노출 시간과 프레임 레이트

노출 시간(Exposure time)

출처 : https://www.makeuseof.com

노출시간이란 센서가 빛을 받아들이는 시간으로, 노출 시간이 길어길수록 이미지가 밝아집니다. 머신비전 카메라는 전자식 셔터를 사용하여 노출시간을 제어합니다. 카메라 파라미터 설정을 통해 us단위로 노출시간을 설정할 수 있습니다.

이는 카메라의 셔터 스피드와 동일합니다. 카메라는 물리적인 셔터가 열고 닫히는 셔터스피드로 노출 시간을 조절합니다. 일반적으로 1/1000초, 1/500초, 1/250초, 1/125초, 1/60초, 1/30초, 1/15초, 1/8초, 1/4초, 1/2초, 1초 스케일을 사용합니다.

[그림 2] 노출시간에 따른 이미지 변화

노출시간은 이미지의 밝기 외 움직이는 물체를 촬영할때에도 영향을 미칩니다. 노출시간보다 물체가 빠르게 움직인다면 그 물체는 블러가 있는 상태로 이미지에 보이게됩니다. 그림2와 같이 노출시간이 바람개비가 도는 속도보다 짧다면 바람개비는 선명하게 나오고 바람개비가 더 빨리 돈다면 그만큼 물체에 블러가 생기게 됩니다.

정지한 물체를 촬영할 때는 조리개 값에 따라 적절한 노출시간을 설정하여 밝고 선명한 이미지를 얻을 수 있지만, 움직이는 물체를 촬영할 경우에는 물체에 블러가 생기지 않도록 노출시간을 설정해야 합니다. 물체가 빠르게 움직일수록 노출시간은 짧아지므로 충분한 광량을 확보하기 위해 사용자는 조리개의 개방, 조명 사용, 카메라의 Gain사용을 고려해야 합니다.

노출 시간은 다음과 같은 수식으로 계산하여 구할 수 있습니다.

픽셀 분해능(Pixel Resolution)은 다음과 같은 수식으로 계산하여 구할 수 있습니다.

프레임 레이트(Frame rate)

프레임 레이트는 초당 프레임 수를 가리키며, 이는 1초 동안 이미지 획득 수를 의미합니다. 단위로는 fps(frames per second)(프레임/초)를 사용합니다. 스마트폰의 동영상은 주로 1080P(1920×1080) 60fps 또는 4k(3840×2160) 60fps로 촬영합니다. 이때의 프레임 레이트는 60입니다.

머신비전에서는 카메라 마다 최대 프레임 레이트가 정해져 있으며 고해상도의 카메라일수록 데이터양이 많아져서 보다 낮은 최대 fps를 가집니다. 예를들어, GigE Vision에서 2MP 카메라는 최대 90fps이지만 12.4MP 카메라는 최대 21.4fps입니다. 물체의 이동속도가 빨라질수록, 배율이 높아질수록 높은 프레임 레이트를 필요로 합니다.

노출시간과 프레임 레이트 관계​

노출시간을 설정할때에는 프레임 레이트를 고려해야하며, 프레임 레이트를 설정할 때에도 노출시간을 고려해주어야 합니다. 노출시간이 길어질수록 높은 프레임 레이트를 설정 할 수 없고, 높은 프레임 레이트는 긴 노출시간을 가질 수 없습니다.

노출시간에 따른 최대 프레임 레이트는 다음과 같은 수식으로 계산하여 구할 수 있습니다. 이론상 최대 fps이며 70~90%를 사용합니다.

프레임 레이트에 따른 최대 노출시간은 다음과 같은 수식으로 계산하여 구할 수 있습니다.

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