CMOS Sensor的基本概念及计算

1、基本概念

1）帧

简单来说，一帧就是一副图像。显示器上面我们看到的画面就是一帧一帧的显示的。只不过显示的速度足够快，人眼以为画面是运动的。

2）帧率

是以帧为单位，sensor单位时间内曝光并输出图像的频率，通常使用fps（frame per second）来表示，比如帧率是30fps，则代表1秒内输出30帧图像。

3）有效像素数

如上是 imx335 datasheet 中的说明，有效像素是2616x1964，就是指所有可以用的像素，实际我们一般是使用推荐的像素2592x1944，当后续需要裁剪/偏移之类的操作，可以留有余量。

4）pclk

是控制像素输出的时钟，即pixel采样时钟，一个clk采集一个像素点 ， 单位MHz。表示是每个单位时间内（每秒）采样的pixel数量。

5）H_Blank/V_Blank

H_Blank：是指行消隐或称水平消隐，如下帧结构示意图所示，假定曝光起始位置在图像的左上角，对于逐行曝光的 sensor 来说，曝光从第一个像素开始，依次曝光直至这行的最后一个像素曝光结束，

这时曝光位置要从此行的尾部快速移动到下一行的头部，开始下一行的曝光，这段行与行之间的返回过程称为H_Blank。

V_Blank：是指场消隐或称垂直消隐，如下帧结构示意图所示，假定曝光起始位置在图像的左上角，曝光完成一帧图像后，曝光位置要从图像的右下角返回左上角，开始新一帧的曝光，这一段时间间隔称为V_Blank。

7）dummy_line

虚拟行，是用来填充V_Blank的行，一般最大曝光行数是要大于有效像素的长的，就是因为加了dummy_line的原因，这个后面会继续说明。

8）frame_offset

是指最小的dummy_line，这里要注意：最大曝光行 = VTS - frame_offset，而最小曝光行则不是frame_offset ， datasheet 中会定义一个最小曝光行，这是两个概念。

9）line_length

一行的长度，它包含H_Blank，通常说的 HTS 就是行长，

line_length =

width_number_of_effective_cloumns+H_Blank

11）frame_length

一帧的行数，也就是帧长，它包含V_Blank，通常说的 VTS 就是帧长，

frame_length =

height_number_of_effective_rows + V_Blank

10）line_time

曝光一行的时间。

12）exposure_time

曝光时间，指一帧曝光了多长时间，这里是绝对时间。单位用秒（s）、毫秒（ms）或微秒（us）表示。

13）integration_time

积分时间，单位为行（H），通常也称为曝光行。 对于逐行曝光的sensor来说，积分时间是指这一帧曝光了多少行，这是一个相对时间。

2、与 Sensor 曝光相关的计算

1）曝光一行的时间计算（line_time）

line_time = line_length/pclk

--- 单位通常是：us（微秒）

--- 也就是曝光一行所用的时间，等于一行的长度除以1秒时间内采样的像素数，可以理解成：路程/速度=时间。

2）曝光时间计算（exposure_time）

exposure_time = integration_time * line_time

--- 积分时间是指曝光一帧所用的行数，那这一帧的绝对曝光时间就等于，曝光所用行数乘以曝光一行所用的时间。

3）帧率计算（fps）

line_length = pclk * line_time；

fps=pclk/（VTS∗HTS） = pclk/（frame_length∗line_length）

以上两式代入得：fps = 1/（frame_length ∗ line_time）

如上式可以理解成，帧率等于1秒内能曝光多少帧，比如 sensor 出30fps，那按上式来看，每帧的曝光时间就是1/30=33ms。

--- 注1：fps即表示1秒内帧数，此公式中line_time单位是秒。

--- 注2：调节帧率一般都会通过调整VTS来完成（也就是调整V_Blank，如增加了帧与帧间隔的时长，自然每秒内能处理的帧数就少了），

改HTS和VTS是一样的，但可能有些sensor对行长有8倍，16倍的要求，需要找原厂确认，要注意sensor 厂家不同对 sensor 的设计要求有所区别，具体要咨询相应厂家的fae ;

4）帧长（frame_length）VTS = frame_length =height_number_of_effective_rows + dummy_line （ V_Blank ）

VTS ≥ height_number_of_effective_rows + frame_offset

min_integration_time ≤ integration_time ≤ VTS - frame_offset

5）sony对于同一个概念有不同的描述，但本质一样，这里以IMX307为例：

通常在 sony sensor 的 datasheet中都可以查找到effective number of pixels，VMAX 与 VTS是一个概念，HMAX 与 HTS 是一个概念。

integration_time = VTS - SHR0

SHR0本意是表示Shutter释放的时机，SHR0的值越大，说明Shutter释放得越晚，integration_time越小，

IMX307 是通过控制SHR0来间接控制曝光行的，其他厂家的sensor 是有直接控制曝光行（integration_time）的寄存器。

如下图所示，integration_time = VTS （frame1+v_blk） - SHR0（β） ；

有SHR0=α是因为这是首帧，存在收敛误差可能，后面都是一样了。

审核编辑：郭婷