Όταν χρησιμοποιείτε μια μονάδα κάμερας σε δωμάτιο με χαμηλό φωτισμό, κάτω από το φως του φεγγαριού ή μέσα σε έναν σκοτεινό σωλήνα, η εικόνα συχνά γίνεται κοκκώδης, σκοτεινή ή θολή. Η ικανότητα μιας κάμερας να παράγει μια αξιοποιήσιμη, καθαρή εικόνα σε τέτοιες συνθήκες ονομάζεταιαπόδοση σε χαμηλό φωτισμό. Αυτή είναι μια από τις πιο σημαντικές προδιαγραφές για πολλές εφαρμογές – από μια μονάδα μίνι κάμερας σε ιατρικό ενδοσκόπιο έως μια μονάδα κάμερας USB για νυχτερινή ασφάλεια. Σε αυτό το άρθρο, εξηγούμε τι σημαίνει απόδοση σε χαμηλό φωτισμό, ποιοι παράγοντες την επηρεάζουν και πώς να επιλέξετε μια μονάδα κάμερας που έχει καλή απόδοση στο σκοτάδι.
Γιατί έχει σημασία η απόδοση σε χαμηλό φωτισμό
Μια κάμερα που δυσκολεύεται σε χαμηλό φωτισμό θα αναγκάσει τον αισθητήρα να ενισχύσει το σήμα (αύξηση του κέρδους), το οποίο επίσης ενισχύει τον τυχαίο ηλεκτρονικό θόρυβο. Το αποτέλεσμα είναι μια θορυβώδης, «χιονισμένη» εικόνα με μειωμένη λεπτομέρεια. Σε κρίσιμες εφαρμογές – όπως ένα χειρουργικό ενδοσκόπιο, ένα σύστημα νυχτερινής όρασης αυτοκινήτου ή μια κάμερα νυχτερινής άγριας ζωής – η κακή απόδοση σε χαμηλό φωτισμό μπορεί να οδηγήσει σε χαμένες διαγνώσεις, ατυχήματα ή απώλεια δεδομένων.
Ακόμη και για μια απλή μονάδα κάμερας USB που χρησιμοποιείται για επιθεώρηση στο σπίτι, η καλή ικανότητα χαμηλού φωτισμού σημαίνει ότι μπορείτε να βλέπετε σε σκοτεινές γωνίες χωρίς να χρειάζεστε ισχυρό εξωτερικό φως.
Πώς μετράται η απόδοση σε χαμηλό φωτισμό;
Δεν υπάρχει ενιαίος καθολικός αριθμός, αλλά οι κατασκευαστές συχνά προσδιορίζουν:
Ελάχιστος φωτισμός– Το χαμηλότερο επίπεδο φωτισμού (σε lux) στο οποίο η κάμερα μπορεί να παράγει μια χρησιμοποιήσιμη εικόνα. Ένα τυπικό εσωτερικό γραφείο είναι περίπου 300-500 lux. Το φως του φεγγαριού είναι περίπου 0,1-0,3 lux.
Λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR)– Σε χαμηλό φωτισμό, υψηλότερο SNR σημαίνει λιγότερο ορατό θόρυβο.
Ευαισθησία– Συχνά εκφράζεται σε mV ανά lux·s (millivolts ανά lux ανά δευτερόλεπτο) για τον αισθητήρα.
Μια καλή μονάδα κάμερας χαμηλού φωτισμού μπορεί να λειτουργήσει σε 0,1 lux ή χαμηλότερη, συχνά με τη βοήθεια υπέρυθρου φωτισμού.
Βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση σε χαμηλό φωτισμό
1. Μέγεθος pixel (Σχεδίαση αισθητήρα)
Ο πιο θεμελιώδης παράγοντας είναι το μέγεθος κάθε pixel στον αισθητήρα της μονάδας κάμερας cmos. Τα μεγαλύτερα pixel συλλαμβάνουν περισσότερα φωτόνια (σωματίδια φωτός) από τα μικρότερα pixel. Για παράδειγμα, ένα εικονοστοιχείο πλάτους 2,9 μm (μικρόμετρα) συλλέγει περίπου τέσσερις φορές περισσότερο φως από ένα εικονοστοιχείο 1,4 μm. Επομένως, για μια δεδομένη ανάλυση, ένας αισθητήρας με μεγαλύτερα pixel θα έχει πολύ καλύτερη απόδοση σε χαμηλό φωτισμό.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μια μονάδα μίνι κάμερας 2 MP με μεγάλα pixel μπορεί να παράγει πιο καθαρές νυχτερινές εικόνες από μια μονάδα 8 MP με πολύ μικρά pixel, παρόλο που η μονάδα 8 MP έχει υψηλότερη ανάλυση.
2. Τεχνολογία Back-Illuminated (BSI).
Οι παραδοσιακοί αισθητήρες έχουν καλωδίωση πάνω από την ευαίσθητη στο φως περιοχή, εμποδίζοντας κάποιο φως. Οι αισθητήρες BSI ανατρέπουν τη δομή, τοποθετώντας την καλωδίωση πίσω από τις φωτοδίοδοι. Αυτό επιτρέπει περισσότερο φως να φτάσει στα εικονοστοιχεία, βελτιώνοντας την ευαισθησία σε χαμηλό φωτισμό κατά 30-50% σε σύγκριση με αισθητήρες που δεν είναι BSI του ίδιου μεγέθους pixel. Σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι αισθητήρες μονάδας κάμερας cmos για ενδοσκόπηση ή επιτήρηση χρησιμοποιούν BSI.
3. Διάφραγμα φακού (αριθμός f)
Ο φακός ελέγχει πόσο φως εισέρχεται στην κάμερα. Ένας φακός με μικρότερο αριθμό f (π.χ. f/1,8) αφήνει περισσότερο φως από έναν φακό με μεγαλύτερο αριθμό f (π.χ. f/2,8). Μια μονάδα κάμερας αυτόματης εστίασης έχει συχνά ένα μέτριο διάφραγμα (f/2.0‑f/2.4) που εξισορροπεί τη συλλογή φωτός και το βάθος πεδίου. Για εξαιρετικά χαμηλό φωτισμό, μια μονάδα σταθερής εστίασης με πολύ χαμηλό αριθμό f (f/1,4) είναι ιδανική, αλλά θα έχει μικρότερο βάθος πεδίου.
4. Τεχνολογία αισθητήρων (BSI, Stacked, Global Shutter)
Οι αισθητήρες με οπίσθιο φωτισμό (BSI) και στοιβαγμένοι αισθητήρες CMOS είναι οι καλύτεροι για χαμηλό φωτισμό. Οι αισθητήρες καθολικού κλείστρου έχουν συνήθως ελαφρώς χαμηλότερη ευαισθησία από τους αισθητήρες κυλιόμενου κλείστρου του ίδιου μεγέθους pixel, αλλά προτιμώνται όταν η σκηνή περιέχει γρήγορη κίνηση.
5. Μείωση θορύβου και επεξεργασία εικόνας
Ο επεξεργαστής εικόνας (ISP) της κάμερας μπορεί να εφαρμόσει χωρική μείωση θορύβου (εξομάλυνση του τρέχοντος καρέ) και χρονική μείωση θορύβου (κατά μέσο όρο πολλά καρέ). Μια καλά ρυθμισμένη μονάδα κάμερας UVC μπορεί να παράγει μια πιο καθαρή εικόνα με το κόστος μιας μικρής απώλειας λεπτομέρειας. Ορισμένες μονάδες προηγμένης τεχνολογίας χρησιμοποιούν επίσης τεχνικές HDR πολλαπλών καρέ για να φωτίζουν τις σκιές χωρίς να σβήνουν τα τονισμένα σημεία.
6. Ρυθμός καρέ και χρόνος έκθεσης
Σε πολύ χαμηλό φωτισμό, η κάμερα μπορεί να μειώσει αυτόματα τον ρυθμό καρέ (π.χ. από 30 fps σε 15 fps) για να επιτρέψει μεγαλύτερο χρόνο έκθεσης ανά καρέ. Αυτό συγκεντρώνει περισσότερο φως, αλλά κάνει το βίντεο λιγότερο ομαλό. Για μια μονάδα κάμερας raspberry pi v3, μπορείτε να μειώσετε μη αυτόματα τον ρυθμό καρέ στο λογισμικό (libcamera‑vid --framerate 15) για να βελτιώσετε την ποιότητα εικόνας σε χαμηλό φωτισμό.
Πώς να βελτιώσετε την απόδοση σε χαμηλό φωτισμό στη μονάδα της κάμεράς σας
Επιλέξτε μεγαλύτερο αισθητήρα (αν το επιτρέπει το μέγεθος)– Ένας αισθητήρας 1/2,8″ με εικονοστοιχεία 2,9 μm θα έχει καλύτερη απόδοση από έναν αισθητήρα 1/4″ με εικονοστοιχεία 1,4 μm.
Επιλέξτε έναν αισθητήρα BSI– Οι περισσότεροι αισθητήρες Sony IMX (π.χ. IMX290, IMX307) χρησιμοποιούν BSI.
Χρησιμοποιήστε φακό με μεγαλύτερο διάφραγμα– f/2.0 ή χαμηλότερο, αν είναι δυνατόν.
Προσθέστε υπέρυθρο (IR) φωτισμό– Για απόλυτο σκοτάδι, χρησιμοποιήστε IR LED (850 nm ή 940 nm) και μια κάμερα χωρίς φίλτρο κοπής υπέρυθρων.
Μειώστε το ρυθμό καρέ– Ανταλλάξτε την ομαλότητα με τη φωτεινότητα.
Χρησιμοποιήστε προσωρινή μείωση θορύβου– Ο μέσος όρος των καρέ μειώνει τον θόρυβο, αλλά μπορεί να προκαλέσει φαντάσματα εάν η σκηνή μετακινηθεί.
Απόδοση χαμηλού φωτισμού σε διαφορετικούς τύπους μονάδας κάμερας
Μίνι μονάδα κάμερας (για ενδοσκόπηση)– Αυτά έχουν πολύ μικρούς αισθητήρες (1/9″ έως 1/6″) και μικροσκοπικούς φακούς. Η απόδοσή τους σε χαμηλό φωτισμό είναι εγγενώς περιορισμένη. Για αντιστάθμιση, οι μονάδες κάμερας ενδοσκοπίου χρησιμοποιούν φωτεινά LED πολύ κοντά στο φακό. Για ιατρική χρήση, η απόδοση φωτός είναι περιορισμένη για να αποφευχθεί η θέρμανση των ιστών, επομένως η ευαισθησία της κάμερας είναι κρίσιμη.
Μονάδα κάμερας USB (UVC)– Πολλές μονάδες κάμερας UVC για κάμερες web χρησιμοποιούν μικρούς αισθητήρες με μέση ικανότητα χαμηλού φωτισμού. Ωστόσο, οι επαγγελματικές μονάδες κάμερας UVC για επιτήρηση ή βιομηχανική επιθεώρηση χρησιμοποιούν συχνά αισθητήρες BSI και μεγαλύτερα pixel. Υποστηρίζουν επίσης αυτόματες προσαρμογές κέρδους και έκθεσης.
Μονάδα OEM κάμερας– Όταν σχεδιάζετε μια προσαρμοσμένη μονάδα κάμερας OEM, μπορείτε να βελτιστοποιήσετε κάθε πτυχή για χαμηλό φωτισμό: επιλέξτε έναν αισθητήρα BSI με μεγάλα pixel, καθορίστε έναν γυάλινο φακό με διάφραγμα f/1,8 και συντονίστε τη μείωση θορύβου του ISP. Αυτός είναι ο καλύτερος τρόπος για να επιτύχετε εξαιρετική απόδοση σε χαμηλό φωτισμό για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.
Μονάδα κάμερας αυτόματης εστίασης– Η αυτόματη εστίαση προσθέτει ένα κινούμενο στοιχείο φακού, το οποίο μπορεί να μειώσει ελαφρώς το μέγιστο διάφραγμα. Ωστόσο, πολλές μονάδες αυτόματης εστίασης εξακολουθούν να επιτυγχάνουν f/2.0‑f/2.4, κάτι που είναι καλό για χαμηλό φωτισμό. Το πλεονέκτημα είναι ότι μπορείτε επίσης να εστιάσετε σε κοντινά αντικείμενα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
Raspberry Pi Camera Module V3– Η επίσημη κάμερα Raspberry Pi χρησιμοποιεί αισθητήρα Sony IMX708 (BSI, 1,4 μm pixel σε λειτουργία 4:3). Η απόδοσή του σε χαμηλό φωτισμό είναι αξιοπρεπής για μια μονάδα καταναλωτή, αλλά όχι τόσο καλή όσο μια αποκλειστική βιομηχανική κάμερα χαμηλού φωτισμού. Μπορείτε να το βελτιώσετε μειώνοντας τον ρυθμό καρέ και χρησιμοποιώντας την επιλογή --nopreview για να αποφύγετε την επιβάρυνση της CPU.
Πρακτικό Παράδειγμα
Ας υποθέσουμε ότι χρειάζεστε μια μονάδα μίνι κάμερας για μια νυχτερινή επιθεώρηση drone. Έχετε δύο επιλογές:
Επιλογή Α: Αισθητήρας 720p με pixel 2,2 μm, BSI, φακός f/2.0.
Επιλογή Β: Αισθητήρας 1080p με pixel 1,4 μm, φακός χωρίς BSI, f/2,8.
Η επιλογή Α θα παράγει μια πολύ πιο καθαρή νυχτερινή εικόνα, παρόλο που η ανάλυση είναι χαμηλότερη. Για την εργασία με drone, δεν χρειάζεστε 1080p – πρέπει να βλέπετε το θέμα καθαρά στο σκοτάδι. Επομένως, επιλέξτε τη μονάδα με καλύτερη απόδοση σε χαμηλό φωτισμό.
Περίληψη
Η απόδοση σε χαμηλό φωτισμό καθορίζει πόσο καλά μια μονάδα κάμερας μπορεί να παράγει μια χρησιμοποιήσιμη εικόνα σε συνθήκες χαμηλού ή σκοτεινού. Εξαρτάται από το μέγεθος των εικονοστοιχείων (το μεγαλύτερο είναι το καλύτερο), την τεχνολογία BSI, το διάφραγμα του φακού, τη μείωση του θορύβου του ISP και τον ρυθμό καρέ. Κατά την επιλογή μιας μονάδας κάμερας – είτε μονάδα μίνι κάμερας για ενδοσκόπηση, μονάδα κάμερας USB για ασφάλεια, μονάδα κάμερας OEM για προσαρμοσμένη συσκευή, μονάδα κάμερας αυτόματης εστίασης για σαρωτή γραμμωτού κώδικα, μονάδα κάμερας UVC για κάμερα web, μονάδα κάμερας cmos για ενσωματωμένη όραση ή μονάδα κάμερας raspberry pi v3 για πρωτότυπο – ελέγχετε πάντα εάν το μέγεθος του αισθητήρα B και το πρωτότυπο του αισθητήρα SI. Σε πολύ χαμηλό φωτισμό, σκεφτείτε να προσθέσετε φωτισμό υπερύθρων και να μειώσετε τον ρυθμό καρέ.
Εάν χρειάζεστε μια μονάδα κάμερας βελτιστοποιημένη για εφαρμογές χαμηλού φωτισμού, επικοινωνήστε με την Sincere. Σχεδιάζουμε και κατασκευάζουμε προσαρμοσμένες μονάδες κάμερας OEM με αισθητήρες CMOS υψηλής ευαισθησίας, μεγάλα pixel και γρήγορους φακούς προσαρμοσμένους στο περιβάλλον σας.
