25.02.2022Rata de cadre a camerei descrie câte imagini poate capta o cameră pe secundă și este adesea tratată ca o specificație principală atunci când se evaluează sistemele de imagistică de mare viteză. În experimentele dinamice, fluxurile de lucru de inspecție sau procesele biologice rapide, rata de cadre a camerei determină direct cât de multe detalii temporale pot fi captate.
Totuși, rata maximă de cadre specificată nu este o valoare fixă. Aceasta depinde de arhitectura senzorului, regiunea de interes (ROI), timpul de expunere, modul de citire și lățimea de bandă a interfeței de date. În practică, rata de cadre realizabilă este rezultatul mai multor factori care interacționează. Înțelegerea acestor factori necesită o analiză mai profundă a cadrelor pe secundă și examinarea modului în care este construit timpul de cadre în interiorul sistemului camerei.
Ce este rata de cadre a camerei?
Rata de cadre a camerei se referă la numărul de cadre pe care o cameră le poate achiziționa pe secundă într-un set definit de condiții de funcționare. De obicei, este exprimată în cadre pe secundă (FPS) și reprezintă cât de repede pot fi capturate imagini succesive și puse la dispoziție pentru procesare sau stocare.
Rata de cadre pe secundă determină rezoluția temporală a unui sistem de imagistică. În aplicațiile dinamice - cum ar fi urmărirea particulelor, inspecția de mare viteză sau procesele biologice în schimbare rapidă - ratele de cadre pe secundă mai mari permit observarea mai detaliată a mișcării și a evenimentelor tranzitorii.
Totuși, rata de cadre nu este o specificație izolată. FPS-ul maxim realizabil depinde de modul camerei, regiunea de interes (ROI), timpul de expunere, adâncimea de biți și lățimea de bandă a interfeței. O „rata maximă de cadre” citată presupune de obicei condiții specifice, cum ar fi o ROI redusă sau un anumit mod de citire.
Înțelegerea factorilor care limitează cu adevărat rata de cadre necesită examinarea timpului necesar pentru achiziționarea și citirea unui singur cadru - cunoscut sub numele de timp de cadru - care este explorat în secțiunea următoare.
Rată de cadre vs. timp de cadre vs. timp de linie
Rata de cadre este exprimată în mod obișnuit în cadre pe secundă (FPS), dar FPS nu este un parametru fizic principal. Este inversul timpului necesar pentru achiziționarea și citirea unui singur cadru.
Rată de cadre = 1 / Durata cadrelor
Pentru a înțelege ce determină rata de cadre pe secundă, trebuie, așadar, să examinăm cum este construit timpul de cadre pe secundă.
Ce constituie timpul de cadru?
Timpul de cadru reprezintă timpul total necesar pentru a produce o imagine completă. În majoritatea cazurilorCamere CMOS, aceasta include:
● Timp de expunere (cât timp colectează senzorul lumina)
● Timp de citire a senzorului (cât durează convertirea și transferul valorilor pixelilor)
● Timp de transfer de date (transmisia interfeței către computerul gazdă)
Când timpul de expunere este scurt în raport cu timpul de citire, rata de cadre este de obicei limitată de procesul de citire. Când timpul de expunere este lung, acesta poate deveni, în schimb, factorul limitator dominant.
Timpul de linie — Constrângerea fundamentală a senzorului
Pentru senzorii CMOS, principalul factor intern care limitează rata cadrelor este timpul de linie. Timpul de linie este timpul necesar unui rând de convertoare analog-digitale (ADC) pentru a măsura și digitiza un rând de pixeli.
În majoritatea arhitecturilor, fiecare rând este procesat secvențial. Prin urmare, timpul total de citire pentru un cadru este determinat de numărul de rânduri active înmulțit cu timpul liniei:
Timpul de citire a cadrului = Timpul liniei × Numărul de rânduri
Figura 1: Introducere în diagramele de temporizare a obturatorului rulant „paralelogram”
Stânga:Reprezentarea grafică a rândului de senzori (axa y) în funcție de timp (axa x), cu paralelograme galbene care marchează expunerea fiecărui rând de camere datorită acțiunii obturatorului rotativ.
Corect:O imagine mărită la nivelul fiecărui rând, ilustrând citirea rolului și resetarea redării în determinarea timpului liniei obturatorului rulant.
Aceasta explică de ce reducerea regiunii de interes (ROI) - în special a numărului de rânduri de pixeli - poate crește semnificativ rata de cadre pe secundă. Înjumătățirea numărului de rânduri reduce aproximativ la jumătate timpul de citire și poate aproape dubla FPS-ul realizabil, presupunând că ceilalți factori rămân constanți.
Timpul de linie în sine poate varia între modurile de citire, dar în cadrul unui anumit mod este de obicei fix.
Rată de cadre teoretică vs. rată de cadre din lumea reală
„Rată maximă de cadre pe secundă” menționată în specificații este de obicei calculată doar pe baza timpului de citire a cadrelor. În practică, rata de cadre pe secundă din lumea reală poate fi mai mică din cauza:
● Timpi de expunere mai lungi
● Limitări de lățime de bandă a interfeței
● Întârzieri în software sau în procesare
Din acest motiv, este important să se facă distincția între FPS-ul maxim teoretic și rata de cadre pe secundă (frame rate) realizabilă în condițiile reale de funcționare.
Factorii la nivel de senzor care afectează rata de cadre
Deși timpul de linie și timpul de citire a cadrelor definesc limitele fundamentale de temporizare ale unui senzor, mai mulți parametri configurabili la nivel de cameră pot influența semnificativ rata de cadre realizabilă.
Regiune de interes (ROI)
Numărul de rânduri de pixeli activi determină direct timpul de citire a cadrului. Reducerea înălțimii regiunii de interes scade numărul de rânduri care trebuie citite, scurtând astfel durata de citire.
Deoarece timpul de citire a cadrelor se scalează aproximativ cu numărul de rânduri, înjumătățirea înălțimii ROI poate aproape dubla rata maximă de cadre care poate fi obținută - presupunând că timpul de expunere și lățimea de bandă a interfeței nu sunt factori limitativi. Pentru aplicațiile axate pe o zonă mică de mișcare sau detectare, ROI este adesea cea mai eficientă modalitate de a crește viteza.
Binning și Subsampling
Combinarea pixelilor combină pixelii adiacenți înainte de citire sau digitalizare, reducând eficient rezoluția de ieșire și volumul total de date. În funcție de arhitectura senzorului, combinarea poate reduce cerințele de debit de date și uneori poate îmbunătăți rata efectivă a cadrelor.
Totuși, binning-ul nu reduce întotdeauna timpul de linie intern. În multe modele CMOS, rândurile sunt citite secvențial chiar și atunci când pixelii sunt combinați. Prin urmare, binning-ul poate îmbunătăți eficiența transferului de date fără a modifica semnificativ timpul intrinsec de citire.
Adâncime de biți și moduri de citire
Multecamere științificeoferă moduri multiple de citire, adesea schimbând intervalul dinamic cu viteza. De exemplu, un mod de interval dinamic ridicat pe 16 biți poate prioritiza zgomotul de citire redus și capacitatea mare a puțului, în timp ce un „mod de viteză” pe 12 biți poate obține rate de cadre mai mari prin reducerea preciziei datelor sau modificarea setărilor de amplificare.
Deoarece o adâncime de biți mai mare crește cantitatea de date per cadru, trecerea la o adâncime de biți mai mică poate reduce sarcina de transfer de date și, în unele cazuri, poate permite rate de cadre mai mari - în special atunci când lățimea de bandă a interfeței este un factor limitator.
Interacțiunea dintre timpul de expunere și rata de cadre
Rata de cadre nu este determinată doar de timpul de citire al senzorului. Durata expunerii poate limita, de asemenea, viteza cu care pot fi achiziționate cadre succesive.
În general, rata maximă de cadre pe secundă care poate fi atinsă este determinată de componenta de timp cea mai lungă: timpul de expunere sau timpul de citire a cadrelor. Dacă timpul de expunere este mai scurt decât timpul de citire, atunci citirea limitează rata de cadre pe secundă. Cu toate acestea, dacă timpul de expunere depășește durata de citire, expunerea devine constrângerea dominantă.
În multe modele CMOS cu obturator rotativ, expunerea și citirea se pot suprapune parțial. În timp ce un rând este citit, alte rânduri pot integra deja lumină pentru următorul cadru. Această suprapunere permite ca timpul de expunere să fie mai scurt decât timpul de citire a întregului cadru, fără a reduce neapărat rata de cadre.
Totuși, atunci când timpul de expunere devine mai lung decât timpul total de citire al senzorului - cum ar fi în cazul imagisticii în lumină slabă care necesită o integrare mai lungă - rata de cadre scade proporțional. În astfel de cazuri:
Rată maximă de cadre ≈ 1 / Timp de expunere
Înțelegerea faptului dacă sistemul dumneavoastră este limitat de citire sau limitat de expunere este esențială atunci când optimizați viteza de achiziție. Creșterea câștigului, îmbunătățirea iluminării sau reducerea timpului de integrare necesar pot fi mai eficiente pentru creșterea ratei de cadre decât ajustarea exclusivă a rentabilității investiției sau a modului de citire.
Limitări ale lățimii de bandă a interfeței și ale debitului de date
Chiar dacă un senzor poate citi cadre la viteză mare, interfața dintre cameră și computerul gazdă poate deveni factorul limitator.
Fiecare cadru achiziționat trebuie transferat printr-o legătură de date — cum ar fi USB, Camera Link sau PCIe — către computer pentru procesare sau stocare. Lățimea de bandă necesară depinde de:
● Dimensiunea cadrului (numărul de pixeli)
● Adâncime de biți (date pe pixel)
● Rată de cadre
Rata de transfer de date poate fi estimată astfel:
Rată de date ≈ (Pixeli pe cadru × Adâncime de biți × Rată de cadre)
De exemplu, un senzor de 2048 × 2048 care funcționează la o adâncime de 16 biți și 100 FPS generează peste 800 MB/s de date brute. Dacă interfața nu poate susține acest randament, rata efectivă de cadre va fi redusă sau cadrele pot fi stocate temporar în interiorul camerei.
În multe sisteme, reducerea rentabilității investiției (ROI) sau trecerea la o adâncime de biți mai mică nu numai că reduce timpul de citire, dar reduce și lățimea de bandă necesară, permițând interfeței să susțină un FPS mai mare.
Prin urmare, este important să se facă distincția între:
●Rată de cadre limitată de senzor, determinată de timpul liniei și citire
●Rată de cadre limitată de interfață, determinată de lățimea de bandă și configurația sistemului
Viteza de stocare, eficiența driverelor și costurile software pot influența, de asemenea, performanța în lumea reală, în special în timpul achiziției susținute de mare viteză.
Înțelegerea locului în care se află blocajul - sincronizarea senzorului sau transferul de date - este esențială atunci când se diagnostichează limitările ratei de cadre.
De ce rata reală de cadre pe secundă este mai mică decât specificația
Rata maximă de cadre pe secundă listată în fișa tehnică a unei camere este de obicei calculată în condiții ideale - adesea folosind o regiune de interes (ROI) redusă, un timp de expunere scurt, un mod de citire specific și o configurație optimă a interfeței. În practică, rata de cadre pe secundă realizabilă poate fi mai mică din cauza mai multor factori comuni.
1. Senzor complet vs. ROI redus
Multe valori maxime ale FPS sunt cotate folosind o ROI parțială. Dacă utilizați camera la rezoluția maximă a senzorului, numărul crescut de rânduri crește direct timpul de citire a cadrelor, reducând rata de cadre realizabilă.
2. Timpul de expunere depășește timpul de citire
Dacă timpul de expunere este mai lung decât timpul de citire a cadrelor senzorului, acesta devine factorul limitator. În imagistica în condiții de lumină slabă, timpii de integrare mai lungi reduc în mod natural numărul maxim de cadre pe secundă (FPS), indiferent de capacitatea de citire a senzorului.
3. Adâncime de biți mai mare sau moduri HDR
Funcționarea în modurile de 16 biți sau cu gamă dinamică ridicată crește volumul de date și poate modifica temporizarea citirii. Acest lucru poate reduce rata de cadre pe secundă realizabilă în comparație cu modurile de „viteză” cu adâncime de biți mai mică.
4. Limitări ale lățimii de bandă a interfeței
Interfețele USB, Camera Link sau PCIe au lățime de bandă finită. Dacă rata de date necesară depășește debitul susținut al interfeței, FPS-ul efectiv poate fi redus sau stocat intern.
5. Costuri generale de software și procesare
Configurația declanșatorului, strategia de buffering, viteza de stocare și sarcina de procesare pot afecta rata de cadre susținută în timpul achiziției din lumea reală.
Pentru a diagnostica discrepanțele în ceea ce privește rata de cadre pe secundă, este important să se identifice dacă limitarea provine din sincronizarea senzorului, durata expunerii sau debitul de date. Numai după identificarea blocajului poate fi optimizată eficient performanța.
Cum să optimizați rata de cadre pentru aplicația dvs.
Optimizarea ratei cadrelor începe cu identificarea adevăratului factor limitator din sistemul dumneavoastră de imagistică. Odată ce blocajul este înțeles, ajustările specifice pot îmbunătăți semnificativ viteza de achiziție.
1. Reduceți Regiunea de Interes (ROI)
Dacă nu este necesară rezoluția completă a senzorului, reducerea numărului de rânduri active este adesea cea mai eficientă modalitate de a crește rata de cadre. Deoarece timpul de citire a cadrelor se modifică în funcție de numărul de rânduri, limitarea achiziției la zona de interes poate crește substanțial FPS-ul.
2. Ajustați timpul de expunere
Când timpul de expunere depășește timpul de citire, acesta devine factorul limitator. Creșterea intensității iluminării, ajustarea corespunzătoare a amplificării sau relaxarea cerințelor de semnal pot permite timpi de expunere mai scurți și rate de cadre mai mari.
3. Selectați un mod de citire adecvat
Dacă este disponibil, utilizați un mod optimizat pentru viteză atunci când intervalul dinamic ridicat nu este esențial. O adâncime de biți mai mică sau modurile de amplificare alternative pot reduce sarcina de citire și transfer de date.
4. Verificați interfața și debitul de date
Asigurați-vă că lățimea de bandă a interfeței acceptă rata de date necesară. Reducerea adâncimii de biți, limitarea rezoluției sau modernizarea legăturii de date pot îmbunătăți performanța susținută.
5. Identificați constrângerea dominantă
Optimizarea ratei de cadre este cea mai eficientă atunci când modificările abordează componenta limitatoare reală - citirea senzorului, durata expunerii sau lățimea de bandă a interfeței - în loc să ajusteze parametri fără legătură.
Concluzie
Rata de cadre a camerei nu este o specificație fixă, ci rezultatul interacțiunii dintre temporizarea senzorului, durata expunerii și debitul de date în anumite condiții de funcționare. Înțelegerea relației dintre timpul de linie, timpul de citire a cadrelor, timpul de expunere și lățimea de bandă a interfeței este esențială atunci când se evaluează sau se optimizează viteza de achiziție. În practică, rata de cadre realizabilă este determinată de cea mai lentă componentă din lanțul de imagistică.
At TucsenPerformanța ratei cadrelor este proiectată și validată în limitele reale ale sistemului, inclusiv arhitectura de citire, selecția modului și configurația interfeței. Dacă aplicația dvs. necesită achiziție susținută de mare viteză, echipa noastră vă poate ajuta să evaluați limitele reale de performanță în cadrul fluxului dvs. de lucru specific.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Toate drepturile rezervate. Când citați, vă rugăm să menționați sursa:www.tucsen.com
