Când utilizați un modul de cameră într-o cameră slab iluminată, sub lumina lunii sau în interiorul unei țevi întunecate, imaginea devine adesea granulată, întunecată sau neclară. Se numește capacitatea unei camere de a produce o imagine clară și utilizabilă în astfel de condițiiperformanță la lumină scăzută. Aceasta este una dintre cele mai importante specificații pentru multe aplicații – de la un mini modul de cameră într-un endoscop medical până la un modul de cameră USB pentru securitate pe timp de noapte. În acest articol, explicăm ce înseamnă performanța în condiții de lumină scăzută, factorii care o afectează și cum să alegeți un modul de cameră care funcționează bine în întuneric.
De ce contează performanța la lumină scăzută
O cameră care se luptă în condiții de lumină slabă va forța senzorul să amplifice semnalul (mărește câștigul), ceea ce amplifică și zgomotul electronic aleatoriu. Rezultatul este o imagine zgomotoasă, „înzăpezită”, cu detalii reduse. În aplicații critice – cum ar fi un endoscop chirurgical, un sistem de viziune pe timp de noapte pentru autovehicule sau o cameră nocturnă pentru animale sălbatice – performanța slabă la lumină slabă poate duce la diagnostice ratate, accidente sau pierderi de date.
Chiar și pentru un simplu modul de cameră USB utilizat pentru inspecția acasă, capacitatea bună de lumină slabă înseamnă că puteți vedea colțurile întunecate fără a avea nevoie de o lumină externă puternică.
Cum se măsoară performanța la lumină scăzută?
Nu există un număr universal unic, dar producătorii specifică adesea:
Iluminare minima– Cel mai scăzut nivel de lumină (în lux) la care camera poate produce o imagine utilizabilă. Un birou tipic de interior este de aproximativ 300-500 de lux; lumina lunii este de aproximativ 0,1-0,3 lux.
Raportul semnal-zgomot (SNR)– La lumină slabă, un SNR mai mare înseamnă un zgomot vizibil mai puțin.
Sensibilitate– Adesea exprimat în mV per lux·s (milivolți pe lux pe secundă) pentru senzor.
Un modul bun de cameră cu lumină scăzută poate funcționa la 0,1 lux sau mai puțin, adesea cu ajutorul iluminării în infraroșu.
Factori cheie care afectează performanța la lumină scăzută
1. Dimensiunea pixelilor (design senzor)
Cel mai fundamental factor este dimensiunea fiecărui pixel de pe senzorul modulului camerei cmos. Pixelii mai mari captează mai mulți fotoni (particule de lumină) decât pixelii mai mici. De exemplu, un pixel care are 2,9 µm (micrometri) lățime colectează de aproximativ patru ori mai multă lumină decât un pixel de 1,4 µm. Prin urmare, pentru o rezoluție dată, un senzor cu pixeli mai mari va funcționa mult mai bine în lumină slabă.
Acesta este motivul pentru care un mini modul de cameră de 2 MP cu pixeli mari poate produce imagini de noapte mai curate decât un modul de 8 MP cu pixeli foarte mici, chiar dacă modulul de 8 MP are o rezoluție mai mare.
2. Tehnologie Back-Illuminated (BSI).
Senzorii tradiționali au cablaj deasupra zonei sensibile la lumină, blocând o parte a luminii. Senzorii BSI răsturnează structura, plasând cablajul în spatele fotodiodelor. Acest lucru permite ca mai multă lumină să ajungă la pixeli, îmbunătățind sensibilitatea la lumină slabă cu 30-50% în comparație cu senzorii non-BSI de aceeași dimensiune a pixelilor. Aproape toți senzorii moderni de module de cameră cmos pentru endoscopie sau supraveghere folosesc BSI.
3. Diafragma obiectivului (numărul f)
Obiectivul controlează cât de multă lumină intră în cameră. Un obiectiv cu un număr f mai mic (de exemplu, f/1,8) lasă să intre mai multă lumină decât unul cu un număr f mai mare (de exemplu, f/2,8). Un modul de cameră cu focalizare automată are adesea o deschidere moderată (f/2,0-f/2,4) care echilibrează adunarea luminii și profunzimea câmpului. Pentru lumină extrem de scăzută, un modul cu focalizare fixă cu un număr f foarte scăzut (f/1,4) este ideal, dar va avea o adâncime de câmp mai mică.
4. Tehnologia senzorilor (BSI, Stacked, Global Shutter)
Senzorii CMOS cu iluminare din spate (BSI) și stivuiți sunt cei mai buni pentru lumină slabă. Senzorii de obturator global au de obicei o sensibilitate puțin mai mică decât senzorii de obturator rulant de aceeași dimensiune a pixelilor, dar sunt preferați atunci când scena conține mișcare rapidă.
5. Reducerea zgomotului și procesarea imaginii
Procesorul de imagine al camerei (ISP) poate aplica reducerea zgomotului spațial (netezirea cadrului curent) și reducerea zgomotului temporal (în medie mai multe cadre). Un modul de cameră UVC bine reglat poate produce o imagine mai curată cu prețul unei ușoare pierderi de detalii fine. Unele module de ultimă generație folosesc, de asemenea, tehnici HDR cu mai multe cadre pentru a lumina umbrele fără a evidenția luminile.
6. Frecvența cadrelor și timpul de expunere
În condiții de lumină foarte scăzută, camera poate reduce automat rata de cadre (de exemplu, de la 30 fps la 15 fps) pentru a permite un timp de expunere mai lung pe cadru. Acest lucru adună mai multă lumină, dar face videoclipul mai puțin fluid. Pentru un modul de cameră raspberry pi v3, puteți reduce manual rata de cadre în software (libcamera‑vid --framerate 15) pentru a îmbunătăți calitatea imaginii în condiții de lumină scăzută.
Cum să îmbunătățiți performanța la lumină scăzută în modulul camerei dvs
Alegeți un senzor mai mare (dacă dimensiunea permite)– Un senzor de 1/2,8” cu pixeli de 2,9 µm va depăși un senzor de 1/4” cu pixeli de 1,4 µm.
Selectați un senzor BSI– Majoritatea senzorilor Sony IMX (de exemplu, IMX290, IMX307) folosesc BSI.
Utilizați un obiectiv cu o deschidere mai mare– f/2.0 sau mai mic, dacă este posibil.
Adăugați iluminare în infraroșu (IR).– Pentru întuneric total, utilizați LED-uri IR (850 nm sau 940 nm) și o cameră fără filtru de tăiere IR.
Reduceți rata de cadre– Schimbă netezimea cu luminozitate.
Utilizați reducerea temporală a zgomotului– Medierea cadrelor reduce zgomotul, dar poate provoca fantome dacă scena se mișcă.
Performanță la lumină scăzută în diferite tipuri de module de cameră
Modul mini cameră (pentru endoscopie)– Acestea au senzori foarte mici (1/9″ până la 1/6″) și lentile minuscule. Performanța lor la lumină slabă este în mod inerent limitată. Pentru a compensa, modulele camerelor endoscopice folosesc LED-uri luminoase foarte aproape de obiectiv. Pentru uz medical, puterea de lumină este limitată pentru a evita încălzirea țesuturilor, astfel încât sensibilitatea camerei este critică.
Modul USB pentru cameră (UVC)– Multe module de camere UVC pentru camere web folosesc senzori mici cu capacitate medie de lumină scăzută. Cu toate acestea, modulele profesionale de camere UVC pentru supraveghere sau inspecție industrială folosesc adesea senzori BSI și pixeli mai mari. Aceștia acceptă, de asemenea, ajustări automate de creștere și expunere.
Modul de cameră OEM– Când proiectați un modul personalizat de cameră OEM, puteți optimiza fiecare aspect pentru lumină slabă: alegeți un senzor BSI cu pixeli mari, specificați o lentilă de sticlă cu deschidere f/1.8 și reglați reducerea zgomotului ISP. Acesta este cel mai bun mod de a obține o performanță excelentă la lumină scăzută pentru o anumită aplicație.
Modulul camerei cu focalizare automată– Focalizarea automată adaugă un element de lentilă în mișcare, care poate reduce ușor diafragma maximă. Cu toate acestea, multe module de focalizare automată ating încă f/2.0-f/2.4, ceea ce este bun pentru lumină slabă. Avantajul este că vă puteți concentra și pe obiecte apropiate în condiții de lumină slabă.
Modulul camerei Raspberry Pi V3– Camera oficială Raspberry Pi folosește un senzor Sony IMX708 (BSI, pixeli de 1,4 µm în modul 4:3). Performanța sa în condiții de lumină scăzută este decentă pentru un modul de consum, dar nu la fel de bună ca o cameră industrială dedicată cu lumină scăzută. Îl puteți îmbunătăți prin reducerea ratei de cadre și folosind opțiunea --nopreview pentru a evita supraîncărcarea CPU.
Exemplu practic
Să presupunem că aveți nevoie de un mini modul de cameră pentru o inspecție pe timp de noapte a dronei. Aveți două opțiuni:
Opțiunea A: Senzor 720p cu pixeli de 2,2 µm, BSI, obiectiv f/2.0.
Opțiunea B: senzor 1080p cu pixeli de 1,4 µm, obiectiv non-BSI, f/2,8.
Opțiunea A va produce o imagine de noapte mult mai curată, chiar dacă rezoluția este mai mică. Pentru sarcina cu dronă, nu aveți nevoie de 1080p - trebuie să vedeți clar subiectul în întuneric. Prin urmare, alegeți modulul cu performanțe mai bune la lumină scăzută.
Rezumat
Performanța la lumină scăzută determină cât de bine poate un modul de cameră să producă o imagine utilizabilă în condiții de lumină slabă sau întunecată. Depinde de dimensiunea pixelilor (mai mare este mai bine), tehnologia BSI, deschiderea obiectivului, reducerea zgomotului ISP și rata cadrelor. Atunci când selectați un modul de cameră - fie un modul mini cameră pentru endoscopie, un modul de cameră USB pentru securitate, un modul de cameră OEM pentru un dispozitiv personalizat, un modul de cameră cu focalizare automată pentru un scaner de coduri de bare, un modul de cameră UVC pentru o cameră web, un modul de cameră cmos pentru viziune încorporată sau un modul de cameră raspberry pi v3 pentru un prototip - verificați întotdeauna dimensiunea pixelului senzorului și dacă folosește BSI. În condiții de lumină foarte scăzută, luați în considerare adăugarea de iluminare IR și reducerea ratei cadrelor.
Dacă aveți nevoie de un modul de cameră optimizat pentru aplicații cu lumină scăzută, contactați Sincere. Proiectăm și fabricăm module de cameră OEM personalizate cu senzori CMOS de înaltă sensibilitate, pixeli mari și lentile rapide adaptate mediului dumneavoastră.
