Kada koristite modul kamere u slabo osvijetljenoj prostoriji, pod mjesečinom ili unutar tamne cijevi, slika često postaje zrnasta, tamna ili mutna. Sposobnost kamere da proizvede upotrebljivu, jasnu sliku u takvim uslovima naziva seperformanse pri slabom osvetljenju. Ovo je jedna od najvažnijih specifikacija za mnoge aplikacije – od modula mini kamere u medicinskom endoskopu do USB modula kamere za noćnu sigurnost. U ovom članku objašnjavamo šta znači performanse pri slabom osvjetljenju, koji faktori utiču na to i kako odabrati modul kamere koji dobro radi u mraku.
Zašto su performanse pri slabom osvjetljenju važne
Kamera koja se bori pri slabom osvjetljenju prisilit će senzor da pojača signal (poveća pojačanje), što također pojačava nasumični elektronski šum. Rezultat je bučna, "snježna" slika sa smanjenim detaljima. U kritičnim aplikacijama – kao što su hirurški endoskop, automobilski sistem za noćno posmatranje ili noćna kamera za divlje životinje – loše performanse pri slabom osvetljenju mogu dovesti do promašenih dijagnoza, nesreća ili izgubljenih podataka.
Čak i za jednostavan USB modul kamere koji se koristi za kućnu inspekciju, dobra sposobnost pri slabom osvjetljenju znači da možete vidjeti mračne kutove bez potrebe za snažnim vanjskim svjetlom.
Kako se mjere performanse pri slabom osvjetljenju?
Ne postoji jedinstveni univerzalni broj, ali proizvođači često navode:
Minimalno osvjetljenje– Najniži nivo osvjetljenja (u luksima) na kojem kamera može proizvesti upotrebljivu sliku. Tipična zatvorena kancelarija je oko 300-500 luksa; mjesečina je oko 0,1‑0,3 luksa.
Odnos signal/šum (SNR)– Pri slabom osvjetljenju, veći SNR znači manje vidljivog šuma.
Osjetljivost– Često se izražava u mV po lux·s (milivolti po luksu u sekundi) za senzor.
Dobar modul kamere pri slabom osvjetljenju može raditi na 0,1 luksa ili niže, često uz pomoć infracrvenog osvjetljenja.
Ključni faktori koji utiču na performanse pri slabom osvetljenju
1. Veličina piksela (dizajn senzora)
Najosnovniji faktor je veličina svakog piksela na senzoru modula CMOS kamere. Veći pikseli hvataju više fotona (svjetlosnih čestica) od manjih piksela. Na primjer, piksel koji je širok 2,9 µm (mikrometara) prikuplja oko četiri puta više svjetla od piksela od 1,4 µm. Stoga će za datu rezoluciju senzor sa većim pikselima raditi mnogo bolje pri slabom svjetlu.
Zbog toga modul mini kamere od 2 MP sa velikim pikselima može proizvesti čistije noćne slike od modula od 8 MP sa vrlo malim pikselima, iako modul od 8 MP ima veću rezoluciju.
2. Back-Illuminated (BSI) tehnologija
Tradicionalni senzori imaju ožičenje iznad područja osjetljive na svjetlost, blokirajući dio svjetlosti. BSI senzori okreću strukturu, postavljajući ožičenje iza fotodioda. Ovo omogućava da više svjetla dopre do piksela, poboljšavajući osjetljivost na slabo svjetlo za 30-50% u poređenju sa senzorima koji nisu BSI iste veličine piksela. Gotovo svi moderni senzori modula CMOS kamere za endoskopiju ili nadzor koriste BSI.
3. Otvor objektiva (f-broj)
Objektiv kontrolira koliko svjetlosti ulazi u kameru. Objektiv sa manjim f-brojem (npr. f/1.8) propušta više svjetla od objektiva sa većim f-brojem (npr. f/2.8). Modul kamere sa autofokusom često ima umjereni otvor blende (f/2.0‑f/2.4) koji balansira prikupljanje svjetla i dubinu polja. Za ekstremno slabo osvetljenje, modul sa fiksnim fokusom sa veoma malim f-brojem (f/1,4) je idealan, ali će imati manju dubinu polja.
4. Tehnologija senzora (BSI, Stacked, Global Shutter)
CMOS senzori sa pozadinskim osvetljenjem (BSI) i naslagani CMOS senzori su najbolji za slabo osvetljenje. Senzori globalnog zatvarača obično imaju nešto nižu osjetljivost od senzora roleta iste veličine piksela, ali su poželjniji kada scena sadrži brzo kretanje.
5. Smanjenje šuma i obrada slike
Procesor slike (ISP) kamere može primijeniti smanjenje prostornog šuma (izglađivanje trenutnog kadra) i vremensko smanjenje šuma (u prosjeku nekoliko kadrova). Dobro podešen modul UVC kamere može proizvesti čistiju sliku po cijenu blagog gubitka finih detalja. Neki vrhunski moduli također koriste HDR tehnike s više kadrova kako bi posvijetlili sjene bez izbacivanja svjetla.
6. Brzina kadrova i vrijeme ekspozicije
Pri vrlo slabom svjetlu, kamera može automatski smanjiti brzinu kadrova (npr. sa 30 fps na 15 fps) kako bi omogućila duže vrijeme ekspozicije po kadru. Ovo prikuplja više svjetla, ali čini video manje glatkim. Za modul kamere raspberry pi v3, možete ručno smanjiti brzinu kadrova u softveru (libcamera‑vid --framerate 15) kako biste poboljšali kvalitet slike pri slabom osvjetljenju.
Kako poboljšati performanse pri slabom osvjetljenju u modulu kamere
Odaberite veći senzor (ako veličina dozvoljava)– Senzor od 1/2,8″ sa pikselima od 2,9 µm će nadmašiti senzor od 1/4″ sa pikselima od 1,4 µm.
Odaberite BSI senzor– Većina Sony IMX senzora (npr. IMX290, IMX307) koristi BSI.
Koristite objektiv sa većim otvorom blende– f/2.0 ili niže ako je moguće.
Dodajte infracrveno (IR) osvjetljenje– Za potpuni mrak koristite IR LED diode (850 nm ili 940 nm) i kameru bez IR-cut filtera.
Smanjite broj kadrova– Zamijenite glatkoću za svjetlinu.
Koristite privremenu redukciju šuma– Prosječenje kadrova smanjuje šum, ali može uzrokovati duhove ako se scena pomjeri.
Performanse pri slabom osvjetljenju u različitim tipovima modula kamere
Mini modul kamere (za endoskopiju)– Imaju vrlo male senzore (1/9″ do 1/6″) i sićušna sočiva. Njihove performanse pri slabom osvjetljenju su inherentno ograničene. Za kompenzaciju, moduli endoskopske kamere koriste svijetle LED diode vrlo blizu sočiva. Za medicinsku upotrebu, izlaz svjetlosti 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 sa prosječnom sposobnošću slabog svjetla. Međutim, profesionalni moduli UVC kamera za nadzor ili industrijsku inspekciju često koriste BSI senzore i veće piksele. Takođe 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 sa velikim pikselima, odredite stakleno sočivo s otvorom blende f/1,8 i podesite redukciju šuma ISP-a. Ovo je najbolji način za postizanje odličnih performansi pri slabom osvjetljenju za određenu primjenu.
Modul kamere sa automatskim fokusom– Autofokus dodaje pokretni element sočiva, koji može malo smanjiti maksimalni otvor blende. Međutim, mnogi moduli autofokusa i dalje postižu f/2.0‑f/2.4, što je dobro za slabo svjetlo. Prednost je što se možete fokusirati i na bliske objekte u mračnim uslovima.
Raspberry Pi modul kamere V3– Zvanična Raspberry Pi kamera koristi Sony IMX708 senzor (BSI, 1,4 µm piksela u 4:3 režimu). Njegove performanse pri slabom osvjetljenju su pristojne za potrošački modul, ali nisu tako dobre kao namjenska industrijska kamera za slabo osvjetljenje. Možete ga poboljšati smanjenjem frekvencije kadrova i korištenjem opcije --nopreview kako biste izbjegli preopterećenje procesora.
Praktični primjer
Pretpostavimo da vam je potreban modul mini kamere za noćnu inspekciju dronom. Imate dvije opcije:
Opcija A: 720p senzor sa 2,2 µm pikselima, BSI, f/2,0 objektiv.
Opcija B: senzor od 1080p sa pikselima od 1,4 µm, bez BSI, f/2,8 objektiv.
Opcija A će proizvesti mnogo čistiju noćnu sliku, iako je rezolucija niža. Za zadatak dronom ne treba vam 1080p – morate jasno vidjeti subjekt u mraku. Stoga odaberite modul s boljim performansama pri slabom osvjetljenju.
Rezime
Performanse pri slabom osvjetljenju određuju koliko dobro modul kamere može proizvesti upotrebljivu sliku u tamnim ili tamnim uvjetima. Zavisi od veličine piksela (veći je bolji), BSI tehnologije, otvora objektiva, ISP redukcije šuma i brzine kadrova. Prilikom odabira modula kamere – bilo da se radi o modulu mini kamere za endoskopiju, USB modulu kamere za sigurnost, OEM modulu kamere za prilagođeni uređaj, modulu kamere s autofokusom za skener barkodova, modulu UVC kamere za web kameru, modulu CMOS kamere za ugrađeni vid ili modulu kamere raspberry pi v3 – uvijek provjerite da li modul kamere tipa raspberry pi v3 uvijek koristite senzor veličine BSI i da li koristite senzor veličine BSI. Pri vrlo slabom svjetlu razmislite o dodavanju IR osvjetljenja i smanjenju broja kadrova.
Ako vam je potreban modul kamere optimiziran za aplikacije pri slabom osvjetljenju, kontaktirajte Sincere. Dizajniramo i proizvodimo prilagođene OEM module kamere sa visokoosjetljivim CMOS senzorima, velikim pikselima i brzim objektivima prilagođenim vašem okruženju.
