Ja izmantojat kameras moduli vāji apgaismotā telpā, mēness gaismā vai tumšā caurulē, attēls bieži kļūst graudains, tumšs vai izplūdis. Tiek saukta kameras spēja šādos apstākļos radīt lietojamu, skaidru attēluveiktspēja vājā apgaismojumā. Šī ir viena no svarīgākajām specifikācijām daudzām lietojumprogrammām — no mini kameras moduļa medicīniskā endoskopā līdz USB kameras modulim nakts drošībai. Šajā rakstā mēs izskaidrojam, ko nozīmē veiktspēja vājā apgaismojumā, kādi faktori to ietekmē un kā izvēlēties kameras moduli, kas labi darbojas tumsā.
Kāpēc slikta apgaismojuma veiktspēja ir svarīga
Kamera, kas cīnās vājā apgaismojumā, liks sensoram pastiprināt signālu (palielināt pastiprinājumu), kas arī pastiprina nejaušu elektronisko troksni. Rezultāts ir trokšņains, "sniegots" attēls ar samazinātām detaļām. Kritiskos lietojumos, piemēram, ķirurģiskajā endoskopā, automobiļu nakts redzamības sistēmā vai nakts savvaļas dzīvnieku kamerā, slikta veiktspēja vājā apgaismojumā var izraisīt nokavētu diagnozi, negadījumus vai datu zudumus.
Pat vienkāršam USB kameras modulim, ko izmanto mājas pārbaudei, laba vājā apgaismojuma spēja nozīmē, ka jūs varat redzēt tumšos stūros bez jaudīga ārējā apgaismojuma.
Kā mēra veiktspēju vājā apgaismojumā?
Nav viena universāla numura, taču ražotāji bieži norāda:
Minimālais apgaismojums– Zemākais apgaismojuma līmenis (luksos), pie kura kamera var radīt izmantojamu attēlu. Tipisks iekštelpu birojs ir aptuveni 300–500 luksi; mēness gaisma ir aptuveni 0,1–0,3 luksi.
Signāla un trokšņa attiecība (SNR)– Vāja apgaismojumā augstāks SNR nozīmē mazāk redzamu troksni.
Jutīgums– Sensoram bieži izsaka mV uz luksu·s (milivolti uz luksu sekundē).
Labs vāja apgaismojuma kameras modulis var darboties ar 0,1 luksu vai zemāku jaudu, bieži vien izmantojot infrasarkano apgaismojumu.
Galvenie faktori, kas ietekmē veiktspēju vājā apgaismojumā
1. Pikseļu izmērs (sensora dizains)
Vissvarīgākais faktors ir katra CMOS kameras moduļa sensora pikseļa izmērs. Lielāki pikseļi uztver vairāk fotonu (gaismas daļiņu) nekā mazāki pikseļi. Piemēram, 2,9 µm (mikrometrus) plats pikselis savāc aptuveni četras reizes vairāk gaismas nekā 1,4 µm pikseļi. Tāpēc noteiktai izšķirtspējai sensors ar lielākiem pikseļiem darbosies daudz labāk vājā apgaismojumā.
Tāpēc 2 MP mini kameras modulis ar lieliem pikseļiem var radīt tīrākus nakts attēlus nekā 8 MP modulis ar ļoti maziem pikseļiem, lai gan 8 MP modulim ir augstāka izšķirtspēja.
2. Back-Illuminated (BSI) tehnoloģija
Tradicionālajiem sensoriem ir vadi virs gaismas jutīgās zonas, kas bloķē gaismu. BSI sensori apgriež konstrukciju, novietojot vadu aiz fotodiodēm. Tas ļauj vairāk gaismas sasniegt pikseļus, uzlabojot jutīgumu vājā apgaismojumā par 30–50%, salīdzinot ar tāda paša pikseļa izmēra sensoriem, kas nav BSI. Gandrīz visi mūsdienu cmos kameru moduļu sensori endoskopijai vai novērošanai izmanto BSI.
3. Objektīva apertūra (f skaitlis)
Objektīvs kontrolē, cik daudz gaismas nonāk kamerā. Objektīvs ar mazāku f skaitli (piem., f/1,8) ielaiž vairāk gaismas nekā objektīvs ar lielāku f skaitli (piemēram, f/2,8). Autofokusa kameras modulim bieži ir mērens diafragmas atvērums (f/2,0-f/2,4), kas līdzsvaro gaismas savākšanu un lauka dziļumu. Ļoti vājam apgaismojumam ideāls ir fiksēta fokusa modulis ar ļoti zemu f skaitli (f/1,4), taču tam būs mazāks lauka dziļums.
4. Sensoru tehnoloģija (BSI, Stacked, Global Shutter)
No aizmugures apgaismoti (BSI) un salikti CMOS sensori ir vislabākie vājā apgaismojumā. Globālajiem slēdža sensoriem parasti ir nedaudz zemāka jutība nekā tāda paša pikseļa izmēra slēdža sensoriem, taču tie ir ieteicami, ja sižetā ir ātra kustība.
5. Trokšņu samazināšana un attēlu apstrāde
Kameras attēlu procesors (ISP) var izmantot telpisko trokšņu samazināšanu (izlīdzināt pašreizējo kadru) un īslaicīgo trokšņu samazināšanu (vidēji vairākus kadrus). Labi noregulēts UVC kameras modulis var radīt tīrāku attēlu par nelielu smalko detaļu zudumu. Dažos augstākās klases moduļos tiek izmantotas arī vairāku kadru HDR metodes, lai paspilgtinātu ēnas, neizgaismojot gaišās vietas.
6. Kadru ātrums un ekspozīcijas laiks
Ļoti vājā apgaismojumā kamera var automātiski samazināt kadru ātrumu (piem., no 30 kadriem sekundē līdz 15 kadriem sekundē), lai nodrošinātu ilgāku ekspozīcijas laiku vienam kadram. Tas savāc vairāk gaismas, bet padara video mazāk gludu. Raspberry pi kameras modulim v3 varat manuāli samazināt kadru ātrumu programmatūrā (libcamera-vid --framerate 15), lai uzlabotu attēla kvalitāti vājā apgaismojumā.
Kā uzlabot kameras moduļa veiktspēju vājā apgaismojumā
Izvēlieties lielāku sensoru (ja izmērs atļauj)– 1/2,8 collu sensors ar 2,9 µm pikseļiem pārspēj 1/4 collu sensoru ar 1,4 µm pikseļiem.
Izvēlieties BSI sensoru– Lielākā daļa Sony IMX sensoru (piemēram, IMX290, IMX307) izmanto BSI.
Izmantojiet objektīvu ar lielāku diafragmas atvērumu– f/2.0 vai zemāka, ja iespējams.
Pievienojiet infrasarkano (IR) apgaismojumu– Pilnīgai tumsai izmantojiet IR gaismas diodes (850 nm vai 940 nm) un kameru bez infrasarkanā starojuma filtra.
Samaziniet kadru ātrumu- Nomainiet gludumu pret spilgtumu.
Izmantojiet pagaidu trokšņu samazināšanu– Kadru vidējā noteikšana samazina troksni, bet var izraisīt dubļu veidošanos, ja aina pārvietojas.
Veiktspēja vājā apgaismojumā dažādu veidu kameru moduļos
Mini kameras modulis (endoskopijai)– Tiem ir ļoti mazi sensori (1/9″ līdz 1/6″) un mazas lēcas. To veiktspēja vājā apgaismojumā ir ierobežota. Lai to kompensētu, endoskopa kameru moduļos tiek izmantotas spilgtas gaismas diodes, kas atrodas ļoti tuvu objektīvam. Medicīniskai lietošanai gaismas jauda ir ierobežota, lai izvairītos no audu sasilšanas, tāpēc kameras jutība ir kritiska.
USB kameras modulis (UVC)– Daudzi UVC kameru moduļi tīmekļa kamerām izmanto mazus sensorus ar vidēju vāja apgaismojuma spēju. Tomēr profesionālie UVC kameru moduļi novērošanai vai rūpnieciskai pārbaudei bieži izmanto BSI sensorus un lielākus pikseļus. Tie atbalsta arī automātisku pastiprinājuma un ekspozīcijas pielāgošanu.
OEM kameras modulis– Izstrādājot pielāgotu OEM kameras moduli, varat optimizēt visus aspektus vājam apgaismojumam: izvēlieties BSI sensoru ar lieliem pikseļiem, norādiet stikla objektīvu ar f/1.8 apertūru un noregulējiet ISP trokšņu samazināšanu. Tas ir labākais veids, kā sasniegt izcilu veiktspēju vājā apgaismojumā konkrētam lietojumam.
Autofokusa kameras modulis– Autofokuss pievieno kustīgu objektīva elementu, kas var nedaudz samazināt maksimālo diafragmas atvērumu. Tomēr daudzi autofokusa moduļi joprojām sasniedz f/2.0-f/2.4, kas ir piemērots vājā apgaismojumā. Priekšrocība ir tāda, ka var fokusēties arī uz tuvu objektiem blāvos apstākļos.
Raspberry Pi kameras modulis V3– Oficiālā Raspberry Pi kamera izmanto Sony IMX708 sensoru (BSI, 1,4 µm pikseļi 4:3 režīmā). Tās veiktspēja vājā apgaismojumā ir piemērota patērētāju modulim, taču tā nav tik laba kā īpašai vāja apgaismojuma industriālajai kamerai. Varat to uzlabot, samazinot kadru ātrumu un izmantojot opciju --nopreview, lai izvairītos no CPU pārslodzes.
Praktisks piemērs
Pieņemsim, ka jums ir nepieciešams mini kameras modulis nakts drona pārbaudei. Jums ir divas iespējas:
Opcija A: 720p sensors ar 2,2 µm pikseļiem, BSI, f/2.0 objektīvs.
B iespēja: 1080p sensors ar 1,4 µm pikseļiem, bez BSI, f/2,8 objektīvs.
Opcija A nodrošinās daudz tīrāku nakts attēlu, pat ja izšķirtspēja ir zemāka. Drona uzdevumam nav nepieciešama 1080p — objekts ir skaidri jāredz tumsā. Tāpēc izvēlieties moduli ar labāku veiktspēju vājā apgaismojumā.
Kopsavilkums
Veiktspēja vājā apgaismojumā nosaka, cik labi kameras modulis var radīt izmantojamu attēlu blāvos vai tumšos apstākļos. Tas ir atkarīgs no pikseļu izmēra (jo lielāks ir labāks), BSI tehnoloģijas, objektīva apertūras, ISP trokšņu samazināšanas un kadru ātruma. Izvēloties kameras moduli — mini kameras moduli endoskopijai, USB kameras moduli drošībai, OEM kameras moduli pielāgotai ierīcei, automātiskās fokusa kameras moduli svītrkoda skenerim, UVC kameras moduli tīmekļa kamerai, cmos kameras moduli iegultai redzei vai raspberry pi kameras moduli v3 — prototipam vienmēr pārbaudiet, vai tas izmanto B izmēra sensoru un pix. Ļoti vājā apgaismojumā apsveriet iespēju pievienot IR apgaismojumu un samazināt kadru ātrumu.
Ja jums ir nepieciešams kameras modulis, kas optimizēts lietošanai vājā apgaismojumā, sazinieties ar Sincere. Mēs izstrādājam un ražojam pielāgotus OEM kameru moduļus ar augstas jutības CMOS sensoriem, lieliem pikseļiem un ātriem objektīviem, kas pielāgoti jūsu videi.
