2022年2月25日相機幀速率描述了相機每秒可以擷取多少張影像，在評估高速成像系統時，它通常被視為一項關鍵指標。在動態實驗、偵測流程或快速生物過程中，幀速率直接決定了能夠捕捉到多少時間細節。
然而，標稱的最大幀速率並非固定值。它取決於感測器架構、感興趣區域 (ROI)、曝光時間、讀出模式和資料介面頻寬。實際上，可達到的幀速率是多種交互作用因素共同作用的結果。要理解這些因素，需要超越每秒影格數的簡單概念，深入探討相機系統內部影格時間的構成方式。
什麼是相機幀速率？
相機幀率是指在特定操作條件下，相機每秒可以擷取的幀數。它通常以幀每秒 (FPS) 為單位，代表連續拍攝影像並將其用於處理或儲存的速度。
幀速率決定了成像系統的時間解析度。在動態應用中——例如粒子追蹤、高速檢測或快速變化的生物過程——更高的幀速率可以更詳細地觀察運動和瞬態事件。
然而，幀速率並非一個孤立的指標。可達到的最大幀速率取決於相機模式、感興趣區域 (ROI)、曝光時間、位元深度和介面頻寬。通常所說的「最大幀速率」是在特定條件下測得的，例如縮小感興趣區域或採用特定的讀取模式。
要了解真正限制幀速率的因素，需要研究獲取和讀取單個幀所需的時間（稱為幀時間），這將在下一節中進行探討。
幀速率、幀時間和行時間
幀速率通常以每秒幀數 (FPS) 表示，但 FPS 並非主要物理參數。它是採集和讀取單幀所需時間的倒數。
幀率 = 1 / 幀時間
因此，要了解幀速率的決定因素，我們必須研究幀時間是如何組成的。
幀時間由何構成？
幀時間是指產生一幅完整影像所需的總時間。在大多數情況下，幀時間是指產生完整影像所需的時間。CMOS相機這包括：
●曝光時間（感測器收集光線的時間有多長)
● 感測器讀取時間（轉換和傳輸像素值需要多長時間)
●資料傳輸時間（與主機進行介面傳輸)
當曝光時間相對於讀取時間較短時，幀速率通常會受到讀取過程的限制。而當曝光時間較長時，讀取過程本身可能成為主要的限制因素。
線路時間－感測器的基本約束
對於CMOS感測器而言，限制幀速率的主要內部因素是行時間。行時間是指一行類比數位轉換器（ADC）測量和數位化一行像素所需的時間。
在大多數架構中，每一行都是依序處理的。因此，一幀的總讀取時間由活動行數乘以行時間決定：
幀讀取時間 = 行讀取時間 × 行數
圖 1：平行四邊形捲簾快門時序圖簡介
左邊：感測器行（y 軸）與時間（x 軸）的關係圖，黃色平行四邊形標記了由於捲簾快門作用而導致的每個相機行的曝光情況。
正確的：放大到單一行級別，說明讀數和重置在決定捲簾快門線時間方面所扮演的角色。
這就解釋了為什麼縮小感興趣區域（ROI）——特別是像素行數——可以顯著提高幀速率。在其他因素保持不變的情況下，將行數減半大約可以使讀取時間減半，並且幾乎可以使可實現的幀速率翻倍。
行時間本身可能因讀取模式而異，但在給定模式下通常是固定的。
理論幀率與實際幀率
規格參數中提到的“最大幀速率”通常僅根據幀讀取時間計算。實際上，由於以下原因，實際幀速率可能會更低：
● 更長的曝光時間
● 介面頻寬限制
● 軟體或處理延遲
因此，區分理論最大幀率和實際操作條件下可達到的幀率非常重要。
影響幀速率的感測器級因素
雖然行時間和幀讀取時間定義了感測器的基本時間限制，但相機層級的幾個可配置參數可以顯著影響可實現的幀速率。
感興趣區域（ROI）
活動像素行數直接決定幀讀取時間。減少感興趣區域的高度會減少需要讀取的行數，從而縮短讀取時間。
由於幀讀取時間與行數大致成正比，因此將 ROI 高度減半幾乎可以使最大幀速率翻倍——假設曝光時間和介面頻寬不是限制因素。對於專注於小範圍運動或偵測的應用，ROI 通常是提高速度最有效的方法。
分箱和子抽樣
像素合併在讀取或數位化之前將相鄰像素合併，從而有效降低輸出解析度和總資料量。根據感測器架構的不同，像素合併可以降低資料吞吐量需求，有時還能提高有效幀速率。
然而，像素合併並非總是能縮短內部讀取時間。在許多CMOS設計中，即使像素合併，行仍然是按順序讀取的。因此，像素合併可以在不顯著改變固有讀取時序的情況下提高資料傳輸效率。
位元深度和讀出模式
許多科學相機提供多種讀出模式，通常會犧牲動態範圍來換取速度。例如，16 位元高動態範圍模式可能優先考慮低讀出雜訊和大滿阱容量，而 12 位元「速度模式」則可能透過降低資料精度或改變放大設定來實現更高的幀速率。
由於更高的位元深度會增加每幀的資料量，因此切換到較低的位元深度可以減少資料傳輸負載，並且在某些情況下，可以提高幀速率——尤其是在介面頻寬是限制因素時。
曝光時間和幀速率的相互作用
幀速率並非僅由感測器讀取時間決定。曝光時間也會限制連續影格的擷取速度。
一般來說，最大可達到的幀速率取決於曝光時間和幀讀取時間中較長的那個時間分量。如果曝光時間短於讀取時間，則讀取時間限制幀速率。但是，如果曝光時間超過讀取時間，則曝光時間成為主要限制因素。
在許多捲簾快門CMOS設計中，曝光和讀出可以部分重疊。當讀取一行像素時，其他行像素可能已經在為下一幀進行光積分。這種重疊使得曝光時間可以短於完整幀的讀取時間，而無需降低幀速率。
然而，當曝光時間超過感測器的總讀取時間時（例如在需要更長時間積分的低光成像中），幀速率會成比例下降。在這種情況下：
最大幀率 ≈ 1 / 曝光時間
了解系統受限於讀出還是曝光，對於優化擷取速度至關重要。提高增益、改善照明或縮短所需的積分時間，可能比單獨調整感興趣區域 (ROI) 或讀取模式更能有效提高幀速率。
介面頻寬和資料吞吐量限制
即使感測器能夠高速讀取幀，相機與主機之間的介面也可能成為限制因素。
擷取的每一幀影像都必須透過資料鏈路（例如 USB、Camera Link 或 PCIe）傳輸到電腦進行處理或儲存。所需的頻寬取決於：
●影格大小（像素數）
● 位元深度（每像素資料量）
● 幀率
數據速率可估算如下：
資料速率 ≈ (每幀像素數 × 位元深度 × 幀速率)
例如，一個 2048 × 2048 的感測器，以 16 位元色深和 100 幀/秒的幀速率運行，會產生超過 800 MB/s 的原始資料。如果介面無法支援如此高的吞吐量，則有效幀速率將會降低，或者幀可能會在相機內部暫時緩衝。
在許多系統中，降低 ROI 或切換到較低的位元深度不僅可以減少讀取時間，還可以減少所需的頻寬，從而使介面能夠維持更高的 FPS。
因此，區分以下幾點很重要：
●感測器限制幀速率由線路時間和讀數決定
●受介面限制的幀速率由頻寬和系統配置決定
儲存速度、驅動程式效率和軟體開銷也會影響實際效能，尤其是在持續高速採集期間。
了解瓶頸所在（感測器時序或資料傳輸）對於診斷幀速率限制至關重要。
為什麼你的實際幀率低於規格幀率
相機規格表中列出的最大幀速率通常是在理想條件下計算的——通常採用較小的興趣區域 (ROI)、較短的曝光時間、特定的讀取模式和最佳的介面配置。實際上，由於多種常見因素，可達到的幀速率可能會更低。
1. 全感測器與降低投資報酬率
許多最大幀速率值都是基於部分感興趣區域（ROI）計算得出的。如果以感測器全解析度運行相機，增加的行數會直接增加幀讀取時間，從而降低可達到的幀速率。
2.曝光時間超過讀取時間
如果曝光時間長於感測器的幀讀取時間，則曝光時間會成為限制因素。在低光照成像中，無論感測器的讀取能力如何，較長的積分時間都會自然降低最大幀速率。
3. 更高的位元深度或HDR模式
以 16 位元或高動態範圍模式運作會增加資料量，並可能改變讀取時序。與較低位元深度的“速度”模式相比，這可能會降低可達到的幀速率。
4. 介面頻寬限制
USB、Camera Link 或 PCIe 介面的頻寬有限。如果所需資料速率超過介面的持續吞吐量，則有效幀率可能會降低或進行內部緩衝。
5. 軟體和處理開銷
觸發配置、緩衝策略、儲存速度和處理負載都會影響實際採集過程中的持續幀率。
要診斷幀率差異，必須確定瓶頸是源自於感測器時序、曝光時間還是資料吞吐量。只有找到瓶頸所在，才能有效優化效能。
如何優化應用程式的幀速率
優化幀速率首先要找出成像系統中真正的瓶頸所在。一旦找到瓶頸，針對性的調整就能顯著提高採集速度。
1. 縮小感興趣區域（ROI）
如果不需要全解析度感測器，減少活動行數通常是提高幀率最有效的方法。由於幀讀取時間與行數成正比，因此將擷取範圍限制在感興趣區域可顯著提高幀率。
2. 調整曝光時間
當曝光時間超過讀取時間時，它就成為限制因素。提高照明強度、適當調整增益或放寬訊號要求可以縮短曝光時間並提高幀速率。
3. 選擇合適的讀取模式
如果條件允許，在對動態範圍要求不高的情況下，應使用速度最佳化模式。降低位元深度或採用其他放大模式可以減輕讀取和資料傳輸的負擔。
4. 檢查介面和資料吞吐量
確保介面頻寬支援所需的資料速率。降低位元深度、限制解析度或升級資料鏈路可能有助於提高持續效能。
5. 確定主要約束條件
幀速率最佳化最有效的方法是針對真正的限制因素（感測器讀取、曝光時間或介面頻寬）進行更改，而不是調整不相關的參數。
結論
相機幀率並非固定不變，而是感測器時序、曝光時間和資料吞吐量在特定工作條件下共同作用的結果。在評估或最佳化擷取速度時，理解線路時間、幀讀取時間、曝光時間和介面頻寬之間的關係至關重要。實際上，可達到的幀速率取決於成像鏈中最慢的組件。
At 圖森幀速率性能是在實際系統約束條件下進行設計和驗證的，這些約束條件包括讀出架構、模式選擇和介面配置。如果您的應用需要持續高速擷取，我們的團隊可以協助您評估特定工作流程下的實際效能極限。
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