Kui kasutate kaameramoodulit hämaras ruumis, kuuvalguses või pimedas torus, muutub pilt sageli teraliseks, tumedaks või uduseks. Kaamera võimet toota sellistes tingimustes kasutatavat selget pilti nimetataksejõudlus väheses valguses. See on paljude rakenduste jaoks üks olulisemaid spetsifikatsioone – alates meditsiinilise endoskoobi minikaamera moodulist kuni öise turvalisuse tagamiseks mõeldud USB-kaamera moodulini. Selles artiklis selgitame, mida hämaras toimivus tähendab, millised tegurid seda mõjutavad ja kuidas valida kaameramoodul, mis toimib hästi pimedas.
Miks on vähese valguse jõudlus oluline?
Hämaras vaevlev kaamera sunnib andurit signaali võimendama (võimendust suurendama), mis võimendab ka juhuslikku elektroonilist müra. Tulemuseks on mürarikas, "lumine" pilt vähendatud detailidega. Kriitilistes rakendustes – nagu kirurgiline endoskoop, autode öövaatlussüsteem või öine metsloomakaamera – võib kehv jõudlus hämaras põhjustada diagnoosimata jätmist, õnnetusi või andmete kadumist.
Isegi lihtsa USB-kaamera mooduli puhul, mida kasutatakse kodus kontrollimiseks, tähendab hea hämaras valgustusvõime, et näete pimedatesse nurkadesse ilma võimsat välist valgust vajamata.
Kuidas mõõdetakse vähese valguse jõudlust?
Ühte universaalset numbrit pole, kuid tootjad määravad sageli:
Minimaalne valgustus– Madalaim valgustase (luksides), mille juures kaamera suudab toota kasutatavat pilti. Tüüpiline sisekontor on umbes 300–500 luksi; kuuvalgus on umbes 0,1–0,3 luksi.
Signaali ja müra suhe (SNR)– Vähese valguse korral tähendab kõrgem SNR vähem nähtavat müra.
Tundlikkus– Anduri puhul väljendatakse sageli mV-des luksi kohta (millivolti luksi kohta sekundis).
Hea hämaras kaameramoodul võib töötada 0,1 luksi või madalamal, sageli infrapunavalgustuse abil.
Peamised tegurid, mis mõjutavad jõudlust väheses valguses
1. Piksli suurus (anduri disain)
Kõige olulisem tegur on CMOS-kaamera mooduli anduri iga piksli suurus. Suuremad pikslid hõivavad rohkem footoneid (valgusosakesi) kui väiksemad pikslid. Näiteks 2,9 µm (mikromeetrit) laiune piksel kogub umbes neli korda rohkem valgust kui 1,4 µm piksel. Seetõttu töötab suuremate pikslitega andur teatud eraldusvõime korral hämaras palju paremini.
Seetõttu võib suurte pikslitega 2 MP minikaamera moodul luua puhtamaid ööpilte kui väga väikeste pikslitega 8 MP moodul, kuigi 8 MP moodulil on suurem eraldusvõime.
2. Back-Illuminated (BSI) tehnoloogia
Traditsioonilistel anduritel on juhtmestik valgustundliku ala kohal, mis blokeerib osa valgust. BSI-andurid pööravad konstruktsiooni ümber, asetades juhtmestiku fotodioodide taha. See võimaldab piksliteni jõuda rohkem valgust, parandades nõrga valguse tundlikkust 30–50% võrreldes sama pikslisuurusega mitte-BSI-anduritega. Peaaegu kõik kaasaegsed CMOS-kaameramooduli andurid endoskoopiaks või seireks kasutavad BSI-d.
3. Objektiivi ava (f-arv)
Objektiiv kontrollib, kui palju valgust kaamerasse siseneb. Madalama f-arvuga (nt f/1,8) objektiiv laseb läbi rohkem valgust kui suurema f-arvuga (nt f/2,8) objektiiv. Automaatse teravustamise kaameramoodulil on sageli mõõdukas ava (f/2,0-f/2,4), mis tasakaalustab valguse kogumise ja teravussügavuse. Äärmiselt vähese valguse jaoks on väga madala f-arvuga (f/1,4) fikseeritud fookusega moodul ideaalne, kuid sellel on väiksem teravussügavus.
4. Anduritehnoloogia (BSI, virnastatud, globaalne katik)
Tagantvalgustusega (BSI) ja virnastatud CMOS-andurid sobivad kõige paremini vähese valguse jaoks. Globaalsetel katikuanduritel on tavaliselt veidi madalam tundlikkus kui sama pikslisuurusega rullkatiku anduritel, kuid neid eelistatakse, kui stseen sisaldab kiiret liikumist.
5. Müra vähendamine ja pilditöötlus
Kaamera pildiprotsessor (ISP) saab rakendada ruumilise müra vähendamist (sileda praegust kaadrit) ja ajalist müra vähendamist (keskmistades mitu kaadrit). Hästi häälestatud UVC-kaamera moodul võib luua puhtama pildi, mille hinnaks on väike detailide kadu. Mõned tipptasemel moodulid kasutavad ka mitme kaadri HDR-i tehnikaid, et muuta varjud heledamaks ilma eredaid kohti välja puhumata.
6. Kaadrisagedus ja säriaeg
Väga vähese valguse korral võib kaamera automaatselt kaadrisagedust vähendada (nt 30 kaadrit sekundis 15 kaadrit sekundis), et võimaldada pikemat säritusaega kaadri kohta. See kogub rohkem valgust, kuid muudab video vähem sujuvaks. Raspberry pi kaameramooduli v3 puhul saate hämaras pildikvaliteedi parandamiseks tarkvaras (libcamera-vid --framerate 15) kaadrisagedust käsitsi vähendada.
Kuidas parandada oma kaameramooduli jõudlust hämaras
Valige suurem andur (kui suurus lubab)– 2,9 µm pikslitega 1/2,8-tolline andur ületab 1,4 µm pikslitega 1/4-tollise anduri.
Valige BSI andur– Enamik Sony IMX andureid (nt IMX290, IMX307) kasutavad BSI-d.
Kasutage suurema avaga objektiivi– võimalusel f/2.0 või madalam.
Lisage infrapuna (IR) valgustus– Täieliku pimeduse jaoks kasutage IR-LED-sid (850 nm või 940 nm) ja kaamerat, millel pole infrapuna-lõigatud filtrit.
Vähendage kaadrisagedust– Vahetage sujuvus heleduse vastu.
Kasutage ajutist mürasummutust– Kaadrite keskmistamine vähendab müra, kuid võib stseeni liikumisel põhjustada kummitusi.
Hämaras valguse jõudlus eri tüüpi kaameramoodulites
Minikaamera moodul (endoskoopia jaoks)– Neil on väga väikesed andurid (1/9″ kuni 1/6″) ja pisikesed objektiivid. Nende jõudlus väheses valguses on oma olemuselt piiratud. Selle kompenseerimiseks kasutavad endoskoobi kaameramoodulid eredaid LED-e objektiivile väga lähedal. Meditsiiniliseks kasutamiseks on valguse väljund kudede kuumenemise vältimiseks piiratud, seega on kaamera tundlikkus kriitiline.
USB-kaamera moodul (UVC)– Paljud veebikaamerate UVC-kaameramoodulid kasutavad väikeseid andureid, mis on keskmise võimekusega hämaras valguses. Professionaalsetes UVC-kaamerate moodulites järelevalve või tööstusliku kontrolli jaoks kasutatakse aga sageli BSI-andureid ja suuremaid piksleid. Need toetavad ka automaatset võimenduse ja särituse reguleerimist.
OEM-kaamera moodul– Kui kujundate kohandatud OEM-kaamera mooduli, saate optimeerida kõiki aspekte vähese valguse jaoks: valida suurte pikslitega BSI-sensor, määrata f/1,8 avaga klaasobjektiiv ja häälestada Interneti-teenuse pakkuja mürasummutus. See on parim viis suurepärase jõudluse saavutamiseks hämaras konkreetse rakenduse jaoks.
Autofookuse kaamera moodul– Automaatne teravustamine lisab liikuva objektiivi elemendi, mis võib maksimaalset ava veidi vähendada. Paljud automaatse teravustamise moodulid saavutavad siiski f/2.0-f/2.4, mis on hea vähese valguse korral. Eeliseks on see, et hämarates oludes saab teravustada ka lähedal asuvatele objektidele.
Raspberry Pi kaameramoodul V3– Ametlik Raspberry Pi kaamera kasutab Sony IMX708 sensorit (BSI, 1,4 µm pikslid režiimis 4:3). Selle jõudlus hämaras on tarbijamooduli jaoks korralik, kuid mitte nii hea kui spetsiaalne vähese valgusega tööstuskaamera. Saate seda parandada, vähendades kaadrisagedust ja kasutades suvandit --nopreview, et vältida protsessori ülekoormust.
Praktiline näide
Oletame, et vajate öiseks droonikontrolliks minikaamera moodulit. Teil on kaks võimalust.
Valik A: 720p sensor 2,2 µm pikslitega, BSI, f/2.0 objektiiv.
Valik B: 1080p sensor 1,4 µm pikslitega, mitte-BSI, f/2,8 objektiiv.
Valik A annab palju puhtama ööpildi, kuigi eraldusvõime on madalam. Drooniülesande jaoks pole vaja 1080p – pimedas on vaja objekti selgelt näha. Seetõttu valige hämaras parema jõudlusega moodul.
Kokkuvõte
Hämaras jõudlus määrab, kui hästi suudab kaameramoodul hämaras või pimedas kasutatavat pilti toota. See sõltub piksli suurusest (suurem on parem), BSI-tehnoloogiast, objektiivi avast, ISP-müra vähendamisest ja kaadrisagedusest. Kaameramooduli valimisel – olgu see siis minikaamera moodul endoskoopia jaoks, USB-kaamera moodul turvalisuse tagamiseks, OEM-kaamera moodul kohandatud seadme jaoks, autofookusega kaameramoodul vöötkoodiskanneri jaoks, UVC-kaamera moodul veebikaamera jaoks, cmos-kaamera moodul sisseehitatud nägemiseks või vaarika pi kaameramoodul v3 – kontrollige alati, kas anduri B- ja prototüübi jaoks kasutatakse pixsSI-d ja pixel it. Väga vähese valguse korral kaaluge IR-valgustuse lisamist ja kaadrisageduse vähendamist.
Kui vajate hämaras kasutamiseks optimeeritud kaameramoodulit, võtke ühendust Sincere'iga. Projekteerime ja toodame kohandatud OEM-kaameramooduleid ülitundlike CMOS-andurite, suurte pikslite ja kiirete objektiividega, mis on kohandatud teie keskkonnale.
