Kun käytät kameramoduulia hämärässä huoneessa, kuunvalossa tai tumman putken sisällä, kuvasta tulee usein rakeinen, tumma tai epäselvä. Kameran kykyä tuottaa käyttökelpoinen, selkeä kuva tällaisissa olosuhteissa kutsutaansuorituskyky hämärässä. Tämä on yksi tärkeimmistä ominaisuuksista monissa sovelluksissa – lääketieteellisen endoskoopin minikameramoduulista yöturvallisuutta tarjoavaan USB-kameramoduuliin. Tässä artikkelissa selitämme, mitä suorituskyky heikossa valaistuksessa tarkoittaa, mitkä tekijät vaikuttavat siihen ja kuinka valita kameramoduuli, joka toimii hyvin pimeässä.
Miksi heikossa valaistuksessa on merkitystä
Kamera, joka kamppailee hämärässä, pakottaa anturin vahvistamaan signaalia (lisää vahvistusta), mikä myös vahvistaa satunnaista elektronista kohinaa. Tuloksena on meluisa, "luminen" kuva, jossa on vähemmän yksityiskohtia. Kriittisissä sovelluksissa – kuten kirurgisessa endoskooppissa, autojen yönäköjärjestelmässä tai öisessä villieläinkamerassa – huono suorituskyky hämärässä voi johtaa diagnoosien puuttumiseen, onnettomuuksiin tai tietojen katoamiseen.
Jopa yksinkertaisella USB-kameramoduulilla, jota käytetään kotitarkastukseen, hyvä hämärävalo tarkoittaa, että näet pimeisiin kulmiin ilman voimakasta ulkoista valoa.
Miten tehokkuus heikossa valaistuksessa mitataan?
Ei ole olemassa yhtä yleistä numeroa, mutta valmistajat määrittävät usein:
Minimaalinen valaistus– Alin valaistustaso (luxeina), jolla kamera voi tuottaa käyttökelpoisen kuvan. Tyypillinen sisätoimisto on noin 300-500 luksia; kuutamo on noin 0,1-0,3 luksia.
Signaali-kohinasuhde (SNR)– Heikossa valaistuksessa suurempi SNR tarkoittaa vähemmän näkyvää kohinaa.
Herkkyys– Ilmaistaan usein mV per lux·s (millivolttia per luksia sekunnissa) anturin osalta.
Hyvä hämärässä kameramoduuli voi toimia 0,1 luksia tai alhaisemmalla, usein infrapunavalaistuksen avulla.
Avaintekijät, jotka vaikuttavat suorituskykyyn heikossa valaistuksessa
1. Pikselikoko (anturin suunnittelu)
Tärkein tekijä on CMOS-kameramoduulin anturin kunkin pikselin koko. Suuremmat pikselit vangitsevat enemmän fotoneja (valohiukkasia) kuin pienemmät pikselit. Esimerkiksi 2,9 µm (mikrometriä) leveä pikseli kerää noin neljä kertaa enemmän valoa kuin 1,4 µm:n pikseli. Siksi suuremmilla pikseleillä varustettu anturi toimii tietyllä resoluutiolla paljon paremmin hämärässä.
Tästä syystä 2 megapikselin minikameramoduuli, jossa on suuria pikseleitä, voi tuottaa puhtaampia yökuvia kuin 8 megapikselin moduuli hyvin pienillä pikseleillä, vaikka 8 megapikselin moduulissa on suurempi resoluutio.
2. Back-Illuminated (BSI) -tekniikka
Perinteisissä antureissa on johdotus valoherkän alueen yläpuolella, mikä estää osan valosta. BSI-anturit kääntävät rakenteen ja sijoittavat johdotuksen valodiodien taakse. Tämän ansiosta enemmän valoa pääsee pikseleihin, mikä parantaa heikon valon herkkyyttä 30–50 % verrattuna saman pikselikokoisiin ei-BSI-antureihin. Lähes kaikki nykyaikaiset CMOS-kameramoduulianturit endoskooppia tai valvontaa varten käyttävät BSI:tä.
3. Objektiivin aukko (f-luku)
Linssi ohjaa kuinka paljon valoa pääsee kameraan. Objektiivi, jonka f-arvo on pienempi (esim. f/1,8), päästää sisään enemmän valoa kuin objektiivi, jonka f-luku on suurempi (esim. f/2,8). Automaattitarkennuskameramoduulissa on usein kohtalainen aukko (f/2,0-f/2,4), joka tasapainottaa valon keräämisen ja syväterävyyden. Äärimmäisen heikossa valaistuksessa kiinteän tarkennuksen moduuli, jolla on erittäin pieni f-luku (f/1,4), on ihanteellinen, mutta sillä on matalampi syväterävyys.
4. Anturitekniikka (BSI, pinottu, Global Shutter)
Taustavalaistut (BSI) ja pinotut CMOS-anturit sopivat parhaiten hämärässä. Globaalien suljinanturien herkkyys on tyypillisesti hieman pienempi kuin saman pikselikokoisten rullasulkimien antureiden, mutta niitä suositellaan, kun kohtaus sisältää nopeaa liikettä.
5. Kohinanvaimennus ja kuvankäsittely
Kameran kuvaprosessori (ISP) voi käyttää spatiaalista kohinan vähennystä (tasoittaa nykyistä kuvaa) ja temporaalista kohinan vähennystä (keskiarvoisesti useita kehyksiä). Hyvin viritetty UVC-kameramoduuli voi tuottaa puhtaamman kuvan pienten yksityiskohtien häviämisen kustannuksella. Jotkut huippuluokan moduulit käyttävät myös usean kehyksen HDR-tekniikkaa kirkastaakseen varjoja häikäisemättä kohokohtia.
6. Kuvataajuus ja valotusaika
Hyvin heikossa valaistuksessa kamera voi automaattisesti pienentää kuvanopeutta (esim. 30 fps:stä 15 fps:iin) salliakseen pidemmän valotusajan per kuva. Tämä kerää enemmän valoa, mutta tekee videosta vähemmän sujuvaa. Raspberry pi -kameramoduulin v3:ssa voit vähentää kuvanopeutta manuaalisesti ohjelmistossa (libcamera-vid --framerate 15) parantaaksesi kuvanlaatua hämärässä.
Kuinka parantaa kameramoduulin suorituskykyä heikossa valaistuksessa
Valitse suurempi anturi (jos koko sallii)– 1/2,8 tuuman anturi 2,9 µm:n pikseleillä on tehokkaampi kuin 1/4 tuuman anturi 1,4 µm:n pikseleillä.
Valitse BSI-anturi– Useimmat Sony IMX-anturit (esim. IMX290, IMX307) käyttävät BSI:tä.
Käytä objektiivia, jossa on suurempi aukko– f/2.0 tai pienempi, jos mahdollista.
Lisää infrapuna (IR) valaistus– Käytä täydellistä pimeyttä varten IR-LED-valoja (850 nm tai 940 nm) ja kameraa ilman IR-leikkaussuodatinta.
Pienennä kuvanopeutta– Vaihda sileys kirkkauteen.
Käytä väliaikaista melunvaimennusta– Kuvien keskiarvon laskeminen vähentää kohinaa, mutta saattaa aiheuttaa haamukuvia, jos kohtaus liikkuu.
Suorituskyky heikossa valaistuksessa eri kameramoduulityypeissä
Minikameramoduuli (endoskopiaa varten)– Näissä on erittäin pienet anturit (1/9″ - 1/6″) ja pienet linssit. Niiden suorituskyky hämärässä on luonnostaan rajoitettu. Sen kompensoimiseksi endoskooppikameramoduulit käyttävät kirkkaita LEDejä hyvin lähellä linssiä. Lääketieteellisessä käytössä valoteho on rajoitettu kudosten kuumenemisen välttämiseksi, joten kameran herkkyys on kriittinen.
USB-kameramoduuli (UVC)– Monissa web-kameroiden UVC-kameramoduuleissa käytetään pieniä antureita, joiden kyky hämärässä on keskimäärin. Ammattimaiset UVC-kameramoduulit valvontaan tai teollisuustarkastukseen käyttävät kuitenkin usein BSI-antureita ja suurempia pikseleitä. Ne tukevat myös automaattista vahvistuksen ja valotuksen säätöä.
OEM-kameramoduuli– Kun suunnittelet mukautetun OEM-kameramoduulin, voit optimoida kaikki näkökohdat hämärässä: valitse BSI-kenno suurilla pikseleillä, määritä lasilinssi f/1.8-aukolla ja säädä Internet-palveluntarjoajan kohinanvaimennus. Tämä on paras tapa saavuttaa erinomainen suorituskyky hämärässä tietyssä sovelluksessa.
Automaattitarkennus kameramoduuli– Automaattitarkennus lisää liikkuvan linssielementin, joka voi pienentää maksimiaukkoa hieman. Monet automaattitarkennusmoduulit saavuttavat kuitenkin edelleen f/2.0-f/2.4, mikä on hyvä hämärässä. Etuna on, että voit myös tarkentaa lähellä oleviin kohteisiin hämärissä olosuhteissa.
Raspberry Pi -kameramoduuli V3– Virallinen Raspberry Pi -kamera käyttää Sony IMX708 -kennoa (BSI, 1,4 µm pikseliä 4:3-tilassa). Sen suorituskyky heikossa valaistuksessa on kohtuullinen kuluttajamoduulille, mutta ei niin hyvä kuin omistettu heikossa valaistuksessa käytettävä teollisuuskamera. Voit parantaa sitä vähentämällä kuvanopeutta ja käyttämällä --nopreview-vaihtoehtoa välttääksesi suorittimen ylikuormitusta.
Käytännön esimerkki
Oletetaan, että tarvitset minikameramoduulin yöaikaiseen drone-tarkastukseen. Sinulla on kaksi vaihtoehtoa:
Vaihtoehto A: 720p-kenno 2,2 µm:n pikseleillä, BSI, f/2.0-objektiivi.
Vaihtoehto B: 1080p-kenno 1,4 µm:n pikseleillä, ei-BSI, f/2,8-objektiivi.
Vaihtoehto A tuottaa paljon puhtaamman yökuvan, vaikka resoluutio on pienempi. Drone-tehtävää varten et tarvitse 1080p-tarkkuutta – sinun täytyy nähdä kohde selkeästi pimeässä. Valitse siksi moduuli, jolla on parempi suorituskyky hämärässä.
Yhteenveto
Suorituskyky heikossa valaistuksessa määrittää, kuinka hyvin kameramoduuli pystyy tuottamaan käyttökelpoisen kuvan hämärässä tai hämärässä. Se riippuu pikselikoosta (isompi on parempi), BSI-tekniikasta, objektiivin aukosta, ISP:n kohinanvaimennusta ja kuvataajuudesta. Kun valitset kameramoduulia - onko minikameramoduuli endoskopiaan, USB-kameramoduuli turvallisuuteen, OEM-kameramoduuli mukautettuun laitteeseen, automaattitarkennuskameramoduuli viivakoodinlukijaan, UVC-kameramoduuli verkkokameraan, cmos-kameramoduuli sulautettuun näkemiseen tai Raspberry pi -kameramoduuli v3:n prototyyppiin - tarkista aina, käyttääkö se pixsSI:tä ja sen prototyyppiä. Harkitse erittäin heikossa valaistuksessa IR-valaistuksen lisäämistä ja kuvanopeuden pienentämistä.
Jos tarvitset hämäriin sovelluksiin optimoidun kameramoduulin, ota yhteyttä Sincereen. Suunnittelemme ja valmistamme mukautettuja OEM-kameramoduuleja, joissa on erittäin herkät CMOS-kennot, suuret pikselit ja nopeat objektiivit, jotka on räätälöity ympäristöösi.
