Kada koristite modul kamere u slabo osvijetljenoj prostoriji, pod mjesečinom ili unutar tamne cijevi, slika često postaje zrnata, tamna ili mutna. Sposobnost kamere da proizvede upotrebljivu, jasnu sliku u takvim uvjetima naziva seperformanse pri slabom osvjetljenju. Ovo je jedna od najvažnijih specifikacija za mnoge primjene – od mini modula kamere u medicinskom endoskopu do USB modula kamere za noćnu sigurnost. U ovom članku objašnjavamo što znači izvedba pri slabom osvjetljenju, koji čimbenici utječu na to i kako odabrati modul kamere koji dobro funkcionira u mraku.
Zašto je izvedba pri slabom osvjetljenju važna
Kamera koja se muči pri slabom osvjetljenju natjerat će senzor da pojača signal (poveća pojačanje), što također pojačava nasumični elektronički šum. Rezultat je šumna, "snježna" slika sa smanjenim detaljima. U kritičnim primjenama – kao što je kirurški endoskop, automobilski sustav za noćno gledanje ili noćna kamera za divlje životinje – loše performanse pri slabom osvjetljenju mogu dovesti do propuštenih dijagnoza, nezgoda ili gubitka podataka.
Čak i za jednostavan USB modul kamere koji se koristi za pregled doma, dobra sposobnost pri slabom osvjetljenju znači da možete vidjeti u tamne kutove bez potrebe za jakim vanjskim svjetlom.
Kako se mjeri izvedba pri slabom osvjetljenju?
Ne postoji jedinstveni univerzalni broj, ali proizvođači često navode:
Minimalno osvjetljenje– Najniža razina osvjetljenja (u luksima) pri kojoj kamera može proizvesti upotrebljivu sliku. Tipični unutarnji ured ima oko 300-500 luksa; mjesečina je oko 0,1-0,3 luksa.
Omjer signala i šuma (SNR)– Pri slabom osvjetljenju, veći SNR znači manje vidljivog šuma.
Osjetljivost– Često se izražava u mV po luksu·s (milivolti po luksu u sekundi) za senzor.
Dobar modul kamere za slabo osvjetljenje može raditi na 0,1 luksa ili niže, često uz pomoć infracrvenog osvjetljenja.
Ključni čimbenici koji utječu na izvedbu pri slabom osvjetljenju
1. Veličina piksela (dizajn senzora)
Najosnovniji čimbenik je veličina svakog piksela na senzoru cmos modula kamere. Veći pikseli hvataju više fotona (svjetlosnih čestica) od manjih piksela. Na primjer, piksel širine 2,9 µm (mikrometara) skuplja otprilike četiri puta više svjetla od piksela od 1,4 µm. Stoga će za određenu rezoluciju senzor s većim pikselima raditi puno bolje pri slabom osvjetljenju.
Zbog toga modul mini kamere od 2 MP s velikim pikselima može proizvesti čišće noćne slike od modula od 8 MP s vrlo malim pikselima, iako modul od 8 MP ima veću rezoluciju.
2. Tehnologija pozadinskog osvjetljenja (BSI).
Tradicionalni senzori imaju ožičenje iznad područja osjetljivog na svjetlo, blokirajući dio svjetla. BSI senzori okreću strukturu, postavljajući ožičenje iza fotodioda. To omogućuje da više svjetla dopre do piksela, poboljšavajući osjetljivost pri slabom osvjetljenju za 30-50% u usporedbi s ne-BSI senzorima iste veličine piksela. Gotovo svi moderni senzori cmos modula kamere za endoskopiju ili nadzor koriste BSI.
3. Otvor objektiva (f-broj)
Objektiv kontrolira koliko svjetlosti ulazi u kameru. Objektiv s nižim f-brojem (npr. f/1,8) propušta više svjetla nego onaj s većim f-brojem (npr. f/2,8). Modul kamere s automatskim fokusom često ima umjereni otvor blende (f/2,0‑f/2,4) koji uravnotežuje skupljanje svjetla i dubinsku oštrinu. Za ekstremno slabo osvjetljenje idealan je modul fiksnog fokusa s vrlo niskim f-brojem (f/1,4), ali će imati manju dubinsku oštrinu.
4. Tehnologija senzora (BSI, složeni, globalni zatvarač)
Senzori s pozadinskim osvjetljenjem (BSI) i složeni CMOS senzori najbolji su za slabo osvjetljenje. Globalni senzori zatvarača obično imaju nešto manju osjetljivost od senzora rolo zatvarača iste veličine piksela, ali im se daje prednost kada scena sadrži brzo kretanje.
5. Smanjenje šuma i obrada slike
Procesor slike fotoaparata (ISP) može primijeniti prostorno smanjenje šuma (izglađivanje trenutnog okvira) i vremensko smanjenje šuma (usrednjavanje nekoliko okvira). Dobro podešen modul UVC kamere može proizvesti čišću sliku po cijenu malog gubitka sitnih detalja. Neki napredni moduli također koriste HDR tehnike s više kadrova za posvjetljivanje sjena bez izbacivanja svijetlih dijelova.
6. Broj slika u sekundi i vrijeme ekspozicije
Pri vrlo slabom osvjetljenju, kamera može automatski smanjiti broj sličica u sekundi (npr. s 30 fps na 15 fps) kako bi omogućila dulje vrijeme ekspozicije po kadru. To skuplja više svjetla, ali videozapis čini manje glatkim. Za raspberry pi modul kamere v3, možete ručno smanjiti broj sličica u sekundi u softveru (libcamera‑vid --framerate 15) kako biste poboljšali kvalitetu slike pri slabom osvjetljenju.
Kako poboljšati izvedbu vašeg modula kamere pri slabom osvjetljenju
Odaberite veći senzor (ako veličina dopušta)– Senzor od 1/2,8" s pikselima od 2,9 µm će nadmašiti senzor od 1/4" s pikselima od 1,4 µm.
Odaberite BSI senzor– Većina Sony IMX senzora (npr. IMX290, IMX307) koristi BSI.
Koristite objektiv s većim otvorom blende– f/2.0 ili niže ako je moguće.
Dodajte infracrveno (IR) osvjetljenje– Za potpuni mrak koristite IR LED (850 nm ili 940 nm) i kameru bez IR-cut filtera.
Smanjite broj sličica u sekundi– Zamijenite glatkoću za svjetlinu.
Koristite privremeno smanjenje buke– Usrednjavanje okvira smanjuje šum, ali može uzrokovati pojavu duhova ako se scena pomiče.
Izvedba pri slabom osvjetljenju u različitim vrstama modula kamere
Mini modul kamere (za endoskopiju)– Imaju vrlo male senzore (1/9″ do 1/6″) i sićušne leće. Njihova izvedba pri slabom osvjetljenju je sama po sebi ograničena. Kako bi to kompenzirali, moduli kamera endoskopa koriste svijetle LED diode vrlo blizu leće. Za medicinsku upotrebu, izlaz svjetla je ograničen kako bi se izbjeglo zagrijavanje tkiva, tako da je osjetljivost kamere kritična.
USB modul kamere (UVC)– Mnogi moduli UVC kamera za web kamere koriste male senzore s prosječnom sposobnošću slabog osvjetljenja. Međutim, profesionalni moduli UVC kamera za nadzor ili industrijsku inspekciju često koriste BSI senzore i veće piksele. Također podržavaju automatsko podešavanje pojačanja i ekspozicije.
OEM modul kamere– Kada dizajnirate prilagođeni OEM modul kamere, možete optimizirati svaki aspekt za slabo osvjetljenje: odaberite BSI senzor s velikim pikselima, odredite staklenu leću s otvorom blende f/1.8 i podesite ISP-ovo smanjenje šuma. Ovo je najbolji način za postizanje izvrsnih performansi pri slabom osvjetljenju za određenu primjenu.
Modul kamere s automatskim fokusom– Autofokus dodaje pokretni element leće, što može malo smanjiti maksimalni otvor blende. Međutim, mnogi moduli autofokusa i dalje postižu f/2,0‑f/2,4, što je dobro za slabo osvjetljenje. Prednost je što se možete fokusirati i na bliske objekte u slabom svjetlu.
Modul kamere Raspberry Pi V3– Službena kamera Raspberry Pi koristi senzor Sony IMX708 (BSI, pikseli od 1,4 µm u načinu rada 4:3). Njegove performanse pri slabom osvjetljenju pristojne su za potrošački modul, ali nisu tako dobre kao namjenska industrijska kamera pri slabom osvjetljenju. Možete ga poboljšati smanjenjem broja sličica u sekundi i korištenjem opcije --nopreview kako biste izbjegli opterećenje CPU-a.
Praktičan primjer
Pretpostavimo da vam je potreban mini modul kamere za noćnu inspekciju dronom. Imate dvije opcije:
Opcija A: 720p senzor s pikselima od 2,2 µm, BSI, f/2,0 leća.
Opcija B: 1080p senzor s pikselima od 1,4 µm, ne-BSI, f/2,8 leća.
Opcija A će proizvesti mnogo čistiju noćnu sliku, iako je rezolucija niža. Za zadatak drona ne trebate 1080p – trebate jasno vidjeti subjekt u mraku. Stoga odaberite modul s boljim performansama pri slabom osvjetljenju.
Sažetak
Performanse pri slabom osvjetljenju određuju koliko dobro modul kamere može proizvesti upotrebljivu sliku u slabim ili mračnim uvjetima. Ovisi o veličini piksela (što je veće to bolje), BSI tehnologiji, otvoru objektiva, smanjenju šuma ISP-a i broju sličica u sekundi. Prilikom odabira modula kamere – bilo da se radi o mini modulu kamere za endoskopiju, USB modulu kamere za sigurnost, OEM modulu kamere za prilagođeni uređaj, modulu kamere s automatskim fokusom za skener crtičnog koda, UVC modulu kamere za web kameru, cmos modulu kamere za ugrađeni vid ili raspberry pi modulu kamere v3 za prototip – uvijek provjerite veličinu piksela senzora i koristi li BSI. Pri vrlo slabom osvjetljenju razmislite o dodavanju IR osvjetljenja i smanjenju broja sličica u sekundi.
Ako vam je potreban modul kamere optimiziran za aplikacije pri slabom osvjetljenju, kontaktirajte Sincere. Dizajniramo i proizvodimo prilagođene OEM module kamera s visokoosjetljivim CMOS senzorima, velikim pikselima i brzim lećama prilagođenim vašem okruženju.
