Keď používate modul kamery v slabo osvetlenej miestnosti, pri mesačnom svetle alebo vo vnútri tmavého potrubia, obraz sa často stáva zrnitý, tmavý alebo rozmazaný. Schopnosť kamery produkovať v takýchto podmienkach použiteľný, jasný obraz je tzvvýkon pri slabom osvetlení. Toto je jedna z najdôležitejších špecifikácií pre mnohé aplikácie – od mini kamerového modulu v lekárskom endoskope až po USB kamerový modul pre nočnú bezpečnosť. V tomto článku vysvetľujeme, čo znamená výkon pri slabom osvetlení, ktoré faktory ho ovplyvňujú a ako si vybrať modul fotoaparátu, ktorý funguje dobre aj v tme.
Prečo je dôležitý výkon pri slabom osvetlení
Kamera, ktorá bojuje pri slabom osvetlení, prinúti snímač zosilniť signál (zvýšiť zisk), čím sa zosilní aj náhodný elektronický šum. Výsledkom je zašumený, „zasnežený“ obraz so zníženými detailmi. V kritických aplikáciách – ako je chirurgický endoskop, automobilový systém nočného videnia alebo nočná kamera pre divokú zver – môže slabý výkon pri slabom osvetlení viesť k vynechaniu diagnózy, nehodám alebo strate údajov.
Dokonca aj v prípade jednoduchého modulu USB kamery, ktorý sa používa na domácu kontrolu, dobrá schopnosť pri slabom osvetlení znamená, že môžete vidieť do tmavých rohov bez potreby výkonného externého svetla.
Ako sa meria výkon pri slabom osvetlení?
Neexistuje žiadne univerzálne číslo, ale výrobcovia často uvádzajú:
Minimálne osvetlenie– Najnižšia úroveň osvetlenia (v luxoch), pri ktorej môže kamera vytvárať použiteľný obraz. Typická vnútorná kancelária má asi 300-500 luxov; mesačné svetlo je asi 0,1-0,3 luxu.
Odstup signálu od šumu (SNR)– Pri slabom osvetlení znamená vyšší SNR menej viditeľného šumu.
Citlivosť– Pre senzor sa často vyjadruje v mV na lux·s (milivolty na lux za sekundu).
Dobrý modul kamery pri slabom osvetlení môže pracovať pri 0,1 luxe alebo nižšej, často s pomocou infračerveného osvetlenia.
Kľúčové faktory ovplyvňujúce výkon pri slabom osvetlení
1. Veľkosť pixelov (konštrukcia snímača)
Najzásadnejším faktorom je veľkosť každého pixelu na snímači modulu fotoaparátu CMOS. Väčšie pixely zachytávajú viac fotónov (častíc svetla) ako menšie pixely. Napríklad pixel, ktorý je široký 2,9 µm (mikrometrov) zachytí približne štyrikrát viac svetla ako pixel s veľkosťou 1,4 µm. Preto pre dané rozlíšenie bude snímač s väčšími pixelmi fungovať oveľa lepšie pri slabom osvetlení.
To je dôvod, prečo 2 MP modul minikamery s veľkými pixelmi môže produkovať čistejšie nočné obrázky ako 8 MP modul s veľmi malými pixelmi, aj keď má 8 MP modul vyššie rozlíšenie.
2. Technológia Back-Illuminated (BSI).
Tradičné senzory majú vedenie nad oblasťou citlivou na svetlo, ktoré blokuje určité svetlo. Senzory BSI prevrátia štruktúru a umiestnia káble za fotodiódy. To umožňuje, aby sa k pixelom dostalo viac svetla, čím sa zlepšila citlivosť pri slabom osvetlení o 30 – 50 % v porovnaní so snímačmi bez BSI rovnakej veľkosti pixelov. Takmer všetky moderné snímače kamerového modulu CMOS pre endoskopiu alebo sledovanie používajú BSI.
3. Clona objektívu (f-číslo)
Objektív riadi, koľko svetla vstupuje do fotoaparátu. Objektív s nižším clonovým číslom (napr. f/1,8) prepustí viac svetla ako objektív s vyšším clonovým číslom (napr. f/2,8). Modul fotoaparátu s automatickým zaostrovaním má často miernu clonu (f/2,0‑f/2,4), ktorá vyvažuje zhromažďovanie svetla a hĺbku ostrosti. Pre extrémne slabé osvetlenie je ideálny modul s pevným ohniskom s veľmi nízkym clonovým číslom (f/1,4), ktorý však bude mať menšiu hĺbku ostrosti.
4. Technológia senzorov (BSI, skladaný, globálna uzávierka)
Pri slabom osvetlení sa najlepšie hodia spätne osvetlené (BSI) a vrstvené snímače CMOS. Globálne snímače uzávierky majú zvyčajne o niečo nižšiu citlivosť ako snímače rolovacej uzávierky s rovnakou veľkosťou pixelov, ale uprednostňujú sa, keď scéna obsahuje rýchly pohyb.
5. Redukcia šumu a spracovanie obrazu
Obrazový procesor (ISP) fotoaparátu môže použiť redukciu priestorového šumu (vyhladenie aktuálnej snímky) a dočasnú redukciu šumu (spriemerovanie niekoľkých snímok). Dobre vyladený modul UVC kamery dokáže vytvoriť čistejší obraz za cenu miernej straty jemných detailov. Niektoré špičkové moduly tiež využívajú techniky HDR s viacerými snímkami na rozjasnenie tieňov bez toho, aby došlo k vyblednutiu svetiel.
6. Snímková frekvencia a expozičný čas
Pri veľmi slabom osvetlení môže fotoaparát automaticky znížiť frekvenciu snímok (napr. z 30 snímok za sekundu na 15 snímok za sekundu), aby umožnil dlhší expozičný čas na snímku. Tým sa zhromaždí viac svetla, ale video bude menej plynulé. Pre kamerový modul raspberry pi v3 môžete manuálne znížiť snímkovú frekvenciu v softvéri (libcamera-vid --framerate 15), aby ste zlepšili kvalitu obrazu pri slabom osvetlení.
Ako zlepšiť výkon pri slabom osvetlení v module fotoaparátu
Vyberte väčší snímač (ak to veľkosť dovoľuje)– 1/2,8″ snímač s 2,9 µm pixelmi prekoná 1/4″ senzor s 1,4 µm pixelmi.
Vyberte snímač BSI– Väčšina snímačov Sony IMX (napr. IMX290, IMX307) používa BSI.
Použite objektív s väčšou clonou– f/2,0 alebo nižšie, ak je to možné.
Pridajte infračervené (IR) osvetlenie– Pre úplnú tmu použite IR LED (850 nm alebo 940 nm) a kameru bez IR-cut filtra.
Znížte snímkovú frekvenciu– Vymeňte plynulosť za jas.
Použite dočasnú redukciu šumu– Spriemerovanie snímok znižuje šum, ale pri pohybe scény môže spôsobiť zdvojenie obrazu.
Výkon pri slabom osvetlení v rôznych typoch kamerových modulov
Modul minikamery (na endoskopiu)– Majú veľmi malé snímače (1/9″ až 1/6″) a malé šošovky. Ich výkon pri slabom osvetlení je vo svojej podstate obmedzený. Na kompenzáciu používajú moduly kamier endoskopu jasné LED diódy veľmi blízko objektívu. Na lekárske použitie je svetelný výkon obmedzený, aby sa zabránilo zahrievaniu tkaniva, takže citlivosť kamery je kritická.
Modul USB kamery (UVC)– Mnoho modulov UVC kamier pre webové kamery používa malé senzory s priemernou schopnosťou slabého osvetlenia. Profesionálne moduly UVC kamier na dohľad alebo priemyselnú kontrolu však často používajú snímače BSI a väčšie pixely. Podporujú tiež automatické nastavenie zisku a expozície.
OEM kamerový modul– Pri navrhovaní vlastného modulu fotoaparátu OEM môžete optimalizovať každý aspekt pre slabé osvetlenie: vyberte snímač BSI s veľkými pixelmi, špecifikujte sklenenú šošovku s clonou f/1,8 a vylaďte redukciu šumu poskytovateľa internetových služieb. Toto je najlepší spôsob, ako dosiahnuť vynikajúci výkon pri slabom osvetlení pre konkrétnu aplikáciu.
Modul fotoaparátu s automatickým zaostrovaním– Automatické zaostrovanie pridáva pohyblivý prvok objektívu, ktorý môže mierne znížiť maximálnu clonu. Mnoho modulov automatického zaostrovania však stále dosahuje f/2,0‑f/2,4, čo je dobré pri slabom osvetlení. Výhodou je, že v šere môžete zaostriť aj na blízke objekty.
Raspberry Pi kamerový modul V3– Oficiálny fotoaparát Raspberry Pi používa snímač Sony IMX708 (BSI, 1,4 µm pixelov v režime 4:3). Jeho výkon pri slabom osvetlení je slušný pre spotrebiteľský modul, ale nie taký dobrý ako u špeciálnej priemyselnej kamery pri slabom osvetlení. Môžete to zlepšiť znížením snímkovej frekvencie a použitím voľby --nopreview, aby ste sa vyhli réžii procesora.
Praktický príklad
Predpokladajme, že potrebujete mini kamerový modul na nočnú kontrolu dronu. Máte dve možnosti:
Možnosť A: 720p snímač s 2,2 µm pixelmi, BSI, f/2.0 objektív.
Možnosť B: 1080p snímač s 1,4 µm pixelmi, non-BSI, f/2,8 objektív.
Možnosť A vytvorí oveľa čistejší nočný obraz, aj keď je rozlíšenie nižšie. Pre úlohu drona nepotrebujete 1080p – potrebujete jasne vidieť objekt v tme. Preto si vyberte modul s lepším výkonom pri slabom osvetlení.
Zhrnutie
Výkon pri slabom osvetlení určuje, ako dobre dokáže modul kamery produkovať použiteľný obraz v šere alebo tme. Závisí to od veľkosti pixelov (väčšie je lepšie), technológie BSI, clony objektívu, redukcie šumu ISP a snímkovej frekvencie. Pri výbere kamerového modulu – či už ide o mini kamerový modul pre endoskopiu, USB kamerový modul pre bezpečnosť, OEM kamerový modul pre vlastné zariadenie, kamerový modul s automatickým zaostrovaním pre skener čiarových kódov, UVC kamerový modul pre webovú kameru, kamerový modul CMOS pre integrované videnie alebo kamerový modul raspberry pi v3 pre prototyp – vždy skontrolujte veľkosť pixelov snímača a či používa BSI. Pri veľmi slabom osvetlení zvážte pridanie infračerveného osvetlenia a zníženie snímkovej frekvencie.
Ak potrebujete modul kamery optimalizovaný pre aplikácie pri slabom osvetlení, kontaktujte spoločnosť Sincere. Navrhujeme a vyrábame vlastné OEM kamerové moduly s vysoko citlivými CMOS snímačmi, veľkými pixelmi a rýchlymi šošovkami prispôsobenými vášmu prostrediu.
