Kai naudojate fotoaparato modulį silpnai apšviestoje patalpoje, mėnulio šviesoje arba tamsaus vamzdžio viduje, vaizdas dažnai tampa grūdėtas, tamsus arba neryškus. Fotoaparato gebėjimas tokiomis sąlygomis sukurti naudingą, aiškų vaizdą vadinamaveikimas esant prastam apšvietimui. Tai viena iš svarbiausių daugelio programų specifikacijų – nuo mini kameros modulio medicininiame endoskope iki USB kameros modulio, užtikrinančio saugumą naktį. Šiame straipsnyje paaiškiname, ką reiškia veikimas esant prastam apšvietimui, kokie veiksniai tam turi įtakos ir kaip pasirinkti fotoaparato modulį, kuris gerai veiktų tamsoje.
Kodėl prasto apšvietimo našumas yra svarbus
Kamera, kuri kovoja esant silpnam apšvietimui, privers jutiklį sustiprinti signalą (padidinti stiprinimą), o tai taip pat sustiprina atsitiktinį elektroninį triukšmą. Rezultatas – triukšmingas, „snieguotas“ vaizdas su sumažintomis detalėmis. Esant svarbioms programoms, pvz., chirurginiam endoskopui, automobilių naktinio matymo sistemai ar naktinei laukinės gamtos kamerai, prastas veikimas esant prastam apšvietimui gali lemti nepastebėtas diagnozes, avarijas arba prarastus duomenis.
Net ir naudojant paprastą USB kameros modulį, naudojamą namų apžiūrai, geras gebėjimas esant silpnam apšvietimui reiškia, kad matote tamsius kampus, nereikalaujant galingos išorinės šviesos.
Kaip matuojamas našumas esant prastam apšvietimui?
Vieno universalaus numerio nėra, tačiau gamintojai dažnai nurodo:
Minimalus apšvietimas– Žemiausias apšvietimo lygis (liuksais), kuriam esant fotoaparatas gali sukurti tinkamą vaizdą. Tipiškas patalpų biuras yra apie 300–500 liuksų; mėnulio šviesa yra apie 0,1–0,3 liukso.
Signalo ir triukšmo santykis (SNR)– Esant silpnam apšvietimui didesnis SNR reiškia mažiau matomo triukšmo.
Jautrumas– Dažnai išreiškiama mV per liuksą·s (milivoltais per liuksą per sekundę) jutikliui.
Geras prasto apšvietimo kameros modulis gali veikti esant 0,1 liukso ar mažesniam dažniui, dažnai naudojant infraraudonųjų spindulių apšvietimą.
Pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos našumui esant prastam apšvietimui
1. Pikselių dydis (jutiklio dizainas)
Svarbiausias veiksnys yra kiekvieno CMOS kameros modulio jutiklio pikselio dydis. Didesni pikseliai užfiksuoja daugiau fotonų (šviesos dalelių) nei mažesni pikseliai. Pavyzdžiui, 2,9 µm (mikrometrų) pločio pikselis surenka maždaug keturis kartus daugiau šviesos nei 1,4 µm pikselis. Todėl esant tam tikrai skyrai, jutiklis su didesniais pikseliais veiks daug geriau esant silpnam apšvietimui.
Štai kodėl 2 MP mini kameros modulis su dideliais pikseliais gali sukurti švaresnius naktinius vaizdus nei 8 MP modulis su labai mažais pikseliais, nors 8 MP modulis turi didesnę skiriamąją gebą.
2. Back-Illuminated (BSI) technologija
Tradiciniai jutikliai turi laidus virš šviesai jautrios zonos, blokuojant šviesą. BSI jutikliai apverčia konstrukciją, pastatydami laidus už fotodiodų. Tai leidžia daugiau šviesos pasiekti pikselius, o jautrumas silpnam apšvietimui padidėja 30–50 %, palyginti su tokio paties pikselių dydžio ne BSI jutikliais. Beveik visi šiuolaikiniai cmos kamerų modulių jutikliai, skirti endoskopijai ar stebėjimui, naudoja BSI.
3. Objektyvo diafragma (f skaičius)
Objektyvas kontroliuoja, kiek šviesos patenka į fotoaparatą. Objektyvas su mažesniu f-skaičiumi (pvz., f/1,8) praleidžia daugiau šviesos nei objektyvas su didesniu f-skaičiumi (pvz., f/2,8). Automatinio fokusavimo kameros modulis dažnai turi vidutinę diafragmą (f/2,0-f/2,4), kuri subalansuoja šviesos kaupimąsi ir lauko gylį. Esant ypač silpnam apšvietimui, fiksuoto fokusavimo modulis su labai mažu f skaičiumi (f/1,4) yra idealus, tačiau jis turės mažesnį lauko gylį.
4. Jutiklių technologija (BSI, stacked, Global Shutter)
Iš galo apšviesti (BSI) ir sudėti CMOS jutikliai geriausiai tinka esant silpnam apšvietimui. Visuotinių užrakto jutiklių jautrumas paprastai yra šiek tiek mažesnis nei tokio paties pikselio dydžio riedėjimo jutiklių, tačiau jie yra pageidaujami, kai scenoje yra greitas judėjimas.
5. Triukšmo mažinimas ir vaizdo apdorojimas
Fotoaparato vaizdo procesorius (ISP) gali sumažinti erdvinį triukšmą (išlyginti esamą kadrą) ir laikiną triukšmo mažinimą (vidutiniškai kelis kadrus). Gerai sureguliuotas UVC kameros modulis gali sukurti švaresnį vaizdą šiek tiek prarandant smulkias detales. Kai kurie aukščiausios klasės moduliai taip pat naudoja kelių kadrų HDR metodus, kad pašviesintų šešėlius, neišsklaidydami šviesų.
6. Kadrų dažnis ir ekspozicijos laikas
Esant labai silpnam apšvietimui, fotoaparatas gali automatiškai sumažinti kadrų dažnį (pvz., nuo 30 kadrų per sekundę iki 15 kadrų per sekundę), kad ekspozicijos laikas būtų ilgesnis. Taip surenkama daugiau šviesos, bet vaizdo įrašas tampa ne toks sklandus. Raspberry pi kameros modulio v3 atveju galite rankiniu būdu sumažinti kadrų dažnį programinėje įrangoje (libcamera‑vid --framerate 15), kad pagerintumėte vaizdo kokybę esant prastam apšvietimui.
Kaip pagerinti fotoaparato modulio našumą esant prastam apšvietimui
Pasirinkite didesnį jutiklį (jei leidžia dydis)– 1/2,8 colio jutiklis su 2,9 µm pikseliais pranoks 1/4 colio jutiklį su 1,4 µm pikseliais.
Pasirinkite BSI jutiklį– Dauguma Sony IMX jutiklių (pvz., IMX290, IMX307) naudoja BSI.
Naudokite objektyvą su didesne diafragma– f/2,0 arba mažesnis, jei įmanoma.
Pridėkite infraraudonųjų spindulių (IR) apšvietimą– Kad būtų visiška tamsa, naudokite IR šviesos diodus (850 nm arba 940 nm) ir kamerą be IR filtro.
Sumažinkite kadrų dažnį– Lygumą pakeiskite ryškumu.
Naudokite laikiną triukšmo mažinimą– Kadrų vidurkis sumažina triukšmą, bet gali sukelti dubliavimą, jei scena juda.
Skirtingų tipų kameros modulių našumas esant prastam apšvietimui
Mini kameros modulis (endoskopijai)– Jie turi labai mažus jutiklius (nuo 1/9 colio iki 1/6 colio) ir mažyčius objektyvus. Jų veikimas esant prastam apšvietimui iš esmės ribotas. Norėdami tai kompensuoti, endoskopo kameros moduliai naudoja ryškius šviesos diodus, esančius labai arti objektyvo. Medicinos reikmėms šviesos srautas yra ribotas, kad būtų išvengta audinių įkaitimo, todėl fotoaparato jautrumas yra labai svarbus.
USB kameros modulis (UVC)– Daugelyje internetinių kamerų UVC kamerų modulių naudojami maži jutikliai, pasižymintys vidutiniu prasto apšvietimo gebėjimu. Tačiau profesionalūs UVC kamerų moduliai, skirti stebėjimui ar pramoninei apžiūrai, dažnai naudoja BSI jutiklius ir didesnius pikselius. Jie taip pat palaiko automatinį stiprinimo ir ekspozicijos reguliavimą.
OEM kameros modulis– Kurdami pasirinktinį OEM fotoaparato modulį, galite optimizuoti kiekvieną aspektą esant silpnam apšvietimui: pasirinkite BSI jutiklį su dideliais pikseliais, nurodykite stiklinį objektyvą su f/1,8 diafragma ir sureguliuokite IPT triukšmo mažinimą. Tai geriausias būdas pasiekti puikų našumą esant silpnam apšvietimui konkrečioje programoje.
Automatinio fokusavimo kameros modulis– Automatinis fokusavimas prideda judantį objektyvo elementą, kuris gali šiek tiek sumažinti maksimalią diafragmą. Tačiau daugelis automatinio fokusavimo modulių vis tiek pasiekia f/2.0-f/2.4, o tai tinka esant silpnam apšvietimui. Privalumas yra tas, kad taip pat galite sutelkti dėmesį į arti esančius objektus esant blankioms sąlygoms.
„Raspberry Pi“ fotoaparato modulis V3– Oficialioje Raspberry Pi kameroje naudojamas Sony IMX708 jutiklis (BSI, 1,4 µm pikselių 4:3 režimu). Jo našumas esant silpnam apšvietimui yra tinkamas vartotojų moduliui, bet ne toks geras kaip tam skirta prasto apšvietimo pramoninė kamera. Galite jį pagerinti sumažindami kadrų dažnį ir naudodami parinktį --nopreview, kad išvengtumėte procesoriaus papildomų išlaidų.
Praktinis pavyzdys
Tarkime, kad jums reikia mini kameros modulio nakties drono apžiūrai. Turite dvi parinktis:
A parinktis: 720p jutiklis su 2,2 µm pikseliais, BSI, f/2.0 objektyvas.
B parinktis: 1080p jutiklis su 1,4 µm pikseliais, ne BSI, f/2,8 objektyvas.
Pasirinkus A, naktinis vaizdas bus daug švaresnis, net jei skiriamoji geba yra mažesnė. Drono užduočiai atlikti nereikia 1080p – reikia aiškiai matyti objektą tamsoje. Todėl rinkitės modulį, pasižymintį geresniu našumu esant prastam apšvietimui.
Santrauka
Veikimas esant prastam apšvietimui lemia, kaip gerai fotoaparato modulis gali sukurti tinkamą vaizdą blankiomis arba tamsiomis sąlygomis. Tai priklauso nuo pikselių dydžio (didesnis, tuo geriau), BSI technologijos, objektyvo diafragmos, IPT triukšmo mažinimo ir kadrų dažnio. Renkantis kameros modulį – ar mini kameros modulį endoskopijai, USB kameros modulį saugumui, OEM kameros modulį pasirinktiniam įrenginiui, automatinio fokusavimo kameros modulį brūkšninio kodo skaitytuvui, UVC kameros modulį žiniatinklio kamerai, CMOS kameros modulį įterptajam regėjimui ar raspberry pi kameros modulį v3 – visada patikrinkite, ar prototipui naudojamas B dydžio jutiklis ir pixel. Esant labai silpnam apšvietimui, apsvarstykite galimybę pridėti IR apšvietimą ir sumažinti kadrų dažnį.
Jei jums reikia fotoaparato modulio, optimizuoto prastam apšvietimui, susisiekite su Sincere. Kuriame ir gaminame individualius OEM kamerų modulius su didelio jautrumo CMOS jutikliais, dideliais pikseliais ir greitais objektyvais, pritaikytais jūsų aplinkai.
