Когда вы используете модуль камеры в слабоосвещенной комнате, при лунном свете или внутри темной трубы, изображение часто становится зернистым, темным или размытым. Способность камеры создавать пригодное для использования, четкое изображение в таких условиях называетсяпроизводительность при слабом освещении. Это одна из наиболее важных характеристик для многих приложений — от модуля мини-камеры в медицинском эндоскопе до модуля USB-камеры для обеспечения безопасности в ночное время. В этой статье мы объясним, что означает производительность при слабом освещении, какие факторы на нее влияют и как выбрать модуль камеры, который хорошо работает в темноте.
Почему важна производительность при слабом освещении
Камера, которая плохо работает при слабом освещении, заставит датчик усиливать сигнал (увеличивать усиление), что также усиливает случайный электронный шум. В результате получается шумное, «снежное» изображение с пониженной детализацией. В критически важных приложениях, таких как хирургический эндоскоп, автомобильная система ночного видения или ночная камера дикой природы, плохая работа при слабом освещении может привести к пропущенному диагнозу, несчастным случаям или потере данных.
Даже для простого модуля USB-камеры, используемого для домашнего осмотра, хорошая способность работать при слабом освещении означает, что вы можете видеть темные углы без необходимости использования мощного внешнего освещения.
Как измеряется производительность при слабом освещении?
Единого универсального номера не существует, но производители часто указывают:
Минимальное освещение– Самый низкий уровень освещенности (в люксах), при котором камера может создавать приемлемое изображение. Типичный офис в помещении — около 300–500 люкс; лунный свет составляет около 0,1‑0,3 люкс.
Отношение сигнал/шум (SNR)– При слабом освещении более высокий SNR означает меньший видимый шум.
Чувствительность– Для датчика часто выражается в мВ на люкс·с (милливольтах на люкс в секунду).
Хороший модуль камеры для слабого освещения может работать при освещенности 0,1 люкс или ниже, часто с помощью инфракрасной подсветки.
Ключевые факторы, влияющие на производительность при слабом освещении
1. Размер пикселя (конструкция датчика)
Наиболее фундаментальным фактором является размер каждого пикселя датчика модуля камеры cmos. Пиксели большего размера захватывают больше фотонов (частиц света), чем пиксели меньшего размера. Например, пиксель шириной 2,9 мкм (микрометра) собирает примерно в четыре раза больше света, чем пиксель шириной 1,4 мкм. Следовательно, для данного разрешения сенсор с более крупными пикселями будет работать намного лучше при слабом освещении.
Вот почему модуль мини-камеры на 2 МП с большими пикселями может создавать более чистые ночные изображения, чем модуль на 8 МП с очень маленькими пикселями, хотя модуль на 8 МП имеет более высокое разрешение.
2. Технология обратной подсветки (BSI)
Традиционные датчики имеют проводку над светочувствительной областью, блокируя часть света. Датчики BSI переворачивают структуру, размещая проводку за фотодиодами. Это позволяет большему количеству света достигать пикселей, улучшая чувствительность при слабом освещении на 30–50 % по сравнению с датчиками без BSI с тем же размером пикселей. Почти все современные датчики модулей камер cmos для эндоскопии или наблюдения используют BSI.
3. Диафрагма объектива (число f)
Объектив контролирует, сколько света попадает в камеру. Объектив с меньшим числом f (например, f/1,8) пропускает больше света, чем объектив с большим числом f (например, f/2,8). Модуль камеры с автофокусировкой часто имеет умеренную диафрагму (f/2,0‑f/2,4), которая уравновешивает светосилу и глубину резкости. Для очень слабого освещения идеально подойдет модуль с фиксированным фокусом и очень низким числом f (f/1,4), но он будет иметь меньшую глубину резкости.
4. Сенсорная технология (BSI, многоуровневая, глобальный затвор)
Датчики CMOS с задней подсветкой (BSI) и расположенные друг над другом лучше всего подходят для съемки в условиях низкой освещенности. Датчики глобального затвора обычно имеют немного меньшую чувствительность, чем датчики роллетного затвора с тем же размером пикселя, но они предпочтительнее, когда сцена содержит быстрое движение.
5. Шумоподавление и обработка изображений.
Процессор изображений камеры (ISP) может применять пространственное шумоподавление (сглаживание текущего кадра) и временное шумоподавление (усреднение нескольких кадров). Хорошо настроенный модуль камеры UVC может создавать более чистое изображение за счет небольшой потери мелких деталей. Некоторые высококлассные модули также используют методы многокадрового HDR для осветления теней без затемнения светлых участков.
6. Частота кадров и время экспозиции
При очень слабом освещении камера может автоматически уменьшить частоту кадров (например, с 30 до 15 кадров в секунду), чтобы увеличить время экспозиции каждого кадра. Это собирает больше света, но делает видео менее плавным. Для модуля камеры Raspberry Pi v3 вы можете вручную уменьшить частоту кадров в программном обеспечении (libcamera‑vid --framerate 15), чтобы улучшить качество изображения при слабом освещении.
Как улучшить производительность модуля камеры при слабом освещении
Выберите датчик большего размера (если позволяет размер)– Сенсор 1/2,8 дюйма с пикселями 2,9 мкм превосходит сенсор 1/4 дюйма с пикселями 1,4 мкм.
Выберите датчик BSI– Большинство датчиков Sony IMX (например, IMX290, IMX307) используют BSI.
Используйте объектив с большей диафрагмой– f/2.0 или ниже, если возможно.
Добавьте инфракрасную (ИК) подсветку– В полной темноте используйте ИК-светодиоды (850 или 940 нм) и камеру без ИК-фильтра.
Уменьшите частоту кадров– Поменяйте плавность на яркость.
Использовать временное шумоподавление– Усреднение кадров снижает шум, но может вызвать двоение изображения при движении сцены.
Производительность при слабом освещении в различных типах модулей камеры
Модуль мини-камеры (для эндоскопии)– У них очень маленькие сенсоры (от 1/9″ до 1/6″) и крошечные линзы. Их производительность при слабом освещении по своей сути ограничена. Чтобы компенсировать это, в модулях камер эндоскопов используются яркие светодиоды, расположенные очень близко к объективу. В медицинских целях светоотдача ограничена во избежание нагрева тканей, поэтому чувствительность камеры имеет решающее значение.
USB-модуль камеры (UVC)– Многие модули UVC-камер для веб-камер используют небольшие датчики со средней способностью работать при слабом освещении. Однако в профессиональных модулях UVC-камер для наблюдения или промышленного контроля часто используются датчики BSI и пиксели большего размера. Они также поддерживают автоматическую регулировку усиления и экспозиции.
OEM-модуль камеры– При разработке индивидуального OEM-модуля камеры вы можете оптимизировать каждый аспект для условий низкой освещенности: выбрать датчик BSI с большими пикселями, указать стеклянный объектив с диафрагмой f/1,8 и настроить шумоподавление, предлагаемое интернет-провайдером. Это лучший способ добиться отличных характеристик при слабом освещении для конкретного применения.
Модуль камеры с автофокусом– Автофокус добавляет подвижный элемент объектива, который может немного уменьшить максимальную диафрагму. Однако многие модули автофокусировки по-прежнему обеспечивают диафрагму f/2,0‑f/2,4, что хорошо для слабого освещения. Преимущество заключается в том, что вы также можете фокусироваться на близких объектах в условиях недостаточной освещенности.
Модуль камеры Raspberry Pi V3– В официальной камере Raspberry Pi используется сенсор Sony IMX708 (BSI, размер пикселей 1,4 мкм в режиме 4:3). Ее производительность при слабом освещении приличная для потребительского модуля, но не так хороша, как у специализированной промышленной камеры для слабого освещения. Вы можете улучшить его, уменьшив частоту кадров и используя опцию --nopreview, чтобы избежать нагрузки на процессор.
Практический пример
Предположим, вам нужен модуль мини-камеры для ночного осмотра дронами. У вас есть два варианта:
Вариант А: сенсор 720p с пикселями 2,2 мкм, BSI, объектив f/2,0.
Вариант Б: датчик 1080p с размером пикселей 1,4 мкм, без BSI, объектив f/2,8.
Вариант А позволит получить гораздо более чистое ночное изображение, хотя разрешение будет ниже. Для задачи с дроном вам не нужно 1080p — вам нужно четко видеть объект в темноте. Поэтому выбирайте модуль с лучшими характеристиками при слабом освещении.
Краткое содержание
Производительность при слабом освещении определяет, насколько хорошо модуль камеры может создавать пригодное для использования изображение в тусклых или темных условиях. Это зависит от размера пикселя (чем больше, тем лучше), технологии BSI, диафрагмы объектива, шумоподавления ISP и частоты кадров. При выборе модуля камеры — будь то модуль мини-камеры для эндоскопии, модуль USB-камеры для обеспечения безопасности, модуль OEM-камеры для специального устройства, модуль камеры с автофокусировкой для сканера штрих-кода, модуль камеры UVC для веб-камеры, модуль камеры cmos для встроенного машинного зрения или модуль камеры Raspberry Pi v3 для прототипа — всегда проверяйте размер пикселя датчика и использует ли он BSI. При очень слабом освещении рассмотрите возможность добавления ИК-подсветки и уменьшения частоты кадров.
Если вам нужен модуль камеры, оптимизированный для работы в условиях низкой освещенности, свяжитесь с искренним. Мы разрабатываем и производим индивидуальные OEM-модули камер с высокочувствительными CMOS-сенсорами, большими пикселями и светосильными объективами, адаптированными к вашим условиям.
