Když používáte modul kamery ve slabě osvětlené místnosti, při měsíčním světle nebo uvnitř tmavé trubky, obraz se často stává zrnitý, tmavý nebo rozmazaný. Schopnost kamery produkovat použitelný, jasný obraz v takových podmínkách se nazývávýkon při slabém osvětlení. Toto je jedna z nejdůležitějších specifikací pro mnoho aplikací – od mini kamerového modulu v lékařském endoskopu po USB kamerový modul pro noční zabezpečení. V tomto článku vysvětlíme, co znamená výkon při slabém osvětlení, jaké faktory jej ovlivňují a jak vybrat modul kamery, který funguje dobře i ve tmě.
Proč záleží na výkonu při slabém osvětlení
Kamera, která bojuje při slabém osvětlení, donutí senzor zesílit signál (zvýšit zisk), což také zesílí náhodný elektronický šum. Výsledkem je zašuměný, „zasněžený“ obraz se sníženými detaily. V kritických aplikacích – jako je chirurgický endoskop, automobilový systém nočního vidění nebo noční kamera pro divokou zvěř – může špatný výkon při slabém osvětlení vést k promeškaným diagnózám, nehodám nebo ztrátě dat.
I u jednoduchého modulu USB Camera Module používaného pro domácí inspekci dobrá schopnost při slabém osvětlení znamená, že vidíte do tmavých koutů, aniž byste potřebovali výkonné externí světlo.
Jak se měří výkon při slabém osvětlení?
Jedno univerzální číslo neexistuje, ale výrobci často uvádějí:
Minimální osvětlení– Nejnižší úroveň osvětlení (v luxech), při které může kamera vytvářet použitelný obraz. Typická vnitřní kancelář má asi 300–500 luxů; měsíční světlo je asi 0,1–0,3 luxu.
Odstup signálu od šumu (SNR)– Při slabém osvětlení znamená vyšší SNR méně viditelného šumu.
Citlivost– Často vyjádřeno v mV na lux·s (milivolty na lux za sekundu) pro senzor.
Dobrý modul kamery pro slabé osvětlení může pracovat při 0,1 luxu nebo nižším, často s pomocí infračerveného osvětlení.
Klíčové faktory ovlivňující výkon při slabém osvětlení
1. Velikost pixelů (design snímače)
Nejzásadnějším faktorem je velikost každého pixelu na snímači modulu kamery CMOS. Větší pixely zachycují více fotonů (světelných částic) než menší pixely. Například pixel, který je široký 2,9 µm (mikrometrů), zachytí asi čtyřikrát více světla než pixel o velikosti 1,4 µm. Pro dané rozlišení si tedy snímač s většími pixely povede mnohem lépe při slabém osvětlení.
To je důvod, proč 2MP modul minikamery s velkými pixely může produkovat čistší noční snímky než 8MP modul s velmi malými pixely, i když má 8MP modul vyšší rozlišení.
2. Technologie Back-Illuminated (BSI).
Tradiční senzory mají kabeláž nad oblastí citlivou na světlo, která blokuje část světla. Senzory BSI otočí strukturu a umístí kabeláž za fotodiody. To umožňuje, aby se k pixelům dostalo více světla, což zlepšuje citlivost při slabém osvětlení o 30–50 % ve srovnání se snímači bez BSI stejné velikosti pixelů. Téměř všechny moderní snímače kamerových modulů CMOS pro endoskopii nebo sledování používají BSI.
3. Clona objektivu (f-číslo)
Objektiv řídí, kolik světla vstupuje do fotoaparátu. Objektiv s nižším clonovým číslem (např. f/1,8) propustí více světla než objektiv s vyšším clonovým číslem (např. f/2,8). Modul fotoaparátu s automatickým ostřením má často střední clonu (f/2,0‑f/2,4), která vyvažuje shromažďování světla a hloubku ostrosti. Pro extrémně slabé osvětlení je ideální modul s pevným ohniskem s velmi nízkým clonovým číslem (f/1,4), ale bude mít menší hloubku ostrosti.
4. Technologie senzorů (BSI, Stacked, Global Shutter)
Snímače CMOS se zadním osvětlením (BSI) jsou nejlepší pro slabé osvětlení. Globální snímače závěrky mají obvykle o něco nižší citlivost než snímače rolovací závěrky se stejnou velikostí pixelů, ale jsou preferovány, když scéna obsahuje rychlý pohyb.
5. Redukce šumu a zpracování obrazu
Obrazový procesor (ISP) fotoaparátu může použít redukci prostorového šumu (vyhlazení aktuálního snímku) a časovou redukci šumu (zprůměrování několika snímků). Dobře vyladěný modul UVC kamery dokáže vytvořit čistší obraz za cenu mírné ztráty jemných detailů. Některé špičkové moduly také využívají techniky vícesnímkového HDR k rozjasnění stínů, aniž by došlo k vyblednutí světlých míst.
6. Frekvence snímků a doba expozice
Při velmi slabém osvětlení může fotoaparát automaticky snížit snímkovou frekvenci (např. z 30 snímků za sekundu na 15 snímků za sekundu), aby umožnil delší dobu expozice na snímek. Tím se shromáždí více světla, ale video bude méně plynulé. U modulu kamery raspberry pi v3 můžete ručně snížit snímkovou frekvenci v softwaru (libcamera-vid --framerate 15), abyste zlepšili kvalitu obrazu při slabém osvětlení.
Jak zlepšit výkon při slabém osvětlení v modulu fotoaparátu
Vyberte větší snímač (pokud to velikost dovoluje)– 1/2,8″ snímač s 2,9 μm pixely překoná 1/4″ snímač s 1,4 μm pixely.
Vyberte snímač BSI– Většina snímačů Sony IMX (např. IMX290, IMX307) používá BSI.
Použijte objektiv s větší světelností– f/2,0 nebo nižší, pokud je to možné.
Přidejte infračervené (IR) osvětlení– Pro úplnou tmu použijte IR LED (850 nm nebo 940 nm) a kameru bez IR-cut filtru.
Snížit snímkovou frekvenci– Vyměňte hladkost za jas.
Použijte dočasné snížení šumu– Průměrování snímků snižuje šum, ale při pohybu scény může způsobit zdvojení obrazu.
Výkon při slabém osvětlení v různých typech kamerových modulů
Modul minikamery (pro endoskopii)– Mají velmi malé snímače (1/9″ až 1/6″) a malé čočky. Jejich výkon při slabém osvětlení je ze své podstaty omezený. Pro kompenzaci používají moduly endoskopických kamer jasné LED diody velmi blízko objektivu. Pro lékařské použití je světelný výkon omezen, aby se zabránilo zahřívání tkáně, takže citlivost kamery je kritická.
USB kamerový modul (UVC)– Mnoho modulů UVC kamer pro webové kamery používá malé senzory s průměrnou schopností slabého osvětlení. Profesionální moduly UVC kamer pro dohled nebo průmyslovou kontrolu však často používají snímače BSI a větší pixely. Podporují také automatické nastavení zisku a expozice.
OEM kamerový modul– Když navrhujete vlastní modul fotoaparátu OEM, můžete optimalizovat každý aspekt pro slabé osvětlení: vyberte snímač BSI s velkými pixely, určete skleněnou čočku s clonou f/1,8 a vylaďte redukci šumu ISP. Toto je nejlepší způsob, jak dosáhnout vynikajícího výkonu při slabém osvětlení pro konkrétní aplikaci.
Modul fotoaparátu s automatickým ostřením– Autofokus přidává pohyblivý člen objektivu, který může mírně snížit maximální clonu. Mnoho modulů autofokusu však stále dosahuje f/2,0‑f/2,4, což je dobré pro slabé osvětlení. Výhodou je, že v šeru můžete zaostřit i na blízké objekty.
Raspberry Pi kamerový modul V3– Oficiální fotoaparát Raspberry Pi používá snímač Sony IMX708 (BSI, 1,4 µm pixely v režimu 4:3). Jeho výkon při slabém osvětlení je slušný pro spotřebitelský modul, ale není tak dobrý jako u specializované průmyslové kamery při slabém osvětlení. Můžete to zlepšit snížením snímkové frekvence a použitím volby --nopreview, abyste se vyhnuli zátěži CPU.
Praktický příklad
Předpokládejme, že potřebujete mini kamerový modul pro noční kontrolu dronu. Máte dvě možnosti:
Možnost A: 720p snímač s 2,2 µm pixely, BSI, f/2.0 objektiv.
Možnost B: 1080p snímač s 1,4 µm pixely, non-BSI, f/2.8 objektiv.
Možnost A vytvoří mnohem čistší noční obraz, i když je rozlišení nižší. Pro úkol s dronem nepotřebujete 1080p – potřebujete jasně vidět objekt ve tmě. Vyberte si proto modul s lepším výkonem při slabém osvětlení.
Shrnutí
Výkon při slabém osvětlení určuje, jak dobře dokáže modul kamery vytvořit použitelný obraz v šeru nebo ve tmě. Záleží na velikosti pixelu (větší je lepší), technologii BSI, cloně objektivu, redukci šumu ISP a snímkové frekvenci. Při výběru kamerového modulu – ať už jde o mini kamerový modul pro endoskopii, USB kamerový modul pro zabezpečení, OEM kamerový modul pro zakázkové zařízení, kamerový modul s automatickým ostřením pro skener čárových kódů, UVC kamerový modul pro webovou kameru, kamerový modul CMOS pro integrované vidění nebo kamerový modul raspberry pi v3 pro prototyp – vždy zkontrolujte velikost pixelu snímače a zda používá BSI. Při velmi slabém osvětlení zvažte přidání IR osvětlení a snížení snímkové frekvence.
Pokud potřebujete modul kamery optimalizovaný pro aplikace se slabým osvětlením, kontaktujte společnost Sincere. Navrhujeme a vyrábíme zakázkové OEM kamerové moduly s vysoce citlivými CMOS snímači, velkými pixely a rychlými objektivy na míru vašemu prostředí.
