相机帧率和曝光时间的关系

相机帧率和曝光时间的关系

今天朋友在问我，为什么我们在使用工业相机的时候，将相机的曝光时间增加以后，相机的帧率就下降，而且下降得很厉害，相机的帧率和曝光的关系是怎样，如果想要获得固定的帧率，相机的曝光时间应该怎么设置？因此写下本文，解答了朋友的问题，也使用Sentech相机来做过相关的测试，帧率和曝光时间跟本文中所述一致。详细原理见下文所示：

Exposure and Sensor Readout

相机上的图像采集过程包括两个截然不同的部分。第一部分是曝光。曝光完成后，进行第二部分Readout过程即从传感器的寄存器中读出数据并传送出去（Readout过程）。

关于图像采集过程中，相机操作有两种常见的方法：“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光。在非重叠(“non-overlapped”)模式中，每个图像采集的周期中，相机在下一个图像采集开始前，均要完成曝光/读出整个过程。如图1所示。

Non-overlapped Exposure

虽然非重叠(“non-over lapped”)的模式，可适合于许多情况下，但它并不是最有效的方式。为了提高相机的帧率，允许在下一帧图像开始曝光时候，将前一帧获得的图像数据读出并传送出去。相机“重叠”(“overlapped”)曝光的方式见图2所示。

从图2中我们可以看到，相机读出数据和下一帧曝光开始出现重叠的情况，在同一个时刻内，相机执行两个操作，导致在同样的单位时间内，在“overlapped”曝光模式下，可以采集到更多的图片，即相机的帧率更高。

overlapped Exposure

从上边两个图中，我们可以知道在“non-o verlapped”的曝光和“overlapped”的曝光模式底下，一帧图像的周期存在着这样的关系:

"overlapped”的曝光模式下: FramePeriod ≤Exposure Time + ReadoutTime

“non-overlapped”的曝光模式下:FramePeriod > Exposure Time + Readout Time

以STC-A202A为例：

图1 Spec

从Spec中可知，其Pixel Frequency为：,所以1Clock的时间为1/ =,接下来我们看相机的Timing chart，首先先看HorizontalTiming，见图2所示：

图2 Horizontal Timing

从图2中，我们从中可读到的信息为，1 CLK= nseconds，和我们从spec上得到的Pixel Frequency算出来的时间差不多。扫描1Horizontal需要1920CLK，即1H =*1920 ==

接下来看相机Vertical Timing 见图3所示：

图3 Vertical Timing

从图3中，我们可读出的信息为，1H=，和我们通过图2计算出来horizontal Scanning的时间一致，而在一帧图像中，需要扫描1252H，其中Effective Pixels 为1220H，即1帧图像中，Effective Pixels Read out的时间为1220* = =，一个VD信号，所用的时间为：1252*= =。按照我们前边的理论，一个cycletime 内，一帧图像的时间为：Frame Period = Exposure Time +Readout Time

而我们知道STC-A202A的帧率为：15fps，即1 Frame Period =1/15 =。

所以在“non-overlapped”exposure 模式下，ExposureTime = Frame Period –Readout Time = =，在此模式下，若是超过的曝光时间，其帧率就会比标准帧率15fps低。

假如1颗相机Readout Time为：，即数据传输时间为A，A=，曝光时间为B，B=5ms，则一帧图像的时间为C，则C=A+B= + 5ms =，则这颗相机的帧率为：1000/ =，则这颗相机的帧率为.

注意：一般情况下，若我们的相机的帧率为15fps，则表示相机ReadOut数据的时间为1000ms/15 =

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6xde.html