视觉光学知识分享——相机的读出速率与帧速率

什么是读出速率

读出速率定义为串行转换时间的倒数，即数字化单个像素所需的时间。读出速率通常以像素/秒为单位（例如，500千像素/秒）。

什么是帧速率

帧速率是CCD/CMOS获取图像然后完全读出该图像所需时间的倒数。帧速率通常以每秒帧数 (fps) 表示。通常，可以根据像素总数和读出速率，结合总曝光时间来近似计算帧速率。例如：

大概的帧速率=1 /（像素数 /数字化器速率+帧采集时间）

但是，还有许多其他因素会对帧速率产生重大影响，具体取决于操作条件。

为了更好地理解帧速率，我们将定义另外两个称为帧获取时间 (FAT) 和帧读取时间 (FRT) 的量，它们将考虑所有这些因素。帧率定义为：

真实的帧速率 = 1 / (帧采集时间 + 帧读取时间)

帧采集时间 = (清除计数 × 并行清除时间) + 快门打开时间 + 关闭延时 + 曝光时间

帧读取时间 = 串行清除时间 + (并行移位时间 × 并行大小) + (串行丢弃时间 × 子阵列前后像素) + (串行转换时间 × 读取的像素)

清除计数和并行清除时间

根据应用条件，在获取图像之前可能需要清除累积电荷的CCD/CMOS阵列。这种累积电荷的来源可以是暗电流，甚至是宇宙射线所导致的。阵列可能需要多次清除才能完全消除电荷。清除计数定义为完成电荷清除的次数，并行清除时间是完成每次清除所需的时间。由于只需清除电荷，无需数字化，因此并行清除时间比正常读数花费的时间更少。

串行清除时间

在并行寄存器的情况下，有时可能需要在从并行寄存器传输电荷之前清除累积电荷的串行寄存器，这就是串行清除时间。

并行移位时间和并行大小

并行移位时间是在图像读出期间将一行像素移入串行寄存器所需的时间。如果正在执行合并，则必须将其乘以超像素的并行大小来得出转移电荷所需的总时间。

串行丢弃时间

从CCD读取子阵列时，可能需要丢弃ROI之前和之后的像素。串行丢弃时间是完成此操作所需的时间。此外，大多数CCD/CMOS上的串行寄存器在串行阵列的数据部分和输出放大器之间放置了许多像素（通常为20到50）。在读取数据之前必须丢弃这些像素。

影响帧速率的其他因素

在使用相机时，一些相机提供仅传输传感器的部分区域的能力，这提供了专注于包含与图像处理相关的信息的图像区域的选项，也就是感兴趣区域（ROI）。

这个感兴趣区域 (ROI) 有时可以小到一个像素。减少由相机传输的图像的大小会减少图像大小，从而减少每个图像所需的带宽。在配置ROI时，读出窗口缩小到与分析相关的区域，能够显著增加了图像频率。

此外，一些具有高效并行读出设计的 CMOS 传感器还可以在减少水平窗口和垂直窗口时提高帧读出速率。例如，如果 CMOS 相机的分辨率为1000×1000 像素，满帧速率为100fps，ROI为200×500像素，则只有总像素的1/10需要读出，因此帧速率增加到近1000 fps。实际上，从传感器读取数据还涉及其他延迟，因此与全分辨率帧速率相比，帧速率的增加与分辨率的降低并不完全成正比。

越来越多的相机允许从传感器中读取多个感兴趣区域 (MROI) 以执行多项检查。当只需要非常小的ROI进行分析时，这对于需要极高精度的高分辨率相机的应用来说尤其有用。甚至有一些允许动态重新定位感兴趣的区域，从而能够在视野内跟踪对象。光虎视觉提醒，需要注意的是，一些CCD相机能够提供ROI读出，但是，这只会减少数据传输时间，而不会减少传感器读出时间，因为CCD总是必须读出完整的行。

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