Quan utilitzeu un mòdul de càmera en una habitació poc il·luminada, sota la llum de la lluna o dins d'un tub fosc, la imatge sovint es torna granulosa, fosca o borrosa. S'anomena la capacitat d'una càmera de produir una imatge clara i utilitzable en aquestes condicionsrendiment amb poca llum. Aquesta és una de les especificacions més importants per a moltes aplicacions, des d'un mòdul de mini càmera en un endoscopi mèdic fins a un mòdul de càmera USB per a la seguretat nocturna. En aquest article, expliquem què significa el rendiment amb poca llum, quins factors l'afecten i com triar un mòdul de càmera que funcioni bé a la foscor.
Per què és important el rendiment amb poca llum
Una càmera que lluita amb poca llum obligarà el sensor a amplificar el senyal (augmentar el guany), que també amplifica el soroll electrònic aleatori. El resultat és una imatge sorollosa, "nevada" amb detalls reduïts. En aplicacions crítiques, com ara un endoscopi quirúrgic, un sistema de visió nocturna per a automòbils o una càmera de vida salvatge nocturna, un rendiment deficient amb poca llum pot provocar diagnòstics perduts, accidents o pèrdua de dades.
Fins i tot per a un mòdul de càmera USB senzill utilitzat per a la inspecció de la llar, una bona capacitat de poca llum significa que podeu veure els racons foscos sense necessitat d'una llum externa potent.
Com es mesura el rendiment amb poca llum?
No hi ha un número universal únic, però els fabricants sovint especifiquen:
Il·luminació mínima– El nivell de llum més baix (en lux) en què la càmera pot produir una imatge utilitzable. Una oficina interior típica és d'uns 300-500 lux; la llum de la lluna és d'uns 0,1-0,3 lux.
Relació senyal-soroll (SNR)– Amb poca llum, una SNR més alta significa menys soroll visible.
Sensibilitat– Sovint expressat en mV per lux·s (milivolts per lux per segon) per al sensor.
Un bon mòdul de càmera amb poca llum pot funcionar a 0,1 lux o menys, sovint amb l'ajuda de la il·luminació infraroja.
Factors clau que afecten el rendiment amb poca llum
1. Mida de píxels (disseny del sensor)
El factor més fonamental és la mida de cada píxel del sensor del mòdul de càmera cmos. Els píxels més grans capturen més fotons (partícules de llum) que els píxels més petits. Per exemple, un píxel de 2,9 µm (micròmetres) d'amplada recull aproximadament quatre vegades més llum que un píxel d'1,4 µm. Per tant, per a una resolució determinada, un sensor amb píxels més grans funcionarà molt millor amb poca llum.
És per això que un mòdul de mini càmera de 2 MP amb píxels grans pot produir imatges nocturnes més netes que un mòdul de 8 MP amb píxels molt petits, tot i que el mòdul de 8 MP té una resolució més alta.
2. Tecnologia retroil·luminada (BSI).
Els sensors tradicionals tenen cablejat per sobre de l'àrea sensible a la llum, bloquejant una mica de llum. Els sensors BSI giren l'estructura, col·locant el cablejat darrere dels fotodíodes. Això permet que arribi més llum als píxels, millorant la sensibilitat a poca llum en un 30-50% en comparació amb sensors no BSI de la mateixa mida de píxel. Gairebé tots els sensors moderns del mòdul de càmeres cmos per a endoscòpia o vigilància utilitzen BSI.
3. Abertura de la lent (número f)
La lent controla la quantitat de llum que entra a la càmera. Una lent amb un nombre f més baix (p. ex., f/1,8) deixa entrar més llum que una amb un nombre f més alt (p. ex., f/2,8). Un mòdul de càmera d'enfocament automàtic sovint té una obertura moderada (f/2,0-f/2,4) que equilibra la concentració de llum i la profunditat de camp. Per a poca llum extrema, un mòdul d'enfocament fix amb un nombre f molt baix (f/1,4) és ideal, però tindrà una profunditat de camp menor.
4. Tecnologia de sensors (BSI, Stacked, Global Shutter)
Els sensors CMOS retroil·luminats (BSI) i apilats són els millors per a poca llum. Els sensors d'obturador global solen tenir una sensibilitat lleugerament menor que els sensors d'obturador enrotllable de la mateixa mida de píxel, però es prefereixen quan l'escena conté moviment ràpid.
5. Reducció de soroll i processament d'imatges
El processador d'imatge (ISP) de la càmera pot aplicar la reducció de soroll espacial (atenuant el fotograma actual) i la reducció de soroll temporal (amb una mitjana de diversos fotogrames). Un mòdul de càmera UVC ben ajustat pot produir una imatge més neta a costa d'una lleugera pèrdua de detall. Alguns mòduls de gamma alta també utilitzen tècniques HDR de fotogrames múltiples per il·luminar les ombres sense apagar els reflexos.
6. Velocitat de fotogrames i temps d'exposició
Amb molt poca llum, la càmera pot reduir automàticament la velocitat de fotogrames (p. ex., de 30 fps a 15 fps) per permetre un temps d'exposició més llarg per fotograma. Això reuneix més llum però fa que el vídeo sigui menys fluid. Per a un mòdul de càmera raspberry pi v3, podeu reduir manualment la velocitat de fotogrames al programari (libcamera‑vid --framerate 15) per millorar la qualitat de la imatge amb poca llum.
Com millorar el rendiment amb poca llum al mòdul de la càmera
Trieu un sensor més gran (si la mida ho permet)– Un sensor d'1/2,8" amb píxels de 2,9 µm superarà un sensor d'1/4" amb píxels d'1,4 µm.
Seleccioneu un sensor BSI– La majoria dels sensors IMX de Sony (per exemple, IMX290, IMX307) utilitzen BSI.
Utilitzeu una lent amb una obertura més gran– f/2.0 o inferior si és possible.
Afegiu il·luminació infraroja (IR).– Per a la foscor total, utilitzeu LED IR (850 nm o 940 nm) i una càmera sense filtre de tall IR.
Redueix la velocitat de fotogrames– Canvieu la suavitat per la brillantor.
Utilitzeu la reducció temporal del soroll– La mitjana dels fotogrames redueix el soroll, però pot provocar fantasmes si l'escena es mou.
Rendiment amb poca llum en diferents tipus de mòduls de càmera
Mini mòdul de càmera (per a endoscòpia)- Aquests tenen sensors molt petits (1/9 "a 1/6") i lents minúscules. El seu rendiment amb poca llum és inherentment limitat. Per compensar, els mòduls de càmeres d'endoscopi utilitzen LED brillants molt a prop de la lent. Per a ús mèdic, la sortida de llum està limitada per evitar l'escalfament del teixit, de manera que la sensibilitat de la càmera és fonamental.
Mòdul de càmera USB (UVC)– Molts mòduls de càmeres UVC per a càmeres web utilitzen sensors petits amb capacitat mitjana amb poca llum. Tanmateix, els mòduls de càmeres UVC professionals per a vigilància o inspecció industrial sovint utilitzen sensors BSI i píxels més grans. També admeten ajustos automàtics de guany i exposició.
Mòdul de càmera OEM– Quan dissenyeu un mòdul de càmera OEM personalitzat, podeu optimitzar tots els aspectes per a poca llum: trieu un sensor BSI amb píxels grans, especifiqueu una lent de vidre amb obertura f/1.8 i ajusteu la reducció de soroll de l'ISP. Aquesta és la millor manera d'aconseguir un rendiment excel·lent amb poca llum per a una aplicació específica.
Mòdul de càmera d'enfocament automàtic– L'enfocament automàtic afegeix un element de lent mòbil, que pot reduir lleugerament l'obertura màxima. Tanmateix, molts mòduls d'enfocament automàtic encara aconsegueixen f/2.0-f/2.4, que és bo per a poca llum. L'avantatge és que també podeu centrar-vos en objectes propers en condicions de poca llum.
Mòdul de càmera Raspberry Pi V3– La càmera oficial de Raspberry Pi utilitza un sensor Sony IMX708 (BSI, píxels de 1,4 µm en mode 4:3). El seu rendiment amb poca llum és decent per a un mòdul de consum, però no tan bo com una càmera industrial dedicada amb poca llum. Podeu millorar-lo reduint la velocitat de fotogrames i utilitzant l'opció --nopreview per evitar la sobrecàrrega de la CPU.
Exemple pràctic
Suposem que necessiteu un mòdul de mini càmera per a una inspecció nocturna d'un dron. Tens dues opcions:
Opció A: sensor de 720p amb píxels de 2,2 µm, BSI, lent f/2,0.
Opció B: sensor de 1080p amb píxels d'1,4 µm, lent no BSI, f/2,8.
L'opció A produirà una imatge nocturna molt més neta, encara que la resolució sigui més baixa. Per a la tasca del drone, no necessiteu 1080p; heu de veure el tema clarament a la foscor. Per tant, trieu el mòdul amb un millor rendiment amb poca llum.
Resum
El rendiment amb poca llum determina com de bé un mòdul de càmera pot produir una imatge utilitzable en condicions fosques o fosques. Depèn de la mida del píxel (més gran és millor), la tecnologia BSI, l'obertura de la lent, la reducció del soroll de l'ISP i la velocitat de fotogrames. Quan seleccioneu un mòdul de càmera, ja sigui un mòdul de càmera mini per endoscòpia, un mòdul de càmera USB per a la seguretat, un mòdul de càmera OEM per a un dispositiu personalitzat, un mòdul de càmera d'enfocament automàtic per a un escàner de codi de barres, un mòdul de càmera UVC per a una càmera web, un mòdul de càmera CMOS per a visió incrustada o un mòdul de càmera Raspberry Pi v3 per a un prototip, comproveu sempre la mida de píxel del sensor i si utilitza BSI. Amb molt poca llum, considereu afegir il·luminació IR i reduir la velocitat de fotogrames.
Si necessiteu un mòdul de càmera optimitzat per a aplicacions amb poca llum, poseu-vos en contacte amb Sincere. Dissenyem i fabriquem mòduls de càmeres OEM personalitzats amb sensors CMOS d'alta sensibilitat, píxels grans i lents ràpides adaptades al vostre entorn.
