Чтобы понять их взаимосвязь, необходимо прояснить их основные функции. Частота кадров определяет скорость захвата, а экспозиция определяет объем светопоглощения. Вместе они управляют временным разрешением, яркостью и общей четкостью полученных изображений.
Частота кадров, измеряемая в кадрах в секунду (fps), относится к количеству изображений, которое камера захватывает каждую секунду. Она служит ключевым показателем для оценки того, может ли система технического зрения соответствовать скорости движущихся объектов. В сценариях с высокой скоростью недостаточная частота кадров напрямую приводит к потере кадров или смазыванию движения. Например, если конвейерная лента с электронными компонентами движется со скоростью 1 м/с, а камера работает только на частоте 20 кадров в секунду, компонент будет перемещаться на 50 мм между каждым интервалом кадра — что значительно превышает стандартный допуск обнаружения ±0,1 мм. В этом случае частоту кадров необходимо увеличить до более чем 100 кадров в секунду, чтобы ограничить расстояние движения в пределах 10 мм на кадр.
Тем не менее, более высокая частота кадров не всегда означает лучшую производительность. С одной стороны, увеличение частоты кадров сжимает максимальное время экспозиции на кадр. Теоретически, камера с частотой 30 кадров в секунду допускает максимальное время экспозиции 33 мс, в то время как конфигурация с частотой 60 кадров в секунду сокращает максимальное время экспозиции вдвое до 16,5 мс. С другой стороны, высокая частота кадров требует большей пропускной способности передачи изображений. Например, камера GigE, работающая на частоте 100 кадров в секунду с разрешением 2 мегапикселя, работает почти на полной пропускной способности, что может привести к потере пакетов данных.
Время экспозиции, также известное как выдержка, относится к продолжительности, в течение которой датчик получает свет, измеряемой в миллисекундах (мс) или микросекундах (мкс). Оно определяет объем света, поглощаемого для каждого отдельного кадра, и особенно важно для условий низкой освещенности и сценариев с высоким отражением.
Короче говоря, взаимосвязь между частотой кадров и экспозицией — это, по сути, компромисс между производительностью в реальном времени и качеством изображения. Для достижения захвата в реальном времени в сценариях с высокой скоростью приходится жертвовать частью времени экспозиции, что может затемнить изображения. Для обеспечения высокой четкости при статических измерениях с высокой точностью необходимо снизить частоту кадров, чтобы продлить время экспозиции, что может привести к потере динамических деталей.
II. Логика расчета частоты кадров и экспозиции: от теоретических формул до практических ограничений
Инженеры обычно оценивают взаимосвязь между частотой кадров и экспозицией с помощью основных формул. Однако теоретический расчет служит лишь фундаментальным ориентиром. На практике параметры должны быть скорректированы в соответствии с присущими характеристиками аппаратного обеспечения промышленных камер, такими как время считывания и пропускная способность интерфейса.
1. Основная формула расчета: время затвора = 1 / частота кадров
Это наиболее упрощенная теоретическая логика. Если камера захватывает F кадров в секунду, теоретически максимальное доступное время для каждого кадра составляет 1/F. То есть время экспозиции не может превышать 1/F, чтобы обеспечить полный сбор кадров в течение одной секунды.
Примеры:
При 30 кадрах в секунду теоретическое максимальное время экспозиции = 1/30 ≈ 0,033 с = 33 мс;
При 100 кадрах в секунду теоретическое максимальное время экспозиции = 1/100 = 0,01 с = 10 мс.
Важно отметить, что эта формула применима только к идеальным условиям с нулевым временем считывания и нулевой задержкой передачи. В реальной работе после завершения экспозиции датчик камеры должен считывать сигналы заряда и передавать данные на компьютер, что занимает часть цикла одного кадра. Например, если камера с построчным сканированием имеет время считывания 5 мс и работает на частоте 30 кадров в секунду (цикл одного кадра ≈ 33 мс), фактическое максимальное время экспозиции составляет 33 мс – 5 мс = 28 мс, а не теоретические 33 мс.
2. Практические факторы, ограничивающие частоту кадров
Частота кадров не может быть просто выведена только из времени экспозиции, поскольку она ограничена множеством аппаратных факторов и факторов передачи:
Время считывания датчика: Камеры с построчным сканированием считывают сигналы пикселей построчно или по столбцам. Более высокое разрешение увеличивает время считывания. Например, камера с разрешением 5 мегапикселей имеет время считывания около 8 мс, в то время как модель с разрешением 20 мегапикселей требует более 15 мс.
Пропускная способность передачи данных: Интерфейсы камеры, включая USB3.0, GigE и CoaXPress, определяют скорость передачи данных. Возьмем в качестве примера интерфейс GigE (максимальная пропускная способность 1000 Мбит/с): для 2-мегапиксельного 8-битного монохромного изображения (около 2 МБ на кадр) максимальная передаваемая частота кадров составляет примерно 62,5 кадров в секунду. Даже при сверхкоротком времени экспозиции частота кадров не может превышать этот предел.
Встроенная обработка изображений: Некоторые камеры выполняют шумоподавление в реальном времени и коррекцию баланса белого, что требует дополнительного времени обработки и еще больше снижает фактическую частоту кадров.
Следовательно, максимальная частота кадров, указанная в официальном техническом описании камеры, является наиболее надежным ориентиром. Например, камера Baumer VCXG.2-25M четко указывает максимальную частоту кадров 53 кадра в секунду при полном разрешении 1920*1200. Это значение всесторонне учитывает ограничения времени считывания и пропускной способности и должно использоваться в качестве эталона для настройки экспозиции.
III. Практический пример: расчет частоты кадров и экспозиции камер Baumer
В этом разделе на примере промышленной камеры Baumer VCXG.2-25M, оснащенной датчиком ON Semiconductor PYTHON2000, проверяется динамическая взаимосвязь между частотой кадров и экспозицией, предоставляя практические рекомендации для развертывания на местах.
1. Основные характеристики камеры
-
Тип датчика: CMOS с глобальным затвором, идеально подходит для сценариев высокоскоростного движения и свободен от эффекта «желе» при последовательном затворе
-
Размер датчика: 2/3 дюйма (диагональ 11 мм)
-
Разрешение: 1920*1200 (полный кадр), размер пикселя: 4,8 мкм * 4,8 мкм
-
Официальная максимальная частота кадров: 53 кадра в секунду при полном разрешении (несжатая передача GigE)
2. Расчет 1: максимальное время экспозиции при полном разрешении
Цикл одного кадра = 1 / максимальная частота кадров = 1 / 53 кадров в секунду ≈ 0,01887 с = 18870 мкс.
При встроенном времени считывания 1200 мкс (неявный параметр технического описания) фактическое максимальное время экспозиции рассчитывается следующим образом:
Фактическое максимальное время экспозиции = Цикл одного кадра – Время считывания ≈ 18870 мкс – 1200 мкс = 17670 мкс (приблизительно 17,7 мс).
Если время экспозиции установлено вручную на 20000 мкс (20 мс), превышая допустимый цикл одного кадра, камера автоматически снизит частоту кадров для адаптации:
Фактическая частота кадров = 1 / (Время экспозиции + Время считывания) = 1 / (20000 мкс + 1200 мкс) ≈ 47 кадров в секунду, что ниже официального максимума 53 кадров в секунду.
3. Расчет 2: фактическая частота кадров при различных длительностях экспозиции
Два гипотетических сценария проверяют влияние времени экспозиции на частоту кадров (задержка передачи игнорируется, учитываются только время экспозиции и время считывания):
Сценарий 1: Время экспозиции = 50000 мкс (50 мс)
Фактическая частота кадров = 1 / (50000 мкс + 1200 мкс) ≈ 19,5 кадров в секунду (около 20 кадров в секунду), только 37% от максимальной заявленной частоты кадров.
Сценарий 2: Время экспозиции = 100000 мкс (100 мс)
Фактическая частота кадров = 1 / (100000 мкс + 1200 мкс) ≈ 9,9 кадров в секунду (около 10 кадров в секунду), только 19% от максимальной заявленной частоты кадров.
Результаты расчетов подтверждают основное правило: в пределах аппаратных ограничений более длительное время экспозиции приводит к более низкой фактической частоте кадров. Для поддержания высокоскоростной съемки время экспозиции должно строго контролироваться в пределах цикла одного кадра минус время считывания.
IV. Распространенные заблуждения, важные для инженеров
Многие инженеры неправильно понимают логику расчета частоты кадров и экспозиции во время отладки на месте. Ниже приведены ключевые разъяснения.
1. Можно ли рассчитать частоту кадров напрямую из времени экспозиции?
Нет. Как упоминалось выше, на частоту кадров влияют время экспозиции, время считывания датчика, пропускная способность передачи и время внутренней обработки. Только время экспозиции не может обеспечить точный расчет частоты кадров.
Например, две камеры с одинаковым временем экспозиции 10 мс демонстрируют различную производительность: камера A с временем считывания 5 мс достигает 66,7 кадров в секунду, а камера B с временем считывания 10 мс достигает только 50 кадров в секунду.
Логика правильной настройки: Обратитесь к официальному техническому описанию «максимальная частота кадров против разрешения». Если установленное время экспозиции ≤ цикл одного кадра – время считывания, камера работает на официальной максимальной частоте кадров. Если время экспозиции превышает допустимый диапазон, фактическая частота кадров равна 1 / (время экспозиции + время считывания).
2. Различия между глобальным затвором и последовательным затвором
Типы затворов вносят существенные различия в согласование частоты кадров и экспозиции.
Камеры с глобальным затвором (например, вышеупомянутая модель Baumer) одновременно экспонируют и считывают все пиксели с фиксированным временем считывания, обеспечивая стабильный и предсказуемый расчет частоты кадров и экспозиции.
Камеры с последовательным затвором (распространены в недорогих датчиках CMOS) экспонируют и считывают пиксели построчно. Перекрывающиеся процессы экспозиции и считывания обеспечивают более высокую частоту кадров при одинаковых параметрах, но легко вызывают эффект желе и искажения для высокоскоростных движущихся объектов.
Пример: Камера с последовательным затвором с разрешением 1920*1080, временем считывания 8 мс и временем экспозиции 10 мс достигает фактической частоты кадров примерно 100 кадров в секунду, рассчитанной как 1 / макс(время экспозиции, время считывания). Несмотря на более высокую частоту кадров, решения с последовательным затвором применимы только для статических или низкоскоростных сценариев инспекции.
V. Решения для недоэкспонирования: от аппаратной настройки до адаптации сцены
Когда высокая частота кадров (необходимая для высокоскоростной инспекции) требует короткого времени экспозиции и приводит к темным изображениям, инженеры могут использовать эту трехуровневую структуру оптимизации для увеличения яркости при минимизации ухудшения качества изображения.
1. Оптимизация уровня 1: усиление освещения (приоритетный вариант)
Общепринятый консенсус в области машинного зрения гласит, что освещение определяет качество изображения. Достаточное освещение — это фундаментальный способ увеличить яркость без внесения дополнительного шума. Практические меры:
- Увеличьте мощность источника света: Например, увеличение мощности кольцевой светодиодной лампы с 50 Вт до 100 Вт удваивает интенсивность света, улучшая яркость изображения без увеличения времени экспозиции.
- Выберите подходящие типы освещения: Для сильно отражающих заготовок, таких как металлические детали, используйте низкоугловое освещение темного поля, чтобы избежать переэкспонирования от отражений. Для прозрачных материалов, таких как стекло, используйте заднюю подсветку для очерчивания контуров и улучшения контраста.
- Включите синхронизацию стробоскопа: Некоторые промышленные источники света поддерживают стробоскопическое срабатывание, синхронизированное с частотой кадров камеры (например, 30 кадров в секунду, синхронизированные с 30 Гц стробоскопом). Мгновенная интенсивность света может достигать в 20 раз больше, чем в непрерывном режиме, эффективно осветляя недоэкспонированные сцены.
Пример: При высокоскоростной инспекции автомобильных подшипников (50 кадров в секунду, 15 мс экспозиции) непрерывное освещение размывало детали на дорожках качения подшипников. Переключение на синхронизированное стробоскопическое освещение с частотой 50 Гц обеспечило 15-кратное увеличение интенсивности света, выявив мелкие царапины на дорожках качения без смазывания движения.
2. Оптимизация уровня 2: настройка параметров объектива (вторичный вариант)
Диафрагма объектива напрямую контролирует светопоглощение и служит важным вспомогательным методом для повышения яркости:
- Откройте диафрагму шире: Меньшее число F означает более высокую светопропускную способность. Например, F1.8 пропускает в четыре раза больше света, чем F4.0, и осветляет изображения при одинаковых настройках экспозиции.
- Учитывайте ограничения объектива: Быстрые объективы, такие как F1.4, имеют малую глубину резкости. Для инспекций, требующих большой глубины резкости (например, многоплоскостные компоненты), сбалансируйте диафрагму и глубину резкости. Можно применять рабочий процесс, ориентированный на диафрагму: сначала откройте диафрагму для удовлетворения требований к яркости, затем немного уменьшите частоту кадров, чтобы продлить экспозицию (например, снизить до 40 кадров в секунду с экспозицией 20 мс), чтобы согласовать глубину резкости и яркость.
Пример: Для инспекции паяных соединений печатных плат, требующей большой глубины резкости для охвата паяных точек на разных высотах, оригинальный объектив F4.0 вызывал недоэкспонирование. Замена его объективом F2.8 удвоила светопропускную способность, при этом снизив частоту кадров до 30 кадров в секунду (экспозиция 25 мс). Это позволило сохранить резкость паяных соединений и обеспечить полную глубину покрытия платы.
3. Оптимизация уровня 3: повышение усиления камеры (крайняя мера)
Усиление камеры — это, по сути, усиление электронного сигнала. Оно осветляет изображения, усиливая выходные сигналы датчика, но также усиливает шум — более высокое усиление дает более заметное зерно. Это следует использовать только тогда, когда регулировка освещения и объектива невозможна.
- Умеренная регулировка: Обычно поддерживайте усиление ниже 20 дБ (см. техническое описание камеры; характеристики шума сильно различаются в зависимости от модели), предотвращая зашумление, которое может скрывать инспекционные признаки.
- Комбинирование с алгоритмами шумоподавления: Многие промышленные камеры поддерживают адаптивное шумоподавление для подавления шума при повышенном усилении. Например, алгоритм SmartNR от Baumer поддерживает низкий уровень шума даже при усилении 30 дБ, что подходит для приложений с низкой освещенностью.
Пример: Распознавание номерных знаков на открытом воздухе для интеллектуального транспорта (30 кадров в секунду, 20 мс экспозиции). Задняя подсветка затемняла номерные знаки, а физические ограничения не позволяли использовать более крупные источники света или более широкие диафрагмы. Усиление камеры было увеличено с 10 дБ до 25 дБ в сочетании с шумоподавлением, что улучшило четкость символов, сохранив уровень шума в допустимых пределах.
VI. Заключение: искусство балансировки частоты кадров и экспозиции
Настройка частоты кадров и экспозиции для промышленных камер никогда не является механическим применением теоретических формул. Вместо этого она представляет собой динамическое согласование между требованиями сцены и возможностями аппаратного обеспечения. Основные принципы суммированы ниже:
- Высокоскоростные динамические сценарии (сортировка, отслеживание движения): Приоритет отдается частоте кадров для удовлетворения требований реального времени (расчет минимальной частоты кадров по скорости объекта). Увеличьте яркость с помощью стробоскопического освещения и объективов с большой диафрагмой, затем примените умеренное усиление (контролируемое в пределах 20 дБ).
- Статические сценарии с высокой точностью (измерение размеров, обнаружение дефектов): Приоритет отдается достаточной экспозиции для предотвращения смазывания движения. При необходимости снизьте частоту кадров и используйте заднюю или коаксиальную подсветку для улучшения контраста.
- Сложные смешанные сценарии (многопозиционные производственные линии): Используйте функции HDR / мультиэкспозиции, поддерживаемые некоторыми промышленными камерами. Назначьте различные настройки экспозиции и частоты кадров для каждой позиции, переключаемые с помощью связи с ПЛК для удовлетворения требований на всех позициях.
В конечном итоге инженеры следуют этому рабочему процессу: теоретическая оценка → предварительная настройка → полевые испытания → итеративная оптимизация для поиска оптимального набора параметров для каждого приложения. В конце концов, основная цель машинного зрения — не погоня за максимальной частотой кадров или самой длинной экспозицией, а обеспечение стабильной доставки камерой пригодных для использования изображений для целевой сцены.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
