成像系统的时间性能测试：曝光时间和帧率

成像系统的时间性能测试：曝光时间和帧率

在摄影和摄像领域，成像系统的帧率性能是衡量其在快速拍摄场景下表现的重要指标。本文将详细介绍ISO 15781标准中规定的帧率测试方法，并介绍一种专门用于曝光时间和帧率测试的设备——CS-ETS曝光帧率测试仪的工作原理和使用方法。

ISO 15781标准中的帧率测试方法

ISO 15781标准提供了一种测试数字静态相机（digital still cameras）帧率（shooting rate 或 frame rate）的方法。帧率是指相机连续拍摄一系列图像时的最高频率。测试帧率的目的是为了衡量相机在连续拍摄模式下的性能，特别是在快速连拍时的表现。这种测试方法也同样适用于视频拍摄的帧率测试。

测试步骤

1. 相机设置：首先，将相机设置为可用的最高像素计数和最高图像质量（例如，最低JPEG压缩）的模式。如果相机有连拍模式（burst mode），则将其设置为该模式。如果相机允许调整曝光时间，将其设置为1/100秒或更短（如果可调）。

2. 拍摄准备：将相机放置在稳定的支架上，正确对焦对准目标。确保相机处于正确的拍摄模式和曝光设置。

3. 拍摄过程：通过持续按住快门按钮来连续拍摄一系列图像。继续拍摄直到拍摄速率显著下降，或者直到捕获了100张图像，以先到者为准。

4. 测量帧率：测量连续拍摄的图像之间的时间间隔。帧率是从一个图像的曝光开始到下一个图像的曝光开始之间的时间的倒数。如果在测试过程中帧率有显著变化，应报告在所用模式下可能达到的曝光次数，以及实际测量到的帧率值。

5. 结果记录：使用公式（2）和（3）计算帧率（f）、标准偏差以及测量条件，并按照第6条款的描述报告结果。

其中：

• f 是图像频率（帧率）；
• n 是在相机开始减速之前拍摄的最后一张图像的编号；
• t 是从开始到特定图像曝光开始的时间；
• Tn 是从第一个图像曝光开始到下一个图像曝光开始的n个时间间隔的算术平均值；
• σ 是平均值的标准偏差。

CS-ETS曝光帧率测试仪

CS-ETS曝光帧率测试仪是一种专门用于曝光时间和帧率测试的设备。其LED计时器由3个10X10 LED阵列与 1X10 的LED行组成，3 个10X10 的LED阵列中每个灯依次发光，1X10 的阵列也是依次发光。在任何给定的时刻，每10X10阵列或1X10 阵列上总是只有一个点亮的LED。当一个LED被关闭时，下一个LED被打开，当最后一个灯关闭时再从头循环。任何给定的时线上，每个LED点亮的时间完全相同，并且在数字显示器上，显示点亮所有LED的总时间。周期相同的3 个10X10 阵列是同步的，这意味着这些10X10 的阵列中的第一个LED完全在同一时间点亮，每个相同序列的灯都在同一时列点亮或关闭。ISO 15781要求一个定时装置具有至少1个ms的精度，并且能够测量高达10秒的时间，上图中的计时器中，这些LED 的点亮时间，可以从1us~40s 可调。

使用计时器测量帧率的方法

方法一：全局曝光（Global Shutter）图像传感器

对于全局曝光（Global Shutter）的图像传感器为例，以下为连续三帧案例。假设：每一个LED 的点亮时长为1ms，间隔 1ms，然后下一个LED点亮， 按照ISO15781 的定义，不同帧中点亮（或关闭）的LED之间时间差为三个周期数量级，即帧间隔为6ms。帧率为1/Tp约为166.67帧/每秒。

方法二：Rolling Shutter图像传感器

对于Rolling Shutter的数码相机，曝光时间是通过计算每条线上点亮的led的数量，计算相关的时间，并返回更准确的线（周期仅比测量时间略长的线）的平均值。对于RollingShutter 的成像元件，由于每一行像素的曝光时间是有时间差的，

方法三：观察1X10 LED阵列

对于有视频预览或输出显示的成像系统，也可以通观察下面一行1X10 阵列的LED的方法来分析帧率（采集帧率与显示帧率不同时，需要分别分析）：

假设：下面一行10 个LED灯中，每个灯的点亮时间为1ms，间隔时间为 1ms，则10 个灯的总时长Tlight为20ms（即50Hz/s)， 如果成像设备采集的连续帧，帧率是稳定的，且帧间隔时长Tp与10 个灯的总时长相等即Tlight=Tp=20ms=50Hz/s，就会观察到每一帧所亮的LED 灯的数量和位置是相同的，如下图所示。

但是当10 个LED 灯的总时长与成像系统帧间隔时长，不相等时，则会看到每一帧中所亮 LED 的位置是变化的，有一种“流动的”视觉感觉。并且流动的方与Tlight和Tp之间的大小关系相关。

以下是一个Tlight=20ms=50Hz/s, Tp=18ms=55.56Hz/s, 曝光时间为6ms的例子，可以看到每一帧中的LED 虽然都可以看到3 个，但是位置却向左移动了。如果 Tp>Tlight则观察到的现像刚好相反。

以下是一个Tlight=20ms=50Hz/s, Tp=22ms=45.45Hz/s, 曝光时间为6ms的例子，可以看到每一帧中的LED 虽然都可以看到3 个，但是位置却向右移动了