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工业摄像头的帧率与曝光有关系吗
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工业摄像头的主要参数包括：分辨率、帧率、像素、像元尺寸、光谱响应特性等。帧率（Frame rate）是用于测量显示帧数的量度，其测量单位为每秒显示帧数(Frames per Second)，简称：FPS或“赫兹”（Hz）。由于人类眼睛的特殊生理结构，如果所看画面之帧率高于25fps的时候，就会认为是连贯的，此现象称之为视觉暂留，这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来，然后快速播放的。每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形处理器处理时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画，一般来说30fps就是可以接受的，但是将性能提升至60fps，则可以明显提升交互感和逼真感。但是一般来说，超过75fps就不容易察觉到有明显的流畅度提升了。如果帧率超过屏幕刷新率只会浪费图形处理的能力，因为监视器不能以这么快的速度更新，这样超过刷新率的帧率就浪费掉了。那么，工业摄像头帧率和曝光时间有什么关系吗？有人问，为什么我们在使用工业摄像头的时候，将其的曝光时间增大以后，帧率就下降，而且下降得很厉害，工业摄像头的帧率和曝光的关系是怎样？如果想要获得固定的帧率，摄像头的曝光时间应该怎么设置？维视图像据多年经验来解答以上问题,请读下文。摄像头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）。在图像采集过程中，工业摄像头的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，工业摄像头在下一个图像采集开始前，均要完成曝光/读出整个过程。如下图所示。虽然非重叠(“non-overlapped”)的模式，可适合于许多情况，但它并不是最有效的方式。为了提高工业摄像头的帧率，会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，这就是“重叠”(“overlapped”)曝光的模式。工业摄像头“重叠”(“overlapped”)曝光的方式见下图。从此图中我们可以看到，摄像头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，摄像头执行两个操作，因此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，即工业摄像头的帧率更高。从上边两个图中，我们可以知道在“non-overlapped”和“overlapped”的曝光模式下，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。
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电话：010-在视频领域，电影、电视、数字视频等可视为随时间连续变换的许多张画面，而“（ Frame）”是指每一张画面。而我们日常口语习惯或者说不严谨的交流中，通常对于（ Frames）与（ Frame rate）之间都是混淆的，那么今天子凡就简单的来科普一下这些科技生活方式的小知识。
简单的理解帧就是为视频或者动画中的每一张画面，而视频和动画特效就是由无数张画面组合而成，每一张画面都是一帧。
帧数 Frames
帧数其实就是为帧生成数量的简称，可以解释为静止画面的数量，也就是说，如果一个动画的帧率恒定为 60 帧每秒(fps)，那么它在一秒钟内的帧数为 60 帧，两秒钟内的帧数为 120 帧。值得说的是对于我们大多数手机视频拍摄能力，无论是 720P 还是 1080P 基本都只有 30 帧每秒，因为这个将涉及到手机 GPU 图形处理器的能力和存储能力，这都是受手机硬件条件的影响，当然一些手机也可以拍出 4K 视频，甚至可以使用 135 帧每秒的超高速拍摄功能。
帧率 Frame rate
帧率(Frame rate) = 帧数(Frames)/时间(Time)，单位为帧每秒(f/s, frames per second, fps)
帧率是用于测量显示帧数的量度，测量单位为“每秒显示帧数”（ Frame per Second， ）或“”（ Hz），一般来说 FPS 用于描述视频、电子绘图或游戏每秒播放多少幀。
FPS（ Frame per Second）每秒显示帧数
FPS 是图像领域中的定义，是指画面每秒传输帧数，通俗来讲就是指动画或视频的画面数。 FPS 是测量用于保存、显示动态视频的信息数量。每秒钟帧数愈多，所显示的动作就会愈流畅。通常，要避免动作不流畅的最低是 30 。某些计算机视频格式，每秒只能提供 15 帧。
FPS 对比，图片来自 3dmgame
FPS 也可以理解为我们常说的“刷新频率”或者“”，使用“赫兹”（ Hz）为单位。最简单的就是我们玩儿 LOL 英雄联盟、 CS 、以及手机上的王者荣耀等游戏中说的“ FPS 值”。而在显示器的刷新率中，如果你使用过那种很笨重的 CRT 显示器，那么你一定经历过将刷新率调低后，看着整个画面都是在闪烁的，所以当时的显示器的刷新率最大也就只有 60Hz，而现在子凡随便一看都是 150Hz 了，但是也会更具显卡来设置，当然 60Hz 也够了。其中子凡说的 60Hz 的刷新率刷也就是指屏幕一秒内只扫描 60 次，即 60 帧/秒。
常识小科普
由于人眼的特殊生理结构，当所见到的画面帧率高于每秒约 10-12 帧的时候，就会认为是连贯性的视频或动画效果，此现象被称之为视觉暂留。所以相信像子凡一样年纪的人，可能还看过胶片电影，就是通过快速的投影播放无数帧的电影胶片而形成，其实都是电影胶片是一格一格拍摄出来。
举个最简单的例子，大家应该都用过手机相机录制视频，其中基本就会有分辨率的设置，以及帧数的设置，常见的有 15fps、24fps、30fps、60fps，其中被用的最为广泛的就是 30fps 了，在保证一定的流畅效果的同时，也可以竟可能的降低存储空间。 30 帧仅仅是流畅，而非平滑连续，因此追求更好画质和效果的就需要有更高帧率的的产品了。
除非注明，否则均为原创文章，转载必须以链接形式标明本文链接本文链接：如何选择高速相机：理解新的成像传感器和技术
即使是价格低廉的数码相机能够实现接近1000fps的帧率，但是针对生物和工业过程冻结时间的科研相机,需要依赖于新颖的探测器和图像处理技术，达到每秒几千到100万帧的拍摄速率。?
根据维基百科的描述，帧率超过250fps的相机都属于高速相机。然而，以科学术语来衡量，这种类型的速度属于“小儿科”，很容易实现。即使是价格低廉的数码相机，通常也能实现超过1000fps的帧率，而超高速扫描照相机已经设计达到万亿帧/秒的帧率。
但是对于研究基于激光的点火事件、超快工业生产线组装和加工、化学和生物事件，甚至是车辆碰撞测试结果的大多数实验室，主要依赖的是互补金属氧化物半导体（CMOS）或电荷耦合器件（CCD）相机，成像速度范围从几千到大约100万帧/秒。
当然，成像速度与成像分辨率和光强级别紧密相关。随着光子学技术的进步，高速成像相机的性能不断提升，使用户能够针对不断扩大的应用范围冻结时间。
每台相机都是一个完整的光电系统，包含光学原件、光机械、探测器、外壳和电子数据存储和控制组件。但在一般情况下，任何相机的性能参数都是由图像传感器决定的；因此，所有其他系统组件的设计，都是围绕图像传感器来展开的。
通常，CMOS传感器被认为是高速成像应用的最佳选择。不同于像素数量有限的CCD传感器，将输入光转换为电压信号，然后通过数量有限（一个到几个）的输出节点以模拟信号的形式发送出芯片；CMOS传感器的芯片内包含放大器和数模转换器（DAC），避开了CCD图像处理的高功耗和较慢的读出速度。
“CMOS传感器是许多高速相机的核心，主要考虑到其较高数量的传感器通道，用于实现迅速的光子/电子转换，快速将电子从传感器送走。”美国Photron公司销售和市场营销总监Andrew Bridges说，“大量的DAC可以成为大的发热体，因为这需要更多的内存。幸运的是，CMOS中理想的板载内存情况，也可以通过快速数据卸载技术来实现。”
除了减少生热和传感器噪声，“光灵敏度是高速成像应用中的一个关键因素。”Bridges说，“当FASTCAM SA5在2008年左右推出时，10000的ISO值给人们留下了深刻的印象。现在，FASTCAM SA-Z中新的传感器电子产品，为12位单色相机提供50000的ISO值，为36位Bayer彩色相机提供20000的ISO值，两者均采用20μm2的像素。”Bridges介绍说，通过开发新的电路设计，大大降低了噪声，提高了增益，从而提高了灵敏度。
“我们根据真正的行业ISO Ssat12232标准，来衡量FASTCAM相机在高帧率下的光灵敏度，在同样的照明条件下采用更快的快门/曝光速度和更大的景深，无需更多的照明。”Bridges说。
标准面阵相机的一种替代方案是线阵相机。线阵相机的速度不是以每秒帧数来衡量，而是以频率来衡量，即在被扫描的物体运动的情况下，线阵相机每秒能够扫描的线数，每条线携带数千像素信息，用于采集数据。线阵相机具有更短的曝光时间，通常与高亮度光源配合，用于工业机器视觉应用。
德国Chromasens公司的三线相机，通过布置极其接近的三条RGB传感器线，实现以高水平的颜色精确度捕获移动物体的图像。该公司的allPIXAwave相机基于四线CMOS彩色线扫描传感器，线长高达15000×4行，工作速度为150kHz，吞吐量为850Mpixels/s。
加拿大Teledyne DALSA公司在2003年开发了定制的传感器和相机，能够实现1亿帧/秒的成像速率。该高帧率相机采用定制式像素设计，主要针对那些需要极短成像时间（爆炸式成像），以及拍摄图像的数量有限（10-15张）并且读出缓慢的应用，该相机能够提供围绕单个事件的相关情况的详细信息。
美国Specialised Imaging公司使用围绕光学分束器创建的多个超高分辨率（高达像素）传感器，用于持续时间从几十微秒至几十纳秒的超高速事件，如激光引发的冲击、微爆炸、超高速碰撞、弹道事件和以及某些生物过程。通过以从100帧/秒到高达10亿帧/秒的任意帧率序列触发每个传感器，避免了不得不快速读出传感器数据所带来的限制。分束器将主图像分割为多达16个端口，同时保持具有&100 lp/mm的空间分辨率和近零视差的无畸变图像。
Specialised Imaging公司的相机使用增强CCD（ICCD）传感器，作为计数时间短至几纳秒的电光快门，也作为增益级将光的短曝光时间放大至CCD可记录的级别，然后光纤耦合至微通道管板。通过使用快速（300ns的衰减）荧光粉和线转移型CCD，ICCD两帧之间的捕获间隔小于550ns，最终实现16帧相机，具有1450万帧/秒的最高速率，所有均来自于8通道ICCD相机。
帧率和数据存储
“几年前，我们的FASTCAM ultima APX-RS是市面上最快的高速视频相机，帧率25万帧/秒，但只有128像素宽16像素高的非常低的分辨率。”Bridges说道，“今天，FASTCAM SA-Z能以128×8像素[宽×高]、210万帧/秒，或者384×128像素、25.2万帧/秒的速率记录图像。”
但是美国Fastec Imaging公司的产品经理Tim Brandt提醒我们，更高的帧率并不总是捕捉有意义信息的最佳途径。“有了更高的分辨率，有可能在覆盖更大视场上做得更好。假如想通过帧拍摄移动物体的五幅图像以表征其运动，不受阻碍的物体移动通过非常有限的视场，将比其通过较大视场时快得多，因此为了在有限的视场内捕获五幅图像，将需要更高的帧率。”他继续说，“但采用更大的视场有两大优势：首先并不需要这么高的帧率；其次，将得到物体在更长时间周期内的图像，这将产生关于其行为的更多和更好的信息。”
Fastec TS和IL高速相机的最高帧率从1.8万帧/秒到大约6万帧/秒，甜区（sweet spot）为约5千帧/秒、768×300像素图像的中档性能，成本比百万帧/秒相机的替代方案显著降低（见图1）。
图1：IL5高速相机（a）在其工作参数约5000帧/秒的甜区（sweet spot），对微流体电路（b）成像，电路的控制信号都被相机记录，并作为每帧元数据的一部分保存下来。
“大多数高速相机只能一次记录几秒钟的高帧率，因为受到相机中可提供的高速内存数量的限制。例如，在100万像素分辨率下，8位相机以1000帧/秒的速率记录图像，每秒将创建1GB的原始图像数据。”Brandt说道，“TS/IL4和TS/IL5可以直接将图像记录到内置固态硬盘[SSD]驱动器上，容量高达1TB，可记录许多分钟，具体取决于帧率和分辨率，并且保持到内部驱动器的数据速率高达450MB/s，采用8GB的内部高速内存作为缓存，以适应SSD带宽的失效。”
Brandt继续提到，“所有具有固态硬盘的FastecIL和TS相机，可以将其内存划分为多达16段，每段依次记录高速视频，同时前序段被转移到驱动器上，这种‘FasFire’功能允许用户不断记录高速突发事件，同时节省非易失性存储器。”Brandt介绍说，将图像保存到SSD上的时间是如此之短，以至于用户几乎不需要等待相机为拍摄下一张照片清除缓存，这种对流程的改变，使得很多测试可能在非常短的时间内连续运行，扩展了高速应用的覆盖范围。
当然，帧率与分辨率紧密相关。美国Vision Research公司的Phantom Miro C-110相机，具有12位、0.5英寸的CMOS传感器（彩色或黑白），能以1280×1084的全分辨率实现800帧/秒的拍摄帧率；当以较低分辨率拍摄时，帧率能达到29,840帧/秒。借助8GB内存，用户在全分辨率和最高帧率下的记录时长可长达5秒。
使应用成为可能
除了子弹穿出一块木材或防碎玻璃的经典图像，高速成像可以揭示对拓展科学至关重要的事件，理解重要的科学、生物和工业过程（见图2）。
图2：FASTCAM高速成像相机记录了子弹击中钉子头部（a）和喷墨过程（b）的画面。
Vision Research公司的相机具有接近数万甚至数十万的帧率，使用高度并行和流水线处理，以及用于图像处理的专有FPGA代码，同时平衡速度、分辨率和灵敏度。该公司的PhantomV2511相机，能以170,000fps的帧率对光盘成像，当旋转速度超出其23,000rpm的旋转临界断裂点时，光盘碎裂（见图3）。在一家高速相机网站上（），记录了很多其他有趣的高速成像案例，例如碰撞假人测试、安全气囊展开，以及经典的子弹射出和枪口冲击波。
图3：转速高达23,000rpm的光盘开始扭曲，然后粉碎成小块；图像的拍摄帧率为170,000fps。
在另一个弹道案例中，运动速度为3000ft/s的子弹击中防弹玻璃复合材料，利用高速成像记录了这一过程中裂纹在材料中的传播情况（见图4）。沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）的研究人员，也使用Specialised Imaging公司的Kirana相机，以500万帧/秒的帧率对撞击固体表面的液体进行时间分辨成像，这对喷墨打印和其他喷涂类型的应用具有重要意义。
图4：Kirana相机以200万帧/秒和500ns曝光时间拍摄的180帧序列中的每八帧，这里显示的是速度3000ft/s的穿甲弹击中防弹玻璃复合材料的情况。场景通过1000J的氙灯进行前照明。
而在航空领域中，高速相机在提升对飞机组件和飞行演习的理解中，也发挥着重要作用。NASA的工程师已经使用Fastec手持式TS3，在喷气式战斗机的座舱内获得由另一架飞机产生的冲击波的高速纹影图像，使用由第三架飞机的机翼所遮挡的太阳光线，来创建所需的准直照明。
快门选择在涡轮和螺旋桨成像应用中也非常重要。“今天的CMOS传感器使用全局电子快门，所有像素同时曝光，”Bridges补充说，“这可以避免长久以来卷帘快门所存在的问题：因为每条像素线逐行曝光，容易造成图像失真（见图5）。”
图5：采用卷帘快门像素逐行曝光拍照时，飞机螺旋桨叶片下垂，而不是像具有全局电子快门的高速视频相机一样一次全部成像。
高速成像难以满足通常需要更长曝光时间、以收集适当图像细节的弱光应用。“例如对于细胞功能成像，高速度必须结合极端的灵敏度。生理学相关性不仅取决于定量性能；维持自我平衡环境意味着，将照明限制在绝对的最低值，当与高帧率组合时，这是一项困难的要求。”Photometrics公司产品经理Rachit Mohindra说，“EMCCD（电子倍增CCD）相机通过使用高带宽输出放大器，结合图像信号的片上倍增，解决了这一速度与灵敏度的折衷问题，实现了&0.3electronsRMS的输入参考电子读出噪声。为了进一步改善这些条件下的探测信号，该传感器采用背照明，具有& 90％的量子效率。”
“在以更高的速度对高度动态的细胞事件进行成像时，视场是所做的第一项牺牲，选择较小的感兴趣区域（ROI），以实现所需的更快帧率。”Mohindra补充说。Photometrics公司为其Evolve 512 Delta相机开发了LightSpeed模式，实现流水线化（pipeline）的像素读出，以实现更高的帧率，同时具备关键灵活性，即对感兴趣区域的位置没有任何限制，并且能够协同像素组合使用。LightSpeed模式以高达3000帧/秒的帧率，最大化高速事件的探测。
尽管对某些低光生物应用而言，每秒几千帧可能有一定的挑战性，但是对一些新兴应用而言，数百万帧也可能还不够用。“尽管我们提供每秒数百万帧的相机，但是客户依然不断寻求更高的帧率，以满足某些激光和X射线分析、高端弹道，以及超快裂纹传播研究的需求。”Bridges总结到，“而且尽管有现场图像存储或ISIS（其中图像的帧存储在传感器自身上），ISIS传感器架构也只能以500万帧/秒保存180帧，等同于记录时间仅为36μs。许多客户更习惯于几秒钟的有价值数据，这能够极大缓解需要可靠地触发相机、以免错过事件的负担。从本质上说，传感器架构和支持电子器件最终限制了成像速度。”
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