moeten we verder kijken dan alleen het aantal frames per seconde en onderzoeken hoe de frametijd binnen het camerasysteem wordt opgebouwd.
Wat is de framesnelheid van een camera?
De framesnelheid van een camera verwijst naar het aantal beelden dat een camera per seconde kan vastleggen onder bepaalde bedrijfsomstandigheden. Deze wordt doorgaans uitgedrukt in frames per seconde (FPS) en geeft aan hoe snel opeenvolgende beelden kunnen worden vastgelegd en beschikbaar kunnen worden gesteld voor verwerking of opslag.
De beeldsnelheid bepaalt de temporele resolutie van een beeldvormingssysteem. Bij dynamische toepassingen, zoals het volgen van deeltjes, hogesnelheidsinspectie of snel veranderende biologische processen, maken hogere beeldsnelheden een gedetailleerdere observatie van beweging en kortstondige gebeurtenissen mogelijk.
De framesnelheid is echter geen op zichzelf staande specificatie. De maximaal haalbare FPS is afhankelijk van de cameramodus, het interessegebied (ROI), de belichtingstijd, de bitdiepte en de bandbreedte van de interface. Een opgegeven "maximale framesnelheid" gaat meestal uit van specifieke omstandigheden, zoals een kleiner ROI of een bepaalde uitleesmodus.
Om te begrijpen wat de framesnelheid werkelijk beperkt, moeten we onderzoeken hoe lang het duurt om één frame te verkrijgen en uit te lezen – de zogenaamde frametijd – wat in de volgende sectie verder wordt besproken.
Beeldsnelheid versus beeldtijd versus lijntijd
De beeldsnelheid wordt doorgaans uitgedrukt in frames per seconde (FPS), maar FPS is geen primaire fysieke parameter. Het is het omgekeerde van de tijd die nodig is om één enkel frame te verkrijgen en uit te lezen.
Beeldverversingssnelheid = 1 / Beeldtijd
Om te begrijpen wat de framesnelheid bepaalt, moeten we daarom onderzoeken hoe de frametijd is opgebouwd.
Waaruit bestaat de frametijd?
Frametijd staat voor de totale tijd die nodig is om één complete afbeelding te produceren. In de meeste gevallenCMOS-camera'sDit omvat:
● Belichtingstijd (hoe lang de sensor licht opvangt)
● Sensoruitleestijd (Hoe lang duurt het om pixelwaarden om te zetten en over te dragen?)
● Gegevensoverdrachtstijd (interface transmissie naar de hostcomputer)
Wanneer de belichtingstijd kort is ten opzichte van de uitleestijd, wordt de framesnelheid doorgaans beperkt door het uitleesproces. Bij een lange belichtingstijd kan deze juist de belangrijkste beperkende factor worden.
Lijntijd — De fundamentele sensorbeperking
Bij CMOS-sensoren is de belangrijkste interne factor die de framesnelheid beperkt de lijntijd. Lijntijd is de tijd die een rij analoog-digitaalomzetters (ADC's) nodig heeft om één rij pixels te meten en te digitaliseren.
In de meeste architecturen wordt elke rij sequentieel verwerkt. Daardoor wordt de totale uitleestijd voor een frame bepaald door het aantal actieve rijen vermenigvuldigd met de tijd per regel:
Frame leestijd = Regeltijd × Aantal rijen
Figuur 1: Inleiding tot 'parallelogram'-timingdiagrammen voor rolluiken
Links:Grafiek van sensorrij (y-as) versus tijd (x-as), met gele parallellogrammen die de belichting van elke camerarij aangeven als gevolg van de rolling shutter-werking.
Rechts:Een detailweergave op rijniveau illustreert de rol die uitlezing en reset spelen bij het bepalen van de roltijd van de rolluiklijn.
Dit verklaart waarom het verkleinen van het interessegebied (ROI) – met name het aantal pixelrijen – de framesnelheid aanzienlijk kan verhogen. Het halveren van het aantal rijen halveert de uitleestijd ongeveer en kan de haalbare FPS bijna verdubbelen, ervan uitgaande dat andere factoren constant blijven.
De lijntijd zelf kan variëren tussen de verschillende uitleesmodi, maar binnen een bepaalde modus is deze doorgaans vast.
Theoretische versus werkelijke framesnelheid
De in specificaties vermelde "maximale framesnelheid" wordt meestal berekend op basis van de frameleestijd alleen. In de praktijk kan de werkelijke framesnelheid lager liggen vanwege:
● Langere belichtingstijden
● Beperkingen in de bandbreedte van de interface
● Software- of verwerkingsvertragingen
Daarom is het belangrijk om onderscheid te maken tussen de theoretische maximale FPS en de daadwerkelijk haalbare framesnelheid onder uw gebruiksomstandigheden.
Factoren op sensorniveau die de framesnelheid beïnvloeden
Hoewel de lijntijd en de frameleestijd de fundamentele timinglimieten van een sensor bepalen, kunnen verschillende configureerbare parameters op cameraniveau de haalbare framesnelheid aanzienlijk beïnvloeden.
Regio van interesse (ROI)
Het aantal actieve pixelrijen bepaalt direct de leestijd van een frame. Door de hoogte van het interessegebied te verkleinen, neemt het aantal te lezen rijen af, waardoor de leestijd korter wordt.
Omdat de leestijd van een frame ongeveer evenredig is met het aantal rijen, kan het halveren van de ROI-hoogte de maximaal haalbare framesnelheid bijna verdubbelen – ervan uitgaande dat de belichtingstijd en de bandbreedte van de interface geen beperkende factoren zijn. Voor toepassingen die zich richten op een klein gebied van beweging of detectie, is ROI vaak de meest effectieve manier om de snelheid te verhogen.
Indeling en steekproefneming
Pixelbinning combineert aangrenzende pixels vóór uitlezing of digitalisering, waardoor de uitvoerresolutie en het totale datavolume effectief worden verlaagd. Afhankelijk van de sensorarchitectuur kan binning de vereisten voor de datadoorvoer verlagen en soms de effectieve framesnelheid verbeteren.
Binning leidt echter niet altijd tot een kortere interne lijntijd. In veel CMOS-ontwerpen worden rijen nog steeds sequentieel uitgelezen, zelfs wanneer pixels worden gecombineerd. Daardoor kan binning de efficiëntie van de gegevensoverdracht verbeteren zonder de intrinsieke uitleestijd significant te beïnvloeden.
Bitdiepte en uitleesmodi
Veelwetenschappelijke camera'sZe bieden meerdere uitleesmodi aan, waarbij dynamisch bereik vaak wordt ingeruild voor snelheid. Zo kan een 16-bits modus met een hoog dynamisch bereik prioriteit geven aan lage uitleesruis en een grote maximale capaciteit, terwijl een 12-bits "snelheidsmodus" hogere framesnelheden kan bereiken door de dataprecisie te verlagen of de versterkingsinstellingen aan te passen.
Omdat een hogere bitdiepte de hoeveelheid data per frame vergroot, kan overschakelen naar een lagere bitdiepte de dataoverdrachtsbelasting verminderen en in sommige gevallen hogere framesnelheden mogelijk maken, met name wanneer de bandbreedte van de interface een beperkende factor is.
Interactie tussen belichtingstijd en framesnelheid
De framesnelheid wordt niet alleen bepaald door de uitleestijd van de sensor. Ook de belichtingstijd kan bepalen hoe snel opeenvolgende frames kunnen worden vastgelegd.
Over het algemeen wordt de maximaal haalbare framesnelheid bepaald door de langste van de twee tijdscomponenten: de belichtingstijd of de uitleestijd van het frame. Als de belichtingstijd korter is dan de uitleestijd, dan beperkt de uitleestijd de framesnelheid. Als de belichtingstijd echter langer is dan de uitleestijd, dan wordt de belichtingstijd de belangrijkste beperkende factor.
Bij veel CMOS-sensoren met rolling shutter kunnen belichting en uitlezing elkaar gedeeltelijk overlappen. Terwijl één rij wordt uitgelezen, kunnen andere rijen al bezig zijn met het integreren van licht voor het volgende frame. Deze overlapping maakt het mogelijk om de belichtingstijd korter te maken dan de volledige uitleestijd van het frame, zonder dat de framesnelheid noodzakelijkerwijs wordt verlaagd.
Wanneer de belichtingstijd echter langer wordt dan de totale uitleestijd van de sensor – zoals bij opnamen in omstandigheden met weinig licht waarbij een langere integratietijd nodig is – neemt de framesnelheid evenredig af. In dergelijke gevallen:
Maximale framesnelheid ≈ 1 / Belichtingstijd
Het is essentieel om te begrijpen of uw systeem beperkt wordt door de uitlezing of door de belichting bij het optimaliseren van de acquisitiesnelheid. Het verhogen van de versterking, het verbeteren van de belichting of het verkorten van de benodigde integratietijd kan effectiever zijn voor het verhogen van de framesnelheid dan het aanpassen van alleen het ROI of de uitleesmodus.
Beperkingen in bandbreedte en gegevensdoorvoer van de interface
Zelfs als een sensor beelden met hoge snelheid kan uitlezen, kan de interface tussen de camera en de hostcomputer de beperkende factor vormen.
Elk opgenomen frame moet via een dataverbinding – zoals USB, Camera Link of PCIe – naar de computer worden overgebracht voor verwerking of opslag. De benodigde bandbreedte is afhankelijk van:
● Framegrootte (aantal pixels)
● Bitdiepte (gegevens per pixel)
● Beeldsnelheid
De datasnelheid kan als volgt worden geschat:
Gegevensoverdrachtssnelheid ≈ (Pixels per frame × Bitdiepte × Framesnelheid)
Een sensor van 2048 × 2048 pixels die werkt met een kleurdiepte van 16 bits en 100 beelden per seconde genereert bijvoorbeeld meer dan 800 MB/s aan ruwe data. Als de interface deze doorvoer niet aankan, wordt de effectieve framesnelheid verlaagd of worden frames tijdelijk in de camera gebufferd.
In veel systemen zorgt het verkleinen van het ROI (Record of Interest) of het overschakelen naar een lagere bitdiepte er niet alleen voor dat de uitleestijd korter wordt, maar ook dat de benodigde bandbreedte afneemt, waardoor de interface een hogere FPS (frames per seconde) kan halen.
Het is daarom belangrijk om onderscheid te maken tussen:
●Sensorbeperkte framesnelheid, bepaald door lijntijd en uitlezing
●Door de interface beperkte framesnelheid, bepaald door bandbreedte en systeemconfiguratie
Opslagsnelheid, driverefficiëntie en softwareoverhead kunnen ook de prestaties in de praktijk beïnvloeden, met name tijdens langdurige, snelle gegevensverwerving.
Inzicht in waar het knelpunt zich bevindt – sensortiming of gegevensoverdracht – is essentieel bij het diagnosticeren van beperkingen in de framesnelheid.
Waarom uw werkelijke framesnelheid lager is dan de specificatie
De maximale framesnelheid die in de specificaties van een camera wordt vermeld, is doorgaans berekend onder ideale omstandigheden – vaak met een kleiner gebied van interesse (ROI), een korte belichtingstijd, een specifieke uitleesmodus en een optimale interfaceconfiguratie. In de praktijk kan de haalbare framesnelheid lager liggen vanwege verschillende veelvoorkomende factoren.
1. Volledige sensor versus gereduceerd ROI
Veel maximale FPS-waarden worden vermeld met behulp van een gedeeltelijk ROI (Region of Interest). Als u de camera op de volledige sensorresolutie gebruikt, verhoogt het grotere aantal rijen direct de frameleestijd, waardoor de haalbare framesnelheid afneemt.
2. De belichtingstijd overschrijdt de uitleestijd.
Als de belichtingstijd langer is dan de frame-leestijd van de sensor, wordt dit de beperkende factor. Bij opnamen in weinig licht leiden langere integratietijden vanzelfsprekend tot een lagere maximale framesnelheid (FPS), ongeacht de uitleescapaciteit van de sensor.
3. Hogere bitdiepte of HDR-modi
Werken in 16-bits- of high dynamic range-modi verhoogt het datavolume en kan de uitleestijd beïnvloeden. Dit kan de haalbare framesnelheid verlagen in vergelijking met "snelheidsmodi" met een lagere bitdiepte.
4. Beperkingen van de interfacebandbreedte
USB-, Camera Link- of PCIe-interfaces hebben een beperkte bandbreedte. Als de vereiste datasnelheid de continue doorvoersnelheid van de interface overschrijdt, kan de effectieve framesnelheid (FPS) worden verlaagd of intern worden gebufferd.
5. Software- en verwerkingskosten
De triggerconfiguratie, bufferstrategie, opslagsnelheid en verwerkingsbelasting kunnen allemaal van invloed zijn op de aanhoudende framesnelheid tijdens daadwerkelijke opnames.
Om afwijkingen in de framesnelheid te diagnosticeren, is het belangrijk vast te stellen of de beperking te wijten is aan de timing van de sensor, de belichtingstijd of de gegevensdoorvoer. Pas nadat het knelpunt is geïdentificeerd, kan de prestatie effectief worden geoptimaliseerd.
Hoe optimaliseer je de framesnelheid voor je applicatie?
Het optimaliseren van de framesnelheid begint met het identificeren van de werkelijke beperkende factor in uw beeldvormingssysteem. Zodra het knelpunt is vastgesteld, kunnen gerichte aanpassingen de opnamesnelheid aanzienlijk verbeteren.
1. Verklein het interessegebied (ROI)
Als de volledige sensorresolutie niet vereist is, is het verminderen van het aantal actieve rijen vaak de meest effectieve manier om de framesnelheid te verhogen. Omdat de frameleestijd evenredig is met het aantal rijen, kan het beperken van de acquisitie tot het interessegebied de framesnelheid aanzienlijk verhogen.
2. Belichtingstijd aanpassen
Wanneer de belichtingstijd de uitleestijd overschrijdt, wordt dit de beperkende factor. Door de lichtintensiteit te verhogen, de versterking op de juiste manier aan te passen of de signaalvereisten te versoepelen, kunnen kortere belichtingstijden en hogere framesnelheden worden bereikt.
3. Selecteer een geschikte uitleesmodus
Gebruik, indien beschikbaar, een snelheidsgeoptimaliseerde modus wanneer een hoog dynamisch bereik niet cruciaal is. Een lagere bitdiepte of alternatieve versterkingsmodi kunnen de uitlees- en gegevensoverdrachtsbelasting verminderen.
4. Controleer de interface en de gegevensdoorvoer.
Zorg ervoor dat de bandbreedte van de interface de vereiste datasnelheid ondersteunt. Het verlagen van de bitdiepte, het beperken van de resolutie of het upgraden van de datalink kan de prestaties op de lange termijn verbeteren.
5. Identificeer de belangrijkste beperking
Het optimaliseren van de framesnelheid is het meest effectief wanneer aanpassingen de werkelijke beperkende factor aanpakken – sensoruitlezing, belichtingstijd of interfacebandbreedte – in plaats van ongerelateerde parameters aan te passen.
Conclusie
De framesnelheid van een camera is geen vaste specificatie, maar het resultaat van de timing van de sensor, de belichtingstijd en de gegevensdoorvoer die samenwerken onder specifieke bedrijfsomstandigheden. Inzicht in de relatie tussen lijntijd, frameleestijd, belichtingstijd en interfacebandbreedte is essentieel bij het evalueren of optimaliseren van de acquisitiesnelheid. In de praktijk wordt de haalbare framesnelheid bepaald door het traagste onderdeel in de beeldverwerkingsketen.
At TucsenDe framesnelheidsprestaties worden ontworpen en gevalideerd binnen de daadwerkelijke systeembeperkingen, waaronder de uitleesarchitectuur, de modusselectie en de interfaceconfiguratie. Als uw toepassing continue hoge acquisitiesnelheden vereist, kan ons team u helpen de werkelijke prestatielimieten binnen uw specifieke workflow te evalueren.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden. Vermeld bij citatie de bron:www.tucsen.com
