Når du bruger et kameramodul i et svagt oplyst rum, under måneskin eller inde i et mørkt rør, bliver billedet ofte kornet, mørkt eller sløret. Et kameras evne til at producere et brugbart, klart billede under sådanne forhold kaldesydeevne i svagt lys. Dette er en af de vigtigste specifikationer for mange applikationer – fra et minikameramodul i et medicinsk endoskop til et USB-kameramodul til natsikkerhed. I denne artikel forklarer vi, hvad ydeevne i svagt lys betyder, hvilke faktorer der påvirker det, og hvordan man vælger et kameramodul, der fungerer godt i mørke.
Hvorfor lav-lys ydeevne betyder noget
Et kamera, der kæmper i svagt lys, vil tvinge sensoren til at forstærke signalet (øge gain), hvilket også forstærker tilfældig elektronisk støj. Resultatet er et støjende, "snefyldt" billede med reducerede detaljer. I kritiske applikationer – såsom et kirurgisk endoskop, et nattesynssystem til biler eller et natligt vildtkamera – kan dårlig ydeevne i svagt lys føre til manglende diagnoser, ulykker eller tabte data.
Selv for et simpelt USB-kameramodul, der bruges til hjemmeinspektion, betyder god evne til svagt lys, at du kan se ind i mørke hjørner uden at have brug for et kraftigt eksternt lys.
Hvordan måles ydeevne i lavt lys?
Der er ikke et enkelt universelt nummer, men producenterne angiver ofte:
Minimum belysning– Det laveste lysniveau (i lux), ved hvilket kameraet kan producere et brugbart billede. Et typisk indendørs kontor er omkring 300-500 lux; måneskin er omkring 0,1-0,3 lux.
Signal-til-støj-forhold (SNR)– Ved svagt lys betyder en højere SNR mindre synlig støj.
Følsomhed– Ofte udtrykt i mV pr. lux·s (millivolt pr. lux pr. sekund) for sensoren.
Et godt kameramodul med svagt lys kan fungere ved 0,1 lux eller lavere, ofte ved hjælp af infrarød belysning.
Nøglefaktorer, der påvirker ydeevne i svagt lys
1. Pixelstørrelse (sensordesign)
Den mest fundamentale faktor er størrelsen af hver pixel på cmos-kameramodulsensoren. Større pixels opfanger flere fotoner (lyspartikler) end mindre pixels. For eksempel opsamler en pixel, der er 2,9 µm (mikrometer) bred, omkring fire gange så meget lys som en 1,4 µm pixel. Derfor vil en sensor med større pixels for en given opløsning yde meget bedre i svagt lys.
Dette er grunden til, at et 2 MP minikameramodul med store pixels kan give renere natbilleder end et 8 MP-modul med meget små pixels, selvom 8 MP-modulet har højere opløsning.
2. Baggrundsbelyst (BSI) teknologi
Traditionelle sensorer har ledninger over det lysfølsomme område, hvilket blokerer noget lys. BSI-sensorer vender strukturen og placerer ledningerne bag fotodioderne. Dette gør det muligt for mere lys at nå pixels, hvilket forbedrer følsomheden ved svagt lys med 30-50 % sammenlignet med ikke-BSI-sensorer af samme pixelstørrelse. Næsten alle moderne cmos-kameramodulsensorer til endoskopi eller overvågning bruger BSI.
3. Objektivblænde (f-nummer)
Objektivet styrer, hvor meget lys der kommer ind i kameraet. Et objektiv med et lavere f-tal (f.eks. f/1.8) slipper mere lys ind end et med et højere f-tal (f.eks. f/2.8). Et kameramodul med autofokus har ofte en moderat blænde (f/2.0-f/2.4), der balancerer lysindsamling og dybdeskarphed. Til ekstremt svagt lys er et fast-fokus-modul med et meget lavt f-tal (f/1.4) ideelt, men det vil have en mindre dybdeskarphed.
4. Sensorteknologi (BSI, stablet, global lukker)
Baggrundsbelyste (BSI) og stablede CMOS-sensorer er bedst til svagt lys. Globale lukkersensorer har typisk lidt lavere følsomhed end rullende lukkersensorer af samme pixelstørrelse, men de foretrækkes, når scenen indeholder hurtige bevægelser.
5. Støjreduktion og billedbehandling
Kameraets billedprocessor (ISP) kan anvende rumlig støjreduktion (udjævning af det aktuelle billede) og tidsmæssig støjreduktion (gennemsnit af flere billeder). Et velafstemt UVC-kameramodul kan producere et renere billede på bekostning af et lille tab af fine detaljer. Nogle avancerede moduler bruger også multi-frame HDR-teknikker til at gøre skygger lysere uden at blæse højlys ud.
6. Billedhastighed og eksponeringstid
I meget svagt lys kan kameraet automatisk reducere billedhastigheden (f.eks. fra 30 fps til 15 fps) for at tillade en længere eksponeringstid pr. Dette samler mere lys, men gør videoen mindre jævn. For et raspberry pi-kameramodul v3 kan du manuelt reducere billedhastigheden i softwaren (libcamera-vid --framerate 15) for at forbedre billedkvaliteten i svagt lys.
Sådan forbedres ydeevnen i svagt lys i dit kameramodul
Vælg en større sensor (hvis størrelsen tillader det)– En 1/2,8″-sensor med 2,9 µm pixels vil overgå en 1/4″-sensor med 1,4 µm pixels.
Vælg en BSI-sensor– De fleste Sony IMX-sensorer (f.eks. IMX290, IMX307) bruger BSI.
Brug et objektiv med en større blænde– f/2.0 eller lavere, hvis det er muligt.
Tilføj infrarød (IR) belysning– For totalt mørke skal du bruge IR-LED'er (850 nm eller 940 nm) og et kamera uden et IR-cut filter.
Reducer billedhastigheden– Byt jævnhed for lysstyrke.
Brug tidsmæssig støjreduktion– Gennemsnit af billeder reducerer støj, men kan forårsage spøgelser, hvis scenen bevæger sig.
Ydelse i svagt lys i forskellige kameramodultyper
Minikameramodul (til endoskopi)– Disse har meget små sensorer (1/9″ til 1/6″) og små linser. Deres ydeevne i svagt lys er i sagens natur begrænset. For at kompensere bruger endoskopkameramoduler lyse LED'er meget tæt på linsen. Til medicinsk brug er lysudbyttet begrænset for at undgå vævsopvarmning, så kameraets følsomhed er kritisk.
USB-kameramodul (UVC)– Mange UVC-kameramoduler til webkameraer bruger små sensorer med en gennemsnitlig evne til svagt lys. Professionelle UVC-kameramoduler til overvågning eller industriel inspektion bruger dog ofte BSI-sensorer og større pixels. De understøtter også automatiske forstærknings- og eksponeringsjusteringer.
OEM kameramodul– Når du designer et brugerdefineret OEM-kameramodul, kan du optimere ethvert aspekt til svagt lys: Vælg en BSI-sensor med store pixels, angiv et glasobjektiv med f/1.8 blænde, og juster internetudbyderens støjreduktion. Dette er den bedste måde at opnå fremragende ydeevne i svagt lys til en specifik applikation.
Autofokus kameramodul– Autofokus tilføjer et bevægeligt linseelement, som kan reducere den maksimale blænde en smule. Mange autofokusmoduler opnår dog stadig f/2.0-f/2.4, hvilket er godt til svagt lys. Fordelen er, at du også kan fokusere på tætte genstande i mørke forhold.
Raspberry Pi kameramodul V3– Det officielle Raspberry Pi-kamera bruger en Sony IMX708-sensor (BSI, 1,4 µm pixels i 4:3-tilstand). Dens ydeevne i svagt lys er anstændig for et forbrugermodul, men ikke så god som et dedikeret industrikamera med lavt lys. Du kan forbedre det ved at reducere billedhastigheden og bruge --nopreview-indstillingen for at undgå CPU-overhead.
Praktisk eksempel
Antag, at du har brug for et minikameramodul til en droneinspektion om natten. Du har to muligheder:
Mulighed A: 720p-sensor med 2,2 µm pixels, BSI, f/2,0-objektiv.
Mulighed B: 1080p-sensor med 1,4 µm pixels, ikke-BSI, f/2,8-objektiv.
Mulighed A vil give et meget renere natbillede, selvom opløsningen er lavere. Til droneopgaven behøver du ikke 1080p – du skal se motivet klart i mørket. Vælg derfor modulet med bedre ydeevne i svagt lys.
Oversigt
Ydeevne i svagt lys bestemmer, hvor godt et kameramodul kan producere et brugbart billede under mørke eller mørke forhold. Det afhænger af pixelstørrelse (større er bedre), BSI-teknologi, objektivblænde, ISP-støjreduktion og billedhastighed. Når du vælger et kameramodul – hvad enten det er et minikameramodul til endoskopi, et USB-kameramodul til sikkerhed, et OEM-kameramodul til en brugerdefineret enhed, et autofokuskameramodul til en stregkodescanner, et UVC-kameramodul til et webcam, et cmos-kameramodul til indlejret syn eller et raspberry pi-kameramodul v3 til en prototype – kontroller altid sensorens pixelstørrelse og om den bruger BSI-størrelsen. I meget svagt lys kan du overveje at tilføje IR-belysning og reducere billedhastigheden.
Hvis du har brug for et kameramodul, der er optimeret til applikationer med svagt lys, skal du kontakte Sincere. Vi designer og fremstiller brugerdefinerede OEM-kameramoduler med højfølsomme CMOS-sensorer, store pixels og hurtige objektiver skræddersyet til dit miljø.
