Когато използвате модул на камерата в слабо осветена стая, на лунна светлина или в тъмна тръба, изображението често става зърнесто, тъмно или замъглено. Способността на фотоапарата да произвежда използваемо, ясно изображение при такива условия се наричапредставяне при слаба светлина. Това е една от най-важните спецификации за много приложения – от миникамерен модул в медицински ендоскоп до USB камерен модул за нощна сигурност. В тази статия обясняваме какво означава представяне при слаба светлина, кои фактори го влияят и как да изберете модул на камерата, който се представя добре на тъмно.
Защо производителността при слаба светлина има значение
Камера, която се бори при слаба светлина, ще принуди сензора да усили сигнала (увеличи усилването), което също усилва случаен електронен шум. Резултатът е шумно, „снежно“ изображение с намалени детайли. В критични приложения – като хирургически ендоскоп, автомобилна система за нощно виждане или нощна камера за диви животни – лошото представяне при слаба светлина може да доведе до пропуснати диагнози, инциденти или загуба на данни.
Дори за обикновен USB модул на камера, използван за инспекция на дома, добрата способност при слаба светлина означава, че можете да виждате в тъмните ъгли, без да се нуждаете от мощна външна светлина.
Как се измерва производителността при слаба светлина?
Няма единен универсален номер, но производителите често посочват:
Минимално осветление– Най-ниското ниво на светлина (в луксове), при което камерата може да създаде използваемо изображение. Типичният вътрешен офис е около 300-500 лукса; лунната светлина е около 0,1-0,3 лукса.
Съотношение сигнал/шум (SNR)– При слаба светлина по-високият SNR означава по-малко видим шум.
Чувствителност– Често се изразява в mV на лукс·s (миливолта на лукс за секунда) за сензора.
Един добър модул на камера при слаба светлина може да работи при 0,1 лукса или по-ниско, често с помощта на инфрачервено осветление.
Ключови фактори, влияещи върху производителността при слаба светлина
1. Размер на пиксела (дизайн на сензора)
Най-фундаменталният фактор е размерът на всеки пиксел на сензора на модула на камерата cmos. По-големите пиксели улавят повече фотони (светлинни частици) от по-малките пиксели. Например, пиксел с ширина 2,9 µm (микрометра) събира около четири пъти повече светлина от пиксел с размер 1,4 µm. Следователно, за дадена резолюция, сензор с по-големи пиксели ще работи много по-добре при слаба светлина.
Ето защо 2 MP миникамерен модул с големи пиксели може да създаде по-чисти нощни изображения от 8 MP модул с много малки пиксели, въпреки че 8 MP модулът има по-висока разделителна способност.
2. Технология със задно осветяване (BSI).
Традиционните сензори имат окабеляване над светлочувствителната зона, блокирайки малко светлина. BSI сензорите обръщат структурата, поставяйки кабелите зад фотодиодите. Това позволява повече светлина да достигне до пикселите, подобрявайки чувствителността при слаба светлина с 30-50% в сравнение със сензори без BSI със същия размер на пиксела. Почти всички модерни сензори на CMOS камера за ендоскопия или наблюдение използват BSI.
3. Апертура на обектива (f-число)
Обективът контролира колко светлина влиза в камерата. Обектив с по-ниско f-число (напр. f/1,8) пропуска повече светлина от този с по-високо f-число (напр. f/2,8). Модулът на камерата с автофокус често има умерена бленда (f/2,0‑f/2,4), която балансира събирането на светлина и дълбочината на полето. За екстремно слаба светлина модулът с фиксиран фокус с много ниско f-число (f/1,4) е идеален, но той ще има по-плитка дълбочина на полето.
4. Сензорна технология (BSI, Stacked, Global Shutter)
Сензорите със задно осветяване (BSI) и подредените CMOS сензори са най-добри за слаба светлина. Сензорите за глобален затвор обикновено имат малко по-ниска чувствителност от сензорите за ролетен затвор със същия размер на пикселите, но те са предпочитани, когато сцената съдържа бързо движение.
5. Намаляване на шума и обработка на изображения
Процесорът за обработка на изображения (ISP) на фотоапарата може да прилага пространствено намаляване на шума (изглаждане на текущия кадър) и намаляване на шума във времето (осредняване на няколко кадъра). Един добре настроен модул на UVC камера може да създаде по-чисто изображение с цената на лека загуба на фини детайли. Някои модули от висок клас също използват многокадрови HDR техники за изсветляване на сенките, без да издухват светлините.
6. Кадрова честота и време на експозиция
При много слаба светлина камерата може автоматично да намали честотата на кадрите (напр. от 30 кадъра в секунда на 15 кадъра в секунда), за да позволи по-дълго време на експозиция на кадър. Това събира повече светлина, но прави видеото по-малко гладко. За модул на камерата raspberry pi v3 можете ръчно да намалите честотата на кадрите в софтуера (libcamera‑vid --framerate 15), за да подобрите качеството на изображението при слаба светлина.
Как да подобрите производителността при слаба светлина във вашия модул на камерата
Изберете по-голям сензор (ако размерът позволява)– 1/2,8″ сензор с 2,9 µm пиксели ще надмине 1/4″ сензор с 1,4 µm пиксели.
Изберете BSI сензор– Повечето сензори Sony IMX (напр. IMX290, IMX307) използват BSI.
Използвайте обектив с по-голяма бленда– f/2.0 или по-ниска, ако е възможно.
Добавете инфрачервено (IR) осветление– За пълна тъмнина използвайте IR светодиоди (850 nm или 940 nm) и камера без IR-cut филтър.
Намалете скоростта на кадрите– Разменете гладкост за яркост.
Използвайте временно намаляване на шума– Осредняването на кадрите намалява шума, но може да причини призрачни изображения, ако сцената се движи.
Ефективност при слаба светлина в различни типове модули на камерата
Модул с мини камера (за ендоскопия)– Те имат много малки сензори (1/9″ до 1/6″) и малки лещи. Тяхното представяне при слаба светлина е ограничено по своята същност. За компенсация ендоскопските камерни модули използват ярки светодиоди много близо до обектива. За медицинска употреба светлинният поток е ограничен, за да се избегне нагряването на тъканите, така че чувствителността на камерата е критична.
USB модул на камерата (UVC)– Много UVC камерни модули за уеб камери използват малки сензори със средна способност за слаба светлина. Професионалните UVC камерни модули за наблюдение или индустриална инспекция обаче често използват BSI сензори и по-големи пиксели. Те също така поддържат автоматично регулиране на усилването и експозицията.
OEM модул за камера– Когато проектирате персонализиран модул на OEM камера, можете да оптимизирате всеки аспект за слаба светлина: изберете BSI сензор с големи пиксели, задайте стъклен обектив с бленда f/1.8 и настройте намаляването на шума на ISP. Това е най-добрият начин за постигане на отлична производителност при слаба светлина за конкретно приложение.
Модул на камерата с автоматичен фокус– Автофокусът добавя движещ се елемент на обектива, който може леко да намали максималната бленда. Въпреки това, много модули за автофокус все още постигат f/2.0‑f/2.4, което е добро за слаба светлина. Предимството е, че можете да фокусирате и върху близки обекти при слаба светлина.
Raspberry Pi Camera Module V3– Официалната камера на Raspberry Pi използва сензор Sony IMX708 (BSI, 1,4 µm пиксела в режим 4:3). Неговата производителност при слаба осветеност е прилична за потребителски модул, но не толкова добра, колкото на специална промишлена камера при слаба осветеност. Можете да го подобрите, като намалите честотата на кадрите и използвате опцията --nopreview, за да избегнете натоварването на процесора.
Практически пример
Да предположим, че имате нужда от модул с мини камера за нощна инспекция с дрон. Имате две възможности:
Опция A: 720p сензор с 2,2 µm пиксела, BSI, f/2,0 обектив.
Опция B: 1080p сензор с 1,4 µm пиксели, не-BSI, f/2,8 обектив.
Вариант А ще създаде много по-чисто нощно изображение, въпреки че разделителната способност е по-ниска. За задачата с дрон не ви трябва 1080p – трябва да виждате обекта ясно на тъмно. Затова изберете модула с по-добро представяне при слаба светлина.
Резюме
Ефективността при слаба светлина определя доколко модулът на камерата може да създаде използваемо изображение при тъмни или тъмни условия. Зависи от размера на пиксела (по-големият е по-добър), технологията BSI, апертурата на обектива, намаляването на шума на ISP и скоростта на кадрите. Когато избирате модул на камера – независимо дали модул на мини камера за ендоскопия, USB модул на камера за сигурност, OEM модул на камера за персонализирано устройство, модул на камера с автофокус за скенер за баркод, UVC модул на камера за уеб камера, модул на камера cmos за вградено зрение или модул на камера raspberry pi v3 за прототип – винаги проверявайте размера на пикселите на сензора и дали използва BSI. При много слаба светлина помислете за добавяне на инфрачервено осветление и намаляване на кадровата честота.
Ако имате нужда от модул на камерата, оптимизиран за приложения при слаба светлина, свържете се с Sincere. Ние проектираме и произвеждаме персонализирани OEM модули за камери с високочувствителни CMOS сензори, големи пиксели и бързи лещи, съобразени с вашата среда.
