視覺光學知識分享——相機的(de)讀出(chū)速率與幀速率

什麽是(shì)讀出(chū)速率

讀出(chū)速率定義爲(wéi / wèi)串行轉換時(shí)間的(de)倒數，即數字化單個(gè)像素所需的(de)時(shí)間。讀出(chū)速率通常以(yǐ)像素/秒爲(wéi / wèi)單位（例如，500千像素/秒）。

什麽是(shì)幀速率

幀速率是(shì)CCD/CMOS獲取圖像然後完全讀出(chū)該圖像所需時(shí)間的(de)倒數。幀速率通常以(yǐ)每秒幀數 (fps) 表示。通常，可以(yǐ)根據像素總數和(hé / huò)讀出(chū)速率，結合總曝光時(shí)間來(lái)近似計算幀速率。例如：

大(dà)概的(de)幀速率=1 /（像素數 /數字化器速率+幀采集時(shí)間）

但是(shì)，還有許多其他(tā)因素會對幀速率産生重大(dà)影響，具體取決于(yú)操作條件。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)更好地(dì / de)理解幀速率，我們将定義另外兩個(gè)稱爲(wéi / wèi)幀獲取時(shí)間 (FAT) 和(hé / huò)幀讀取時(shí)間 (FRT) 的(de)量，它們将考慮所有這(zhè)些因素。幀率定義爲(wéi / wèi)：

真實的(de)幀速率 = 1 / (幀采集時(shí)間 + 幀讀取時(shí)間)

幀采集時(shí)間 = (清除計數 × 并行清除時(shí)間) + 快門打開時(shí)間 + 關閉延時(shí) + 曝光時(shí)間

幀讀取時(shí)間 = 串行清除時(shí)間 + (并行移位時(shí)間 × 并行大(dà)小) + (串行丢棄時(shí)間 × 子(zǐ)陣列前後像素) + (串行轉換時(shí)間 × 讀取的(de)像素)

清除計數和(hé / huò)并行清除時(shí)間

根據應用條件，在(zài)獲取圖像之(zhī)前可能需要(yào / yāo)清除累積電荷的(de)CCD/CMOS陣列。這(zhè)種累積電荷的(de)來(lái)源可以(yǐ)是(shì)暗電流，甚至是(shì)宇宙射線所導緻的(de)。陣列可能需要(yào / yāo)多次清除才能完全消除電荷。清除計數定義爲(wéi / wèi)完成電荷清除的(de)次數，并行清除時(shí)間是(shì)完成每次清除所需的(de)時(shí)間。由于(yú)隻需清除電荷，無需數字化，因此并行清除時(shí)間比正常讀數花費的(de)時(shí)間更少。

串行清除時(shí)間

在(zài)并行寄存器的(de)情況下，有時(shí)可能需要(yào / yāo)在(zài)從并行寄存器傳輸電荷之(zhī)前清除累積電荷的(de)串行寄存器，這(zhè)就(jiù)是(shì)串行清除時(shí)間。

并行移位時(shí)間和(hé / huò)并行大(dà)小

并行移位時(shí)間是(shì)在(zài)圖像讀出(chū)期間将一(yī / yì ／yí)行像素移入串行寄存器所需的(de)時(shí)間。如果正在(zài)執行合并，則必須将其乘以(yǐ)超像素的(de)并行大(dà)小來(lái)得出(chū)轉移電荷所需的(de)總時(shí)間。

串行丢棄時(shí)間

從CCD讀取子(zǐ)陣列時(shí)，可能需要(yào / yāo)丢棄ROI之(zhī)前和(hé / huò)之(zhī)後的(de)像素。串行丢棄時(shí)間是(shì)完成此操作所需的(de)時(shí)間。此外，大(dà)多數CCD/CMOS上(shàng)的(de)串行寄存器在(zài)串行陣列的(de)數據部分和(hé / huò)輸出(chū)放大(dà)器之(zhī)間放置了(le／liǎo)許多像素（通常爲(wéi / wèi)20到(dào)50）。在(zài)讀取數據之(zhī)前必須丢棄這(zhè)些像素。

影響幀速率的(de)其他(tā)因素

在(zài)使用相機時(shí)，一(yī / yì ／yí)些相機提供僅傳輸傳感器的(de)部分區域的(de)能力，這(zhè)提供了(le／liǎo)專注于(yú)包含與圖像處理相關的(de)信息的(de)圖像區域的(de)選項，也(yě)就(jiù)是(shì)感興趣區域（ROI）。

這(zhè)個(gè)感興趣區域 (ROI) 有時(shí)可以(yǐ)小到(dào)一(yī / yì ／yí)個(gè)像素。減少由相機傳輸的(de)圖像的(de)大(dà)小會減少圖像大(dà)小，從而(ér)減少每個(gè)圖像所需的(de)帶寬。在(zài)配置ROI時(shí)，讀出(chū)窗口縮小到(dào)與分析相關的(de)區域，能夠顯著增加了(le／liǎo)圖像頻率。

此外，一(yī / yì ／yí)些具有高效并行讀出(chū)設計的(de) CMOS 傳感器還可以(yǐ)在(zài)減少水平窗口和(hé / huò)垂直窗口時(shí)提高幀讀出(chū)速率。例如，如果 CMOS 相機的(de)分辨率爲(wéi / wèi)1000×1000 像素，滿幀速率爲(wéi / wèi)100fps，ROI爲(wéi / wèi)200×500像素，則隻有總像素的(de)1/10需要(yào / yāo)讀出(chū)，因此幀速率增加到(dào)近1000 fps。實際上(shàng)，從傳感器讀取數據還涉及其他(tā)延遲，因此與全分辨率幀速率相比，幀速率的(de)增加與分辨率的(de)降低并不(bù)完全成正比。

越來(lái)越多的(de)相機允許從傳感器中讀取多個(gè)感興趣區域 (MROI) 以(yǐ)執行多項檢查。當隻需要(yào / yāo)非常小的(de)ROI進行分析時(shí)，這(zhè)對于(yú)需要(yào / yāo)極高精度的(de)高分辨率相機的(de)應用來(lái)說(shuō)尤其有用。甚至有一(yī / yì ／yí)些允許動态重新定位感興趣的(de)區域，從而(ér)能夠在(zài)視野内跟蹤對象。光虎視覺提醒，需要(yào / yāo)注意的(de)是(shì)，一(yī / yì ／yí)些CCD相機能夠提供ROI讀出(chū)，但是(shì)，這(zhè)隻會減少數據傳輸時(shí)間，而(ér)不(bù)會減少傳感器讀出(chū)時(shí)間，因爲(wéi / wèi)CCD總是(shì)必須讀出(chū)完整的(de)行。

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