Када користите модул камере у слабо осветљеној просторији, под месечином или унутар тамне цеви, слика често постаје зрнаста, тамна или мутна. Способност камере да произведе употребљиву, јасну слику у таквим условима се називаперформансе при слабом осветљењу. Ово је једна од најважнијих спецификација за многе апликације – од модула мини камере у медицинском ендоскопу до УСБ модула камере за ноћну безбедност. У овом чланку објашњавамо шта значи перформансе при слабом осветљењу, који фактори утичу на то и како одабрати модул камере који добро ради у мраку.
Зашто су перформансе при слабом осветљењу важне
Камера која се бори при слабом осветљењу ће приморати сензор да појача сигнал (повећа појачање), што такође појачава насумични електронски шум. Резултат је бучна, "снежна" слика са смањеним детаљима. У критичним апликацијама – као што су хируршки ендоскоп, аутомобилски систем за ноћно посматрање или ноћна камера за дивље животиње – лоше перформансе при слабом осветљењу могу довести до промашених дијагноза, несрећа или изгубљених података.
Чак и за једноставан УСБ модул камере који се користи за кућну инспекцију, добра способност слабог осветљења значи да можете да видите мрачне углове без потребе за снажним спољним светлом.
Како се мере перформансе при слабом осветљењу?
Не постоји јединствени универзални број, али произвођачи често наводе:
Минимално осветљење– Најнижи ниво осветљења (у луксима) на којем камера може да произведе употребљиву слику. Типична унутрашња канцеларија је око 300-500 лукса; месечина је око 0,1‑0,3 лукса.
Однос сигнал/шум (СНР)– При слабом осветљењу, већи СНР значи мање видљив шум.
Осетљивост– Често се изражава у мВ по лукс·с (миливолти по луксу у секунди) за сензор.
Добар модул камере за слабо осветљење може да ради на 0,1 лукса или ниже, често уз помоћ инфрацрвеног осветљења.
Кључни фактори који утичу на перформансе при слабом осветљењу
1. Величина пиксела (дизајн сензора)
Најосновнији фактор је величина сваког пиксела на сензору модула ЦМОС камере. Већи пиксели хватају више фотона (светлосних честица) него мањи пиксели. На пример, пиксел ширине 2,9 µм (микрометара) сакупља око четири пута више светлости од пиксела од 1,4 µм. Стога, за дату резолуцију, сензор са већим пикселима ће радити много боље при слабом осветљењу.
Због тога модул мини камере од 2 МП са великим пикселима може да произведе чистије ноћне слике од модула од 8 МП са веома малим пикселима, иако модул од 8 МП има већу резолуцију.
2. Технологија са позадинским осветљењем (БСИ).
Традиционални сензори имају ожичење изнад области осетљиве на светлост, блокирајући део светлости. БСИ сензори окрећу структуру, постављајући ожичење иза фотодиода. Ово омогућава да више светлости допре до пиксела, побољшавајући осетљивост на слабо осветљење за 30-50% у поређењу са сензорима који нису БСИ исте величине пиксела. Скоро сви модерни сензори модула ЦМОС камере за ендоскопију или надзор користе БСИ.
3. Отвор објектива (ф-број)
Објектив контролише колико светлости улази у камеру. Објектив са мањим ф-бројем (нпр. ф/1.8) пропушта више светлости од сочива са већим ф-бројем (нпр. ф/2.8). Модул камере са аутоматским фокусом често има умерени отвор бленде (ф/2.0‑ф/2.4) који балансира прикупљање светлости и дубину поља. За екстремно слабо осветљење, модул са фиксним фокусом са веома малим ф-бројем (ф/1,4) је идеалан, али ће имати мању дубину поља.
4. Технологија сензора (БСИ, наслагани, глобални затварач)
ЦМОС сензори са позадинским осветљењем (БСИ) и наслагани ЦМОС сензори су најбољи за слабо осветљење. Сензори глобалног затварача обично имају нешто нижу осетљивост од сензора за ролетне исте величине пиксела, али су пожељнији када сцена садржи брзо кретање.
5. Смањење шума и обрада слике
Процесор слике (ИСП) камере може применити смањење просторног шума (изглађивање тренутног кадра) и временско смањење шума (у просеку неколико кадрова). Добро подешен модул УВЦ камере може произвести чистију слику по цену благог губитка финих детаља. Неки врхунски модули такође користе ХДР технике са више кадрова за осветљавање сенки без избацивања светлих делова.
6. Брзина кадрова и време експозиције
При веома слабом осветљењу, камера може аутоматски да смањи брзину кадрова (нпр. са 30 фпс на 15 фпс) како би омогућила дуже време експозиције по кадру. Ово прикупља више светла, али чини видео мање глатким. За модул камере распберри пи в3, можете ручно да смањите брзину кадрова у софтверу (либцамера‑вид --фрамерате 15) да бисте побољшали квалитет слике при слабом осветљењу.
Како побољшати перформансе при слабом осветљењу у модулу камере
Изаберите већи сензор (ако величина дозвољава)– Сензор од 1/2,8″ са пикселима од 2,9 µм ће надмашити сензор од 1/4″ са пикселима од 1,4 µм.
Изаберите БСИ сензор– Већина Сони ИМКС сензора (нпр. ИМКС290, ИМКС307) користи БСИ.
Користите објектив са већим отвором бленде– ф/2.0 или ниже ако је могуће.
Додајте инфрацрвено (ИР) осветљење– За потпуни мрак користите ИР ЛЕД диоде (850 нм или 940 нм) и камеру без ИР-сеченог филтера.
Смањите брзину кадрова– Замените глаткоћу за осветљеност.
Користите временско смањење шума– Усредњавање кадрова смањује шум, али може изазвати појаву духова ако се сцена помери.
Перформансе слабог осветљења у различитим типовима модула камере
Мини модул камере (за ендоскопију)– Имају веома мале сензоре (1/9″ до 1/6″) и сићушна сочива. Њихове перформансе при слабом осветљењу су инхерентно ограничене. За компензацију, модули ендоскопске камере користе светле ЛЕД диоде веома близу сочива. За медицинску употребу, излаз светлости је ограничен да би се избегло загревање ткива, тако да је осетљивост камере критична.
УСБ модул камере (УВЦ)– Многи модули УВЦ камера за веб камере користе мале сензоре са просечном способношћу слабог осветљења. Међутим, професионални модули УВЦ камера за надзор или индустријску инспекцију често користе БСИ сензоре и веће пикселе. Такође подржавају аутоматско подешавање појачања и експозиције.
ОЕМ модул камере– Када дизајнирате прилагођени ОЕМ модул камере, можете да оптимизујете сваки аспект за слабо осветљење: изаберите БСИ сензор са великим пикселима, одредите стаклено сочиво са отвором бленде ф/1,8 и подесите редукцију буке ИСП-а. Ово је најбољи начин за постизање одличних перформанси при слабом осветљењу за одређену примену.
Модул камере са аутоматским фокусом– Аутофокус додаје покретни елемент сочива, који може мало смањити максимални отвор бленде. Међутим, многи модули за аутофокус и даље постижу ф/2.0‑ф/2.4, што је добро за слабо осветљење. Предност је што можете да се фокусирате и на блиске објекте у мрачним условима.
Распберри Пи модул камере В3– Званична Распберри Пи камера користи Сони ИМКС708 сензор (БСИ, 1,4 µм пиксела у режиму 4:3). Његове перформансе при слабом осветљењу су пристојне за потрошачки модул, али нису тако добре као наменска индустријска камера за слабо осветљење. Можете га побољшати тако што ћете смањити брзину кадрова и користити опцију --нопревиев да бисте избегли преоптерећење процесора.
Практични пример
Претпоставимо да вам је потребан модул мини камере за ноћну инспекцију дроном. Имате две опције:
Опција А: 720п сензор са 2,2 µм пиксела, БСИ, ф/2,0 сочиво.
Опција Б: сензор од 1080п са пикселима од 1,4 µм, без БСИ, ф/2,8 сочиво.
Опција А ће произвести много чистију ноћну слику, иако је резолуција нижа. За задатак дроном не треба вам 1080п – морате јасно да видите субјекат у мраку. Зато изаберите модул са бољим перформансама при слабом осветљењу.
Резиме
Перформансе при слабом осветљењу одређују колико добро модул камере може да произведе употребљиву слику у тамним или тамним условима. Зависи од величине пиксела (већи је бољи), БСИ технологије, отвора сочива, смањења шума ИСП-а и брзине кадрова. Приликом одабира модула камере – било да се ради о модулу мини камере за ендоскопију, УСБ модулу камере за безбедност, модулу ОЕМ камере за прилагођени уређај, модулу камере са аутофокусом за скенер бар кода, модулу УВЦ камере за веб камеру, модулу ЦМОС камере за уграђени вид или модулу камере распберри пи в3 – увек проверите да ли се сензор величине БСИ користи за професионалну величину и величину сензора. При веома слабом осветљењу, размислите о додавању ИР осветљења и смањењу броја кадрова.
Ако вам је потребан модул камере оптимизован за апликације при слабом осветљењу, контактирајте Синцере. Дизајнирамо и производимо прилагођене ОЕМ модуле камере са ЦМОС сензорима високе осетљивости, великим пикселима и брзим сочивима прилагођеним вашем окружењу.
