Um ihren Zusammenhang zu verstehen, ist es wichtig, ihre Kernfunktionen zu klären. Die Bildrate definiert dieErfassungsgeschwindigkeit, während die Belichtung die bestimmtleichtes Ansaugvolumen. Zusammen bestimmen sie die zeitliche Auflösung, Helligkeit und Gesamtklarheit der aufgenommenen Bilder.
Die Bildrate, gemessen in Bildern pro Sekunde (fps), bezieht sich auf die Anzahl der Bilder, die eine Kamera pro Sekunde aufnimmt. Sie dient als Schlüsselmaßstab zur Beurteilung, ob ein Bildverarbeitungssystem mit sich bewegenden Zielen Schritt halten kann. In Hochgeschwindigkeitsszenarien sind unzureichende Bildraten direkt die UrsacheRahmenverlustoderBewegungsabstrich. Wenn beispielsweise ein Förderband mit elektronischen Komponenten mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s läuft und die Kamera nur mit 20 Bildern pro Sekunde arbeitet, bewegt sich die Komponente zwischen den einzelnen Bildintervallen um 50 mm – was weit über der Standarderkennungstoleranz von ±0,1 mm liegt. In diesem Fall muss die Bildrate auf über 100 fps erhöht werden, um die Bewegungsdistanz auf 10 mm pro Bild zu begrenzen.
Dennoch bedeutet eine höhere Bildrate nicht immer eine bessere Leistung. Einerseits komprimiert eine Erhöhung der Bildrate die maximale Belichtungszeit pro Bild. Theoretisch ermöglicht eine 30-fps-Kamera eine maximale Belichtungszeit von 33 ms, während eine 60-fps-Konfiguration die maximale Belichtungszeit auf 16,5 ms halbiert. Andererseits erfordern hohe Bildraten eine größere Bildübertragungsbandbreite. Beispielsweise arbeitet eine GigE-Kamera mit 100 Bildern pro Sekunde und einer Auflösung von 2 Megapixeln nahezu mit voller Bandbreitenkapazität, was zu Datenpaketverlusten führen kann.
Die Belichtungszeit, auch Verschlusszeit genannt, bezieht sich auf die Dauer, für die der Sensor Licht empfängt, gemessen in Millisekunden (ms) oder Mikrosekunden (μs). Es bestimmt die Lichtmenge, die für jedes einzelne Bild erfasst wird, und ist besonders wichtig für Umgebungen mit wenig Licht und hoher Reflexion.
Kurz gesagt, die Beziehung zwischen Bildrate und Belichtung ist im Wesentlichen ein Kompromiss zwischenEchtzeitleistungUndBildqualität. Um eine Echtzeitaufnahme für Hochgeschwindigkeitsszenarien zu erreichen, muss eine Teilbelichtungszeit geopfert werden, was zu dunkleren Bildern führen kann. Um eine hohe Klarheit bei der statischen Präzisionsmessung zu gewährleisten, muss die Bildrate reduziert werden, um die Belichtungszeit zu verlängern, was zum Verlust dynamischer Details führen kann.
II. Berechnungslogik von Bildrate und Belichtung: Von theoretischen Formeln zu praktischen Einschränkungen
Ingenieure schätzen die Korrelation zwischen Bildrate und Belichtung normalerweise anhand grundlegender Formeln. Die theoretische Berechnung dient jedoch nur als grundlegende Referenz. In praktischen Anwendungen müssen Parameter entsprechend den inhärenten Hardwareeigenschaften von Industriekameras angepasst werden, wie z. B. Auslesezeit und Schnittstellenbandbreite.
1. Grundlegende Berechnungsformel: Verschlusszeit = 1 / Bildrate
Dies ist die einfachste theoretische Logik. Wenn eine Kamera F Bilder pro Sekunde aufnimmt, beträgt die maximal verfügbare Zeit für jedes Bild theoretisch 1/F. Das heißt, die Belichtungszeit darf 1/F nicht überschreiten, um eine vollständige Bilderfassung innerhalb einer Sekunde zu gewährleisten.
Beispiele:
Bei 30 fps beträgt die theoretische maximale Belichtungszeit = 1/30 ≈ 0,033 s = 33 ms;
Bei 100 fps beträgt die theoretische maximale Belichtungszeit = 1/100 = 0,01 s = 10 ms.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Formel nur für ideale Bedingungen gilt, bei denen es keine Auslesezeit und keine Übertragungsverzögerung gibt. Im tatsächlichen Betrieb muss der Kamerasensor nach Abschluss der Belichtung Ladungssignale auslesen und Daten an den Computer übertragen, was einen Teil des Einzelbildzyklus in Anspruch nimmt. Wenn beispielsweise eine Flächenkamera eine Auslesezeit von 5 ms hat und mit 30 fps läuft (Einzelbildzyklus ≈ 33 ms), beträgt die tatsächliche maximale Belichtungszeit 33 ms – 5 ms = 28 ms und nicht die theoretischen 33 ms.
2. Praktische Faktoren, die die Bildrate einschränken
Die Bildrate kann nicht einfach allein aus der Belichtungszeit abgeleitet werden, da sie durch mehrere Hardware- und Übertragungsfaktoren eingeschränkt wird:
Sensor-Auslesezeit: Flächenkameras lesen Pixelsignale Zeile für Zeile oder Spalte für Spalte. Eine höhere Auflösung führt zu einer längeren Auslesezeit. Beispielsweise hat eine 5-Megapixel-Kamera eine Auslesezeit von etwa 8 ms, während ein 20-Megapixel-Modell mehr als 15 ms benötigt.
Datenübertragungsbandbreite: Kameraschnittstellen wie USB3.0, GigE und CoaXPress bestimmen die Datenübertragungsgeschwindigkeit. Am Beispiel der GigE-Schnittstelle (maximale Bandbreite 1000 Mbit/s): Für ein 2-Megapixel-8-Bit-Graustufenbild (ca. 2 MB pro Frame) beträgt die maximal übertragbare Bildrate ca. 62,5 fps. Selbst bei ultrakurzer Belichtungszeit kann die Bildrate diese Grenze nicht überschreiten.
Integrierte Bildverarbeitung: Einige Kameras führen eine Echtzeit-Rauschunterdrückung und eine Weißabgleichanpassung durch, was zusätzliche Verarbeitungszeit verbraucht und die tatsächliche Bildrate weiter senkt.
Daher ist diemaximale BildrateDie im offiziellen Datenblatt der Kamera angegebene Angabe ist die zuverlässigste Referenz. Beispielsweise gibt die Kamera Baumer VCXG.2-25M eindeutig eine maximale Bildrate von 53 fps bei voller Auflösung von 1920*1200 an. Dieser Wert berücksichtigt umfassend Auslesezeit- und Bandbreitenbeschränkungen und soll als Benchmark für die Belichtungskonfiguration verwendet werden.
III. Praxisbeispiel: Bildraten- und Belichtungsberechnung von Baumer-Kameras
In diesem Abschnitt wird die Industriekamera Baumer VCXG.2-25M, die mit dem PYTHON2000-Sensor von ON Semiconductor ausgestattet ist, als praktischer Fall betrachtet, um die dynamische Korrelation zwischen Bildrate und Belichtung zu überprüfen und umsetzbare Leitlinien für den Einsatz im Feldtechnikbereich bereitzustellen.
1. Grundlegende Kameraspezifikationen
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Sensortyp: Global-Shutter-CMOS, ideal für Hochgeschwindigkeits-Bewegungsszenarien und frei von Rolling-Shutter-Jello-Effekt
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Sensorgröße: 2/3 Zoll (11 mm Diagonale)
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Auflösung: 1920*1200 (Vollbild), Pixelgröße: 4,8 μm * 4,8 μm
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Offizielle maximale Bildrate: 53 fps bei voller Auflösung (unkomprimierte GigE-Übertragung)
2. Berechnung 1: Maximale Belichtungszeit bei voller Auflösung
Einzelbildzyklus = 1 / maximale Bildrate = 1 / 53 fps ≈ 0,01887 s = 18870 μs.
Bei einer eingebauten Auslesezeit von 1200 μs (impliziter Datenblattparameter) errechnet sich die tatsächliche maximale Belichtungszeit wie folgt:
Tatsächliche maximale Belichtungszeit = Einzelbildzyklus – Auslesezeit ≈ 18870 μs – 1200 μs = 17670 μs (ca. 17,7 ms).
Wenn die Belichtungszeit manuell auf 20000 μs (20 ms) eingestellt ist und der gültige Einzelbildzyklus überschritten wird, reduziert die Kamera automatisch die Bildrate zur Anpassung:
Tatsächliche Bildrate = 1 / (Belichtungszeit + Auslesezeit) = 1 / (20000 μs + 1200 μs) ≈ 47 fps, niedriger als das offizielle Maximum von 53 fps.
3. Berechnung 2: Tatsächliche Bildrate bei unterschiedlichen Belichtungsdauern
Zwei hypothetische Szenarien verifizieren den Einfluss der Belichtungszeit auf die Bildrate (Übertragungsverzögerung wird ignoriert, nur Belichtungs- und Auslesezeit werden gezählt):
Szenario 1: Belichtungszeit = 50000 μs (50 ms)
Tatsächliche Bildrate = 1 / (50000 μs + 1200 μs) ≈ 19,5 fps (ca. 20 fps), nur 37 % der maximalen Nennbildrate.
Szenario 2: Belichtungszeit = 100000 μs (100 ms)
Tatsächliche Bildrate = 1 / (100000 μs + 1200 μs) ≈ 9,9 fps (ca. 10 fps), nur 19 % der maximalen Nennbildrate.
Die Berechnungsergebnisse bestätigen eine Grundregel: Innerhalb der Hardwarebeschränkungen führt eine längere Belichtungszeit zu einer niedrigeren tatsächlichen Bildrate. Um die Hochgeschwindigkeitsaufnahmeleistung aufrechtzuerhalten, muss die Belichtungszeit streng innerhalb des Bereichs von kontrolliert werdenEinzelbildzyklus minus Auslesezeit.
IV. Häufige Missverständnisse, die für Ingenieure von wesentlicher Bedeutung sind
Viele Ingenieure verstehen die Berechnungslogik von Bildrate und Belichtung beim Debuggen vor Ort falsch. Die wichtigsten Klarstellungen sind unten aufgeführt.
1. Kann die Bildrate direkt aus der Belichtungszeit berechnet werden?
Nein. Wie oben erwähnt, wird die Bildrate von der Belichtungszeit, der Sensorauslesezeit, der Übertragungsbandbreite und der internen Verarbeitungszeit beeinflusst. Die Belichtungszeit allein kann keine genaue Berechnung der Bildrate ermöglichen.
Beispielsweise liefern zwei Kameras mit der gleichen Belichtungszeit von 10 ms unterschiedliche Leistungen: Kamera A mit 5 ms Auslesezeit erreicht 66,7 fps, während Kamera B mit 10 ms Auslesezeit nur 50 fps erreicht.
Korrekte Konfigurationslogik: Weitere Informationen finden Sie im offiziellen Datenblatt „Maximale Bildrate vs. Auflösung“. Ist die eingestellte Belichtungszeit ≤ Einzelbildzyklus – Auslesezeit, läuft die Kamera mit der offiziellen maximalen Bildrate. Wenn die Belichtungszeit den gültigen Bereich überschreitet, beträgt die tatsächliche Bildrate 1 / (Belichtungszeit + Auslesezeit).
2. Unterschiede zwischen Global Shutter und Rolling Shutter
Verschlusstypen bringen erhebliche Unterschiede in der Bildrate und Belichtungsanpassung mit sich.
Global-Shutter-Kameras(z. B. das obige Baumer-Modell) belichten und lesen alle Pixel gleichzeitig mit fester Auslesezeit und ermöglichen so eine stabile und vorhersehbare Bildraten-Belichtungsberechnung.
Rolling-Shutter-Kameras(üblich bei kostengünstigen CMOS-Sensoren) belichten und lesen Pixel Zeile für Zeile. Überlappende Belichtungs- und Ausleseprozesse liefern bei gleichen Parametern höhere Bildraten, verursachen aber leicht dasWackelpudding-Effektund Verzerrung für sich schnell bewegende Objekte.
Beispiel: Eine 1920*1080 Rolling-Shutter-Kamera mit 8 ms Auslesezeit und 10 ms Belichtungszeit erreicht eine tatsächliche Bildrate von ca. 100 fps, berechnet als 1 / max(Belichtungszeit, Auslesezeit). Rolling-Shutter-Lösungen bieten zwar höhere Bildraten, eignen sich jedoch nur für statische oder langsame Inspektionsszenarien.
V. Lösungen für Unterbelichtung: Von der Hardware-Optimierung bis zur Szenenanpassung
Wenn hohe Bildraten (erforderlich für Hochgeschwindigkeitsprüfungen) kurze Belichtungszeiten erfordern und zu dunklen Bildern führen, können Ingenieure dies übernehmendreistufiges Optimierungsframeworkum die Helligkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Verschlechterung der Bildqualität zu minimieren.
1. Optimierung der Ebene 1: Beleuchtung verstärken (Prioritätsoption)
Ein allgemein anerkannter Konsens in der maschinellen Bildverarbeitung besagt diesDie Beleuchtung bestimmt die Bildqualität. Ausreichende Beleuchtung ist die grundlegende Möglichkeit, die Helligkeit zu erhöhen, ohne zusätzliches Rauschen zu verursachen. Praktische Maßnahmen:
- Erhöhen Sie die Leistung der Lichtquelle: Wenn Sie beispielsweise die Leistung eines LED-Ringlichts von 50 W auf 100 W erhöhen, wird die Lichtstärke verdoppelt und die Bildhelligkeit verbessert, ohne die Belichtungszeit zu verlängern.
- Wählen Sie geeignete Lichtarten: Verwenden Sie bei stark reflektierenden Werkstücken wie Metallteilen eine Dunkelfeldbeleuchtung mit niedrigem Winkel, um eine Überbelichtung durch Reflexionen zu vermeiden. Verwenden Sie bei transparenten Materialien wie Glas eine Hintergrundbeleuchtung, um Konturen hervorzuheben und den Kontrast zu verbessern.
- Stroboskop-Synchronisation aktivieren: Einige industrielle Lichtquellen unterstützen die Stroboskop-Auslösung synchronisiert mit der Bildrate der Kamera (z. B. 30 fps gepaart mit 30-Hz-Blitz). Die sofortige Lichtintensität kann das 20-fache der Dauerlichtintensität erreichen und so unterbelichtete Szenen effektiv aufhellen.
Fall: Bei der Hochgeschwindigkeitsprüfung von Kfz-Lagern (50 fps, 15 ms Belichtung) verwischte die kontinuierliche Beleuchtung Details auf den Lagerlaufbahnen. Durch die Umstellung auf synchronisierte 50-Hz-Stroboskopbeleuchtung konnte die Lichtintensität um das 15-fache gesteigert werden, wodurch feine Laufbahnkratzer ohne Bewegungsunschärfe sichtbar wurden.
2. Optimierung der Stufe 2: Objektivparameter anpassen (sekundäre Option)
Die Objektivblende steuert direkt den Lichteinfall und dient als wichtiges Hilfsmittel zur Helligkeitssteigerung:
- Öffnen Sie die Blende weiter: Eine kleinere Blendenzahl bedeutet einen höheren Lichtdurchsatz. Beispielsweise lässt F1,8 viermal mehr Licht durch als F4,0 und hellt Bilder bei identischen Belichtungseinstellungen auf.
- Beachten Sie die Einschränkungen des Objektivs: Lichtstarke Objektive wie F1,4 haben eine geringe Schärfentiefe. Bei Inspektionen, die eine große Schärfentiefe erfordern (z. B. Komponenten mit mehreren Ebenen), müssen Blende und Schärfentiefe ausgeglichen werden. Es kann ein Arbeitsablauf mit „Blende zuerst“ angewendet werden: Öffnen Sie zuerst die Blende, um die Helligkeitsanforderungen zu erfüllen, und reduzieren Sie dann die Bildrate leicht, um die Belichtung zu verlängern (z. B. auf 40 Bilder pro Sekunde bei 20 ms Belichtungszeit), um Schärfentiefe und Helligkeit in Einklang zu bringen.
Fall: Bei der PCB-Lötstelleninspektion, die eine große Schärfentiefe erfordert, um Lötpunkte in unterschiedlichen Höhen abzudecken, verursachte das ursprüngliche F4.0-Objektiv eine Unterbelichtung. Der Ersatz durch ein F2,8-Objektiv verdoppelte den Lichtdurchsatz und senkte gleichzeitig die Bildrate auf 30 fps (25 ms Belichtung). Dadurch blieben die Lötstellen scharf und die gesamte Platinentiefe blieb erhalten.
3. Optimierung der Stufe 3: Kameraverstärkung erhöhen (letzter Ausweg)
Bei der Kameraverstärkung handelt es sich im Wesentlichen um eine elektronische Signalverstärkung. Es hellt Bilder auf, indem es die Sensorausgangssignale verstärkt, verstärkt aber auch das Rauschen – eine höhere Verstärkung erzeugt eine stärkere Körnung. Dies sollte nur verwendet werden, wenn Beleuchtungs- und Objektiveinstellungen nicht möglich sind.
- Moderate Anpassung: Halten Sie die Verstärkung normalerweise unter 20 dB (siehe Datenblatt der Kamera; die Geräuscheigenschaften variieren stark je nach Modell), um zu verhindern, dass Geräusche die Inspektionsmerkmale verdecken.
- Kombinieren Sie es mit Rauschunterdrückungsalgorithmen: Viele Industriekameras unterstützen die adaptive Rauschunterdrückung, um Rauschen bei erhöhter Verstärkung zu unterdrücken. Der SmartNR-Algorithmus von Baumer beispielsweise sorgt dafür, dass das Rauschen selbst bei 30 dB Verstärkung niedrig bleibt, was für Anwendungen bei schlechten Lichtverhältnissen geeignet ist.
Fall: Nummernschilderkennung im Freien für intelligenten Verkehr (30 fps, 20 ms Belichtung). Durch die Hintergrundbeleuchtung wurden Nummernschilder abgedunkelt, und aufgrund physikalischer Einschränkungen waren größere Lichter oder größere Öffnungen nicht möglich. Die Kameraverstärkung wurde von 10 dB auf 25 dB erhöht, gepaart mit einer Rauschunterdrückung, wodurch die Zeichenklarheit verbessert und gleichzeitig das Rauschen innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten wurde.
VI. Fazit: Die Kunst, Bildrate und Belichtung in Einklang zu bringen
Die Abstimmung von Bildrate und Belichtung für Industriekameras ist niemals eine mechanische Anwendung theoretischer Formeln. Stattdessen handelt es sich um eine dynamische Anpassung zwischen Szenenanforderungen und Hardwarefunktionen. Die Grundprinzipien sind im Folgenden zusammengefasst:
- Dynamische Hochgeschwindigkeitsszenarien (Sortierung, Bewegungsverfolgung): Priorisieren Sie die Bildrate, um den Echtzeitanforderungen gerecht zu werden (berechnen Sie die minimale Bildrate anhand der Zielgeschwindigkeit). Erhöhen Sie die Helligkeit durch Stroboskopbeleuchtung und lichtstarke Objektive und wenden Sie dann eine moderate Verstärkung an (gesteuert innerhalb von 20 dB).
- Statische Hochpräzisionsszenarien (Dimensionsmessung, Fehlererkennung): Priorisieren Sie eine ausreichende Belichtung, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden. Reduzieren Sie die Bildrate nach Bedarf und verwenden Sie Hintergrundbeleuchtung oder koaxiale Beleuchtung, um den Kontrast zu erhöhen.
- Komplexe Mischszenarien (Mehrstationen-Produktionslinien): VerwendenHDR / MehrfachbelichtungFunktionen, die von bestimmten Industriekameras unterstützt werden. Weisen Sie jeder Station unterschiedliche Belichtungs- und Bildrateneinstellungen zu, die über eine SPS-Verbindung umgeschaltet werden, um den Anforderungen aller Positionen gerecht zu werden.
Letztendlich folgen Ingenieure diesem Arbeitsablauf:theoretische Schätzung → vorläufige Abstimmung → Feldtests → iterative Optimierungum für jede Anwendung den optimalen Parametersatz zu finden. Schließlich besteht das Hauptziel der maschinellen Bildverarbeitung nicht darin, die maximale Bildrate oder die längste Belichtungszeit zu erreichen, sondern die Kamera in die Lage zu versetzen, stabil brauchbare Bilder für die Zielszene zu liefern.
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