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：ExposureandSensorReadout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。Fig.1Non-overlappedExposure虽然非重叠(“non-overlapped”)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。Fig.2overlappedExposure从上边两个图中，我们可以知道在“non-overlapped”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≤ExposureTime+ReadoutTime“non-overlapped”的曝光模式下:FramePeriodExposureTime+ReadoutTime以STC-A202A为例：图1Spec从Spec中可知，其PixelFrequency为：36.8181MHz,所以1Clock的时间为1/36.8181Mhz=27.3836ns,接下来我们看相机的Timingchart，首先先看HorizontalTiming，见图2所示：图2HorizontalTiming从图2中，我们从中可读到的信息为，1CLK=27.1605nseconds，和我们从spec上得到的PixelFrequency算出来的时间差不多。扫描1Horizontal需要1920CLK，即1H=27.1605*1920=52148.16ns=52.14816us接下来看相机VerticalTiming见图3所示：图3VerticalTiming从图3中，我们可读出的信息为，1H=52.1482useconds，和我们通过图2计算出来horizontalScanning的时间一致，而在一帧图像中，需要扫描1252H，其中EffectivePixels为1220H，即1帧图像中，EffectivePixelsReadout的时间为1220*52.1482=63620.804us=63.620804ms，一个VD信号，所用的时间为：1252*52.1482=67793.5464us=67.7935464ms。按照我们前边的理论，一个cycletime内，一帧图像的时间为：FramePeriod=ExposureTime+ReadoutTime而我们知道STC-A202A的帧率为：15fps，即1FramePeriod=1/15=66.7ms。所以在“non-overlapped”exposure模式下，ExposureTime=FramePeriod–ReadoutTime=66.7ms-63.6ms=3.1ms，在此模式下，若是超过3.1ms的曝光时间，其帧率就会比标准帧率15fps低。假如1颗相机ReadoutTime为：66.7ms，即数据传输时间为A，A=66.7ms，曝光时间为B，B=5ms，则一帧图像的时间为C，则C=A+B=66.7ms+5ms=71.7ms，则这颗相机的帧率为：1000/71.7=13.94FPS，则这颗相机的帧率为13.94.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=66.7ms