工業(yè)相機(jī)參數(shù)之幀率相關(guān)知識(shí)詳解：

    工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的重要組成部分之一，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中有著非常重要的作用。工業(yè)相機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線在線檢測(cè)、智能交通，機(jī)器視覺(jué)，科研，軍事科學(xué)，航天航空等眾多領(lǐng)域。

    工業(yè)相機(jī)的主要參數(shù)包括：分辨率、幀率、像素、像元尺寸、光譜響應(yīng)特性等。下面我們來(lái)對(duì)工業(yè)相機(jī)幀率的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解：
    幀率（Frame rate）是用于測(cè)量顯示幀數(shù)的量度。所謂的測(cè)量單位為每秒顯示幀數(shù)(Frames per Second)，簡(jiǎn)稱：FPS或“赫茲”（Hz）。　　       
    由于人類眼睛的特殊生理結(jié)構(gòu)，如果所看畫(huà)面之幀率高于16fps的時(shí)候，就會(huì)認(rèn)為是連貫的，此現(xiàn)象稱之為視覺(jué)暫留。這也就是為什么電影膠片是一格一格拍攝出來(lái)，然后快速播放的。
    每秒的幀數(shù)(fps)或者說(shuō)幀率表示圖形處理器處理場(chǎng)時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動(dòng)畫(huà)。一般來(lái)說(shuō)30fps就是可以接受的，但是將性能提升至60fps則可以明顯提升交互感和逼真感，但是一般來(lái)說(shuō)超過(guò)75fps一般就不容易察覺(jué)到有明顯的流暢度提升了。如果幀率超過(guò)屏幕刷新率只會(huì)浪費(fèi)圖形處理的能力，因?yàn)楸O(jiān)視器不能以這么快的速度更新，這樣超過(guò)刷新率的幀率就浪費(fèi)掉了。
    最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate)：即相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec.)，對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)(Hz)。

相機(jī)幀率和曝光時(shí)間的關(guān)系：

      有人問(wèn)，為什么我們?cè)谑褂霉I(yè)相機(jī)的時(shí)候，將相機(jī)的曝光時(shí)間增加以后，相機(jī)的幀率就下降，而且下降得很厲害，相機(jī)的幀率和曝光的關(guān)系是怎樣，如果想要獲得固定的幀率，相機(jī)的曝光時(shí)間應(yīng)該怎么設(shè)置？因此寫(xiě)下本文，解答了朋友的問(wèn)題，也使用Sentech相機(jī)來(lái)做過(guò)相關(guān)的測(cè)試，幀率和曝光時(shí)間跟本文中所述一致。詳細(xì)原理見(jiàn)下文所示：

Exposure and Sensor Readout

相機(jī)上的圖像采集過(guò)程包括兩個(gè)截然不同的部分。第一部分是曝光。曝光完成后，進(jìn)行第二部分Readout過(guò)程即從傳感器的寄存器中讀出數(shù)據(jù)并傳送出去（Readout過(guò)程）。

關(guān)于圖像采集過(guò)程中，相機(jī)操作有兩種常見(jiàn)的方法：“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光。在非重疊(“non-overlapped”)模式中，每個(gè)圖像采集的周期中，相機(jī)在下一個(gè)圖像采集開(kāi)始前，均要完成曝光/讀出整個(gè)過(guò)程。如圖1所示。

Fig.1 Non-overlapped Exposure

雖然非重疊(“non-overlapped”)的模式，可適合于許多情況下，但它并不是最有效的方式。為了提高相機(jī)的幀率，允許在下一幀圖像開(kāi)始曝光時(shí)候，將前一幀獲得的圖像數(shù)據(jù)讀出并傳送出去。相機(jī)“重疊”(“overlapped”)曝光的方式見(jiàn)圖2所示。

從圖2中我們可以看到，相機(jī)讀出數(shù)據(jù)和下一幀曝光開(kāi)始出現(xiàn)重疊的情況，在同一個(gè)時(shí)刻內(nèi)，相機(jī)執(zhí)行兩個(gè)操作，導(dǎo)致在同樣的單位時(shí)間內(nèi)，在“overlapped”曝光模式下，可以采集到更多的圖片，即相機(jī)的幀率更高。

Fig.2 overlapped Exposure

      從上邊兩個(gè)圖中，我們可以知道在“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光模式底下，一幀圖像的周期存在著這樣的關(guān)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為例：

從Spec中可知，其Pixel Frequency為：36.8181MHz,所以1Clock的時(shí)間為1/36.8181Mhz =27.3836ns,接下來(lái)我們看相機(jī)的Timing chart，首先先看HorizontalTiming，見(jiàn)圖2所示：

2 Horizontal Timing

 從圖2中，我們從中可讀到的信息為，1 CLK=27.1605 nseconds，和我們從spec上得到的Pixel Frequency算出來(lái)的時(shí)間差不多。掃描1Horizontal需要1920CLK，即1H =27.1605*1920 =52148.16ns=52.14816us

接下來(lái)看相機(jī)Vertical Timing 見(jiàn)圖3所示：

圖3 Vertical Timing

從圖3中，我們可讀出的信息為，1H=52.1482useconds，和我們通過(guò)圖2計(jì)算出來(lái)horizontal Scanning的時(shí)間一致，而在一幀圖像中，需要掃描1252H，其中Effective Pixels為1220H，即1幀圖像中，Effective Pixels Read out的時(shí)間為1220*52.1482 =63620.804us =63.620804ms，一個(gè)VD信號(hào)，所用的時(shí)間為：1252*52.1482=67793.5464us =67.7935464ms。按照我們前邊的理論，一個(gè)cycletime內(nèi)，一幀圖像的時(shí)間為：Frame Period = Exposure Time +Readout Time

而我們知道STC-A202A的幀率為：15fps，即1 Frame Period =1/15 =66.7ms。

所以在“non-overlapped”exposure 模式下，ExposureTime = Frame Period – Readout Time =66.7ms -63.6ms =3.1ms，在此模式下，若是超過(guò)3.1ms的曝光時(shí)間，其幀率就會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)幀率15fps低。

         假如1顆相機(jī)Readout Time為：66.7ms，即數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為A，A=66.7ms，曝光時(shí)間為B，B=5ms，則一幀圖像的時(shí)間為C，則C=A+B=66.7ms + 5ms =71.7ms，則這顆相機(jī)的幀率為：1000/71.7 =13.94FPS，則這顆相機(jī)的幀率為13.94.

注意：一般情況下，若我們的相機(jī)的幀率為15fps，則表示相機(jī)ReadOut數(shù)據(jù)的時(shí)間為1000ms/15 =66.7ms