Om hun correlatie te begrijpen, is het essentieel om hun kerntaken te verduidelijken. De framerate definieert de opnamesnelheid, terwijl de belichting het lichtopnamevolume bepaalt. Samen bepalen ze de temporele resolutie, helderheid en algehele helderheid van de opgenomen beelden.
Framerate, gemeten in beelden per seconde (fps), verwijst naar het aantal beelden dat een camera per seconde vastlegt. Het dient als de belangrijkste maatstaf om te beoordelen of een vision-systeem gelijke tred kan houden met bewegende doelen. In snelle scenario's leiden onvoldoende framerates direct tot frameverlies of bewegingsonscherpte. Als bijvoorbeeld een transportband met elektronische componenten met 1 m/s loopt en de camera slechts met 20 fps werkt, zal de component tussen elk frame-interval 50 mm bewegen - ver boven de standaard detectietolerantie van ±0,1 mm. In dit geval moet de framerate worden verhoogd tot boven de 100 fps om de bewegingsafstand binnen 10 mm per frame te beperken.
Desalniettemin betekent een hogere framerate niet altijd betere prestaties. Enerzijds comprimeert het verhogen van de framerate de maximale belichtingstijd per frame. Theoretisch staat een 30 fps camera een maximale belichtingstijd van 33 ms toe, terwijl een 60 fps configuratie de maximale belichtingstijd halveert tot 16,5 ms. Anderzijds vereisen hoge framerates een grotere beeldtransmissiebandbreedte. Een GigE-camera die met 100 fps werkt met een resolutie van 2 megapixel opereert bijvoorbeeld op bijna volledige bandbreedtecapaciteit, wat kan leiden tot verlies van datapakketten.
Belichtingstijd, ook bekend als sluitertijd, verwijst naar de duur waarin de sensor licht ontvangt, gemeten in milliseconden (ms) of microseconden (µs). Het bepaalt het lichtvolume dat voor elk afzonderlijk frame wordt opgenomen en is met name cruciaal voor omgevingen met weinig licht en scenario's met hoge reflectie.
Kortom, de relatie tussen framerate en belichting is in essentie een afweging tussen realtime prestaties en beeldkwaliteit. Om realtime opnames voor snelle scenario's te bereiken, moet een deel van de belichtingstijd worden opgeofferd, wat beelden kan verduisteren. Om hoge helderheid voor statische precisemetingen te garanderen, moet de framerate worden verlaagd om de belichtingstijd te verlengen, wat kan leiden tot verlies van dynamische details.
II. Berekeningslogica van Framerate en Belichting: Van Theoretische Formules tot Praktische Beperkingen
Ingenieurs schatten meestal de correlatie tussen framerate en belichting via basale formules. Theoretische berekening dient echter slechts als fundamentele referentie. In praktische toepassingen moeten parameters worden aangepast aan de inherente hardwarekenmerken van industriële camera's, zoals uitleestijd en interfacebandbreedte.
1. Basale Berekeningsformule: Sluitertijd = 1 / Framerate
Dit is de meest vereenvoudigde theoretische logica. Als een camera F beelden per seconde vastlegt, is de maximaal beschikbare tijd voor elk beeld theoretisch 1/F. Dat wil zeggen, de belichtingstijd kan 1/F niet overschrijden om volledige beeldverzameling binnen één seconde te garanderen.
Voorbeelden:
Bij 30 fps is de theoretische maximale belichtingstijd = 1/30 ≈ 0,033 s = 33 ms;
Bij 100 fps is de theoretische maximale belichtingstijd = 1/100 = 0,01 s = 10 ms.
Het is cruciaal op te merken dat deze formule alleen van toepassing is op ideale omstandigheden met nul uitleestijd en nul transmissievertraging. In werkelijke werking, na het voltooien van de belichting, moet de camerasensor ladingssignalen uitlezen en gegevens naar de computer verzenden, wat een deel van de cyclus van één frame verbruikt. Als een area-scan camera bijvoorbeeld een uitleestijd van 5 ms heeft en met 30 fps werkt (cyclus van één frame ≈ 33 ms), is de werkelijke maximale belichtingstijd 33 ms – 5 ms = 28 ms, in plaats van de theoretische 33 ms.
2. Praktische Factoren die de Framerate Beperken
Framerate kan niet eenvoudigweg uit belichtingstijd alleen worden afgeleid, aangezien deze wordt beperkt door meerdere hardware- en transmissiefactoren:
Sensor Uitleestijd: Area-scan camera's lezen pixelsignalen rij voor rij of kolom voor kolom uit. Hogere resolutie brengt langere uitleestijd met zich mee. Een 5-megapixel camera heeft bijvoorbeeld een uitleestijd van ongeveer 8 ms, terwijl een 20-megapixel model meer dan 15 ms vereist.
Data Transmissie Bandbreedte: Camera-interfaces, waaronder USB3.0, GigE en CoaXPress, bepalen de datasnelheid. Neem de GigE-interface (maximale bandbreedte van 1000 Mbps) als voorbeeld: voor een 8-bits grijswaardenbeeld van 2 megapixel (ongeveer 2 MB per frame) is de maximaal overdraagbare framerate ongeveer 62,5 fps. Zelfs met ultralage belichtingstijd kan de framerate deze limiet niet overschrijden.
Onboard Beeldverwerking: Sommige camera's voeren realtime ruisonderdrukking en witbalansaanpassing uit, wat extra verwerkingstijd kost en de werkelijke framerate verder verlaagt.
Daarom is de maximale framerate gespecificeerd in het officiële datacard van de camera de meest betrouwbare referentie. De Baumer VCXG.2-25M camera vermeldt bijvoorbeeld duidelijk een maximale framerate van 53 fps bij volledige resolutie van 1920*1200. Deze waarde houdt volledig rekening met uitleestijd en bandbreedtebeperkingen en moet worden gebruikt als de benchmark voor belichtingsconfiguratie.
III. Praktisch Geval: Framerate en Belichtingsberekening van Baumer Camera's
Dit gedeelte neemt de Baumer VCXG.2-25M industriële camera uitgerust met de ON Semiconductor PYTHON2000 sensor als praktisch voorbeeld om de dynamische correlatie tussen framerate en belichting te verifiëren, en biedt bruikbare begeleiding voor implementatie in het veld.
1. Kernspecificaties Camera
-
Sensortype: Global shutter CMOS, ideaal voor snelle bewegingsscenario's en vrij van rolling-shutter jello-effect
-
Sensorformaat: 2/3 inch (11 mm diagonaal)
-
Resolutie: 1920*1200 (volledig frame), pixelgrootte: 4,8 µm * 4,8 µm
-
Officiële Maximale Framerate: 53 fps bij volledige resolutie (ongecomprimeerde GigE-transmissie)
2. Berekening 1: Maximale Belichtingstijd bij Volledige Resolutie
Cyclus van één frame = 1 / maximale framerate = 1 / 53 fps ≈ 0,01887 s = 18870 µs.
Met een ingebouwde uitleestijd van 1200 µs (impliciete parameter in het datacard), wordt de werkelijke maximale belichtingstijd berekend als:
Werkelijke maximale belichtingstijd = Cyclus van één frame – Uitleestijd ≈ 18870 µs – 1200 µs = 17670 µs (ongeveer 17,7 ms).
Als de belichtingstijd handmatig wordt ingesteld op 20000 µs (20 ms), wat de geldige cyclus van één frame overschrijdt, zal de camera automatisch de framerate verlagen ter aanpassing:
Werkelijke framerate = 1 / (Belichtingstijd + Uitleestijd) = 1 / (20000 µs + 1200 µs) ≈ 47 fps, lager dan de officiële maximum van 53 fps.
3. Berekening 2: Werkelijke Framerate onder Verschillende Belichtingsduren
Twee hypothetische scenario's verifiëren de impact van belichtingstijd op framerate (transmissievertraging genegeerd, alleen belichting en uitleestijd meegeteld):
Scenario 1: Belichtingstijd = 50000 µs (50 ms)
Werkelijke framerate = 1 / (50000 µs + 1200 µs) ≈ 19,5 fps (ongeveer 20 fps), slechts 37% van de maximaal gespecificeerde framerate.
Scenario 2: Belichtingstijd = 100000 µs (100 ms)
Werkelijke framerate = 1 / (100000 µs + 1200 µs) ≈ 9,9 fps (ongeveer 10 fps), slechts 19% van de maximaal gespecificeerde framerate.
De berekeningsresultaten bevestigen een kernregel: binnen hardwarebeperkingen leidt een langere belichtingstijd tot een lagere werkelijke framerate. Om snelle opnameprestaties te behouden, moet de belichtingstijd strikt worden gecontroleerd binnen het bereik van cyclus van één frame minus uitleestijd.
IV. Veelvoorkomende Misvattingen Essentieel voor Ingenieurs
Veel ingenieurs begrijpen de berekeningslogica van framerate en belichting verkeerd tijdens het debuggen ter plaatse. De belangrijkste verduidelijkingen worden hieronder vermeld.
1. Kan Framerate Direct uit Belichtingstijd Worden Berekend?
Nee. Zoals hierboven vermeld, wordt de framerate beïnvloed door belichtingstijd, sensor uitleestijd, transmissiebandbreedte en interne verwerkingstijd. Belichtingstijd alleen kan geen nauwkeurige framerateberekening ondersteunen.
Bijvoorbeeld, twee camera's met dezelfde 10 ms belichtingstijd leveren verschillende prestaties: Camera A met 5 ms uitleestijd bereikt 66,7 fps, terwijl Camera B met 10 ms uitleestijd slechts 50 fps haalt.
Correcte Configuratie Logica: Raadpleeg het officiële "maximale framerate versus resolutie" datacard. Als de ingestelde belichtingstijd ≤ cyclus van één frame – uitleestijd, werkt de camera met de officiële maximale framerate. Als de belichtingstijd het geldige bereik overschrijdt, is de werkelijke framerate gelijk aan 1 / (belichtingstijd + uitleestijd).
2. Verschillen Tussen Global Shutter en Rolling Shutter
Sluitertypes brengen significante verschillen met zich mee in de afstemming van framerate en belichting.
Global Shutter Camera's (bijv. het bovengenoemde Baumer-model) belichten en lezen alle pixels tegelijkertijd uit met een vaste uitleestijd, waardoor een stabiele en voorspelbare framerate-belichtingsberekening mogelijk is.
Rolling Shutter Camera's (gebruikelijk in goedkope CMOS-sensoren) belichten en lezen pixels lijn voor lijn uit. Overlappende belichtings- en uitleesprocessen leveren hogere framerates onder identieke parameters, maar veroorzaken gemakkelijk het jello-effect en vervorming bij snel bewegende objecten.
Voorbeeld: Een rolling shutter camera van 1920*1080 met 8 ms uitleestijd en 10 ms belichtingstijd bereikt een werkelijke framerate van ongeveer 100 fps, berekend als 1 / max(belichtingstijd, uitleestijd). Hoewel ze hogere framerates bieden, zijn rolling shutter oplossingen alleen van toepassing op statische of langzame inspectiescenario's.
V. Oplossingen voor Onderbelichting: Van Hardware Tuning tot Scenaanpassing
Wanneer hoge framerates (vereist voor snelle inspectie) korte belichtingstijden afdwingen en resulteren in donkere beelden, kunnen ingenieurs dit drie-niveau optimalisatiekader toepassen om de helderheid te verhogen en de degradatie van de beeldkwaliteit te minimaliseren.
1. Niveau 1 Optimalisatie: Versterk Verlichting (Prioriteitsoptie)
Een algemeen aanvaarde consensus in machine vision stelt dat verlichting de beeldkwaliteit bepaalt. Voldoende verlichting is de fundamentele manier om de helderheid te verhogen zonder extra ruis te introduceren. Praktische maatregelen:
- Verhoog het vermogen van de lichtbron: Het verhogen van het vermogen van een LED-ringlamp van 50W naar 100W verdubbelt bijvoorbeeld de lichtintensiteit, waardoor de beeldhelderheid wordt verbeterd zonder de belichtingstijd te verlengen.
- Selecteer geschikte lichttypen: Gebruik voor sterk reflecterende werkstukken zoals metalen onderdelen, donkerveldverlichting met lage hoek om overbelichting door reflecties te voorkomen. Gebruik voor transparante materialen zoals glas, achtergrondverlichting om contouren te schetsen en het contrast te verbeteren.
- Schakel stroboscoop synchronisatie in: Sommige industriële lichtbronnen ondersteunen stroboscoop triggers gesynchroniseerd met de camerate framerate (bijv. 30 fps overeenkomend met 30 Hz stroboscoop). De momentane lichtintensiteit kan 20 keer hoger zijn dan in continue modus, waardoor onderbelichte scènes effectief worden verlicht.
Geval: Bij snelle inspectie van automotive lagers (50 fps, 15 ms belichting) vervaagden continue verlichting details op de loopvlakken van de lagers. Overstappen op 50 Hz gesynchroniseerde stroboscoopverlichting leverde een 15x toename in lichtintensiteit op, waardoor fijne loopvlak krassen zichtbaar werden met nul bewegingsonscherpte.
2. Niveau 2 Optimalisatie: Pas Lensparameters Aan (Secundaire Optie)
Het lensdiafragma regelt direct de lichtopname en dient als een belangrijke hulp methode om de helderheid te verbeteren:
- Open het diafragma verder: Een kleiner F-getal betekent een hogere lichtdoorlaatbaarheid. F1.8 zendt bijvoorbeeld vier keer meer licht uit dan F4.0 en verheldert beelden onder identieke belichtingsinstellingen.
- Wees bewust van lensbeperkingen: Snelle lenzen zoals F1.4 hebben een geringe scherptediepte. Voor inspecties die een grote scherptediepte vereisen (bijv. componenten op meerdere vlakken), balanceer diafragma en scherptediepte. Een workflow die begint met het diafragma kan worden toegepast: open het diafragma eerst om aan de helderheidseisen te voldoen, verminder vervolgens lichtjes de framerate om de belichting te verlengen (bijv. terug naar 40 fps met 20 ms belichting) om de scherptediepte en helderheid te verzoenen.
Geval: Voor PCB soldeerverbinding inspectie die een grote scherptediepte vereist om soldeerpuntjes op verschillende hoogtes te dekken, veroorzaakte de originele F4.0 lens onderbelichting. Het vervangen door een F2.8 lens verdubbelde de lichtdoorlaatbaarheid, terwijl de framerate werd verlaagd naar 30 fps (25 ms belichting). Dit hield de soldeerverbindingen scherp en behield de volledige dekking van de borddiepte.
3. Niveau 3 Optimalisatie: Verhoog Camera Gain (Laatste Redmiddel)
Camera gain is in wezen elektronische signaalversterking. Het verheldert beelden door de sensoruitgangssignalen te versterken, maar versterkt ook ruis – hogere gain produceert meer prominente korreligheid. Dit mag alleen worden gebruikt wanneer aanpassingen aan verlichting en lens niet haalbaar zijn.
- Matige aanpassing: Houd de gain normaal gesproken onder de 20 dB (raadpleeg het datacard van de camera; ruiskarakteristieken variëren sterk per model), om te voorkomen dat ruis inspectiekenmerken verbergt.
- Combineer met ruisonderdrukkingsalgoritmen: Veel industriële camera's ondersteunen adaptieve ruisonderdrukking om ruis bij verhoogde gain te onderdrukken. Baumer's SmartNR-algoritme handhaaft bijvoorbeeld lage ruis, zelfs bij 30 dB gain, geschikt voor toepassingen met weinig licht.
Geval: Buiten kentekenplaatherkenning voor intelligent verkeer (30 fps, 20 ms belichting). Achtergrondverlichting verduisterde kentekenplaten, en fysieke beperkingen verhinderden grotere lampen of bredere diafragma's. De camera gain werd verhoogd van 10 dB naar 25 dB in combinatie met ruisonderdrukking, waardoor de helderheid van de karakters werd verbeterd terwijl de ruis binnen acceptabele grenzen bleef.
VI. Conclusie: De Kunst van het Balanceren van Framerate en Belichting
Het afstemmen van framerate en belichting voor industriële camera's is nooit een mechanische toepassing van theoretische formules. In plaats daarvan vertegenwoordigt het een dynamische afstemming tussen de vereisten van de scène en de hardwaremogelijkheden. De kernprincipes worden hieronder samengevat:
- Snelle dynamische scenario's (sortering, bewegingsregistratie): Prioriteer framerate om te voldoen aan realtime eisen (bereken minimale framerate uit doelsnelheid). Verhoog de helderheid via stroboscoopverlichting en lenzen met groot diafragma, pas vervolgens gematigde gain toe (gecontroleerd binnen 20 dB).
- Statische precisiescenario's (dimensionale meting, defectdetectie): Prioriteer voldoende belichting om bewegingsonscherpte te voorkomen. Verlaag de framerate indien nodig en gebruik achtergrond- of coaxiale verlichting om het contrast te verbeteren.
- Complexe gemengde scenario's (productielijnen met meerdere stations): Gebruik HDR / multi-exposure functies ondersteund door bepaalde industriële camera's. Wijs verschillende belichtings- en frameratesettings toe voor elk station, geschakeld via PLC-koppeling om aan de vereisten op alle posities te voldoen.
Uiteindelijk volgen ingenieurs deze workflow: theoretische schatting → voorlopige afstemming → veldtesten → iteratieve optimalisatie om de optimale parameter set voor elke toepassing te vinden. Immers, het hoofddoel van machine vision is niet het najagen van de maximale framerate of de langste belichting, maar het mogelijk maken dat de camera stabiel bruikbare beelden levert voor de beoogde scène.
Uw bericht moet tussen de 20-3.000 tekens bevatten!
