מה זה ביצועים נמוכים-באור?

כאשר אתה משתמש במודול מצלמה בחדר מואר אפלולי, תחת אור ירח או בתוך צינור כהה, התמונה הופכת לעתים קרובות מגורען, כהה או מטושטשת. היכולת של מצלמה לייצר תמונה שמישה וברורה בתנאים כאלה נקראתביצועים בתאורה נמוכה. זהו אחד המפרטים החשובים ביותר עבור יישומים רבים - ממודול מצלמה מיני באנדוסקופ רפואי ועד למודול מצלמת USB לאבטחת לילה. במאמר זה, אנו מסבירים מה המשמעות של ביצועים בתאורה נמוכה, אילו גורמים משפיעים עליהם וכיצד לבחור מודול מצלמה שמתפקד היטב בחושך.

מדוע חשובים ביצועים בתאורה נמוכה

מצלמה שנאבקת בתאורה חלשה תאלץ את החיישן להגביר את האות (הגברת הרווח), מה שגם מגביר רעש אלקטרוני אקראי. התוצאה היא תמונה רועשת, "מושלגת" עם פירוט מופחת. ביישומים קריטיים - כגון אנדוסקופ כירורגי, מערכת לראיית לילה לרכב או מצלמת חיות בר ליליות - ביצועים גרועים בתאורה נמוכה עלולים להוביל לאובחנות אבחנות, תאונות או אבדן נתונים.

אפילו עבור מודול מצלמת USB פשוט המשמש לבדיקת בית, יכולת טובה של תאורה נמוכה פירושה שאתה יכול לראות לפינות חשוכות מבלי להזדקק לאור חיצוני חזק.

כיצד נמדדים ביצועים בתאורה נמוכה?

אין מספר אוניברסלי יחיד, אבל יצרנים מציינים לעתים קרובות:

מינימום תאורה– רמת האור הנמוכה ביותר (בלוקס) שבה המצלמה יכולה להפיק תמונה שמישה. משרד מקורה טיפוסי הוא בערך 300-500 לוקס; אור הירח הוא בערך 0.1-0.3 לוקס.

יחס אות לרעש (SNR)- באור נמוך, SNR גבוה יותר פירושו פחות רעש גלוי.

רְגִישׁוּת– מתבטא לעתים קרובות ב-mV לכל lux·s (מיליוולט לוקס לשנייה) עבור החיישן.

מודול מצלמה טוב בתאורה נמוכה יכול לעבוד ב-0.1 לוקס ומטה, לרוב בעזרת תאורת אינפרא אדום.

גורמים מרכזיים המשפיעים על ביצועים בתאורה נמוכה

1. גודל פיקסל (עיצוב חיישנים)
הגורם הבסיסי ביותר הוא הגודל של כל פיקסל בחיישן מודול המצלמה של cmos. פיקסלים גדולים יותר לוכדים יותר פוטונים (חלקיקי אור) מאשר פיקסלים קטנים יותר. לדוגמה, פיקסל ברוחב 2.9 מיקרומטר (מיקרומטר) אוסף בערך פי ארבעה אור מאשר פיקסל של 1.4 מיקרומטר. לכן, עבור רזולוציה נתונה, חיישן עם פיקסלים גדולים יותר יתפקד הרבה יותר באור נמוך.

זו הסיבה שמודול מצלמה מיני 2 מגה פיקסל עם פיקסלים גדולים עשוי לייצר תמונות לילה נקיות יותר ממודול 8 מגה פיקסל עם פיקסלים קטנים מאוד, למרות שלמודול 8 מגה פיקסל יש רזולוציה גבוהה יותר.

2. טכנולוגיית תאורה אחורית (BSI).
לחיישנים מסורתיים יש חיווט מעל האזור הרגיש לאור, החוסם חלק מהאור. חיישני BSI הופכים את המבנה וממקמים את החיווט מאחורי הפוטודיודות. זה מאפשר ליותר אור להגיע לפיקסלים, ומשפר את הרגישות לאור נמוך ב-30-50% בהשוואה לחיישנים שאינם BSI באותו גודל פיקסל. כמעט כל חיישני מודול ה-CMOS המודרניים עבור אנדוסקופיה או מעקב משתמשים ב-BSI.

3. צמצם עדשה (מספר f)
העדשה שולטת בכמות האור שנכנסת למצלמה. עדשה עם מספר f נמוך יותר (למשל, f/1.8) מכניסה יותר אור מאשר עדשה עם מספר f גבוה יותר (למשל, f/2.8). למודול מצלמת פוקוס אוטומטי יש לעתים קרובות צמצם בינוני (f/2.0-f/2.4) שמאזן את איסוף האור ואת עומק השדה. עבור אור נמוך קיצוני, מודול מיקוד קבוע עם מספר f נמוך מאוד (f/1.4) הוא אידיאלי, אבל יהיה לו עומק שדה רדוד יותר.

4. טכנולוגיית חיישנים (BSI, Stacked, Global Shutter)
חיישני CMOS עם תאורה אחורית (BSI) וחיישני CMOS מוערמים הם הטובים ביותר עבור אור חלש. חיישני תריס גלובליים הם בדרך כלל בעלי רגישות מעט נמוכה יותר מחיישני תריס מתגלגל באותו גודל פיקסל, אך הם מועדפים כאשר הסצנה מכילה תנועה מהירה.

5. הפחתת רעש ועיבוד תמונה
מעבד התמונה (ISP) של המצלמה יכול להחיל הפחתת רעש מרחבית (החלקת המסגרת הנוכחית) והפחתת רעש זמני (בממוצע של מספר פריימים). מודול מצלמת UVC מכוון היטב יכול לייצר תמונה נקייה יותר במחיר של אובדן קל של פרטים עדינים. חלק מהמודולים המתקדמים משתמשים גם בטכניקות HDR מרובות מסגרות כדי להאיר צללים מבלי לפוצץ את ההדגשות.

6. קצב פריימים וזמן חשיפה
בתאורה נמוכה מאוד, המצלמה עשויה להפחית אוטומטית את קצב הפריימים (למשל, מ-30 פריימים לשנייה ל-15 פריימים לשנייה) כדי לאפשר זמן חשיפה ארוך יותר לכל פריים. זה אוסף יותר אור אבל הופך את הסרטון לפחות חלק. עבור מודול מצלמת raspberry pi v3, אתה יכול להפחית באופן ידני את קצב הפריימים בתוכנה (libcamera-vid --framerate 15) כדי לשפר את איכות התמונה באור נמוך.

כיצד לשפר ביצועים בתאורה נמוכה במודול המצלמה שלך

בחר חיישן גדול יותר (אם הגודל מאפשר)- חיישן בגודל 1/2.8 אינץ' עם פיקסלים של 2.9 מיקרומטר ישיג ביצועים טובים יותר לחיישן 1/4 אינץ' עם פיקסלים של 1.4 מיקרומטר.

בחר חיישן BSI- רוב חיישני IMX של Sony (למשל, IMX290, IMX307) משתמשים ב-BSI.

השתמש בעדשה עם צמצם גדול יותר– f/2.0 או נמוך יותר במידת האפשר.

הוסף תאורת אינפרא אדום (IR).- לחושך מוחלט, השתמש בנורות IR (850 ננומטר או 940 ננומטר) ובמצלמה ללא מסנן חיתוך IR.

הפחת את קצב הפריימים- סחר חלקות עבור בהירות.

השתמש בהפחתת רעש זמני- ממוצע פריימים מפחית רעש אך עלול לגרום לרוחות רפאים אם הסצנה זזה.

ביצועים בתאורה נמוכה בסוגי מודול מצלמה שונים

מודול מצלמה מיני (עבור אנדוסקופיה)- יש להם חיישנים קטנים מאוד (1/9 אינץ' עד 1/6 אינץ') ועדשות זעירות. הביצועים שלהם בתאורה נמוכה מוגבלים מטבעם. כדי לפצות, מודולי מצלמת אנדוסקופ משתמשים בנורות LED בהירות קרוב מאוד לעדשה. לשימוש רפואי, תפוקת האור מוגבלת כדי למנוע חימום רקמות, ולכן רגישות המצלמה היא קריטית.

מודול מצלמת USB (UVC)- מודולי מצלמות UVC רבים למצלמות אינטרנט משתמשים בחיישנים קטנים עם יכולת ממוצעת של אור נמוך. עם זאת, מודולי מצלמת UVC מקצועיים למעקב או בדיקה תעשייתית משתמשים לרוב בחיישני BSI ובפיקסלים גדולים יותר. הם גם תומכים בהתאמות אוטומטיות של רווח וחשיפה.

מודול מצלמה OEM- כאשר אתה מעצב מודול מצלמה OEM מותאם אישית, אתה יכול לייעל כל היבט עבור אור נמוך: בחר חיישן BSI עם פיקסלים גדולים, ציין עדשת זכוכית עם צמצם f/1.8, וכוונו את הפחתת הרעש של ספק שירותי האינטרנט. זוהי הדרך הטובה ביותר להשיג ביצועים מצוינים בתאורה נמוכה עבור יישום ספציפי.

מודול מצלמת פוקוס אוטומטי– פוקוס אוטומטי מוסיף אלמנט עדשה נע, שעשוי להקטין מעט את הצמצם המרבי. עם זאת, מודולי פוקוס אוטומטי רבים עדיין משיגים f/2.0‑f/2.4, וזה טוב עבור אור נמוך. היתרון הוא שניתן להתמקד גם באובייקטים קרובים בתנאים עמומים.

מודול מצלמה Raspberry Pi V3– מצלמת Raspberry Pi הרשמית משתמשת בחיישן Sony IMX708 (BSI, 1.4 מיקרומטר פיקסלים במצב 4:3). הביצועים שלה בתאורה נמוכה נאותים למודול צרכני, אבל לא טובים כמו מצלמה תעשייתית ייעודית באור נמוך. אתה יכול לשפר אותו על ידי הפחתת קצב הפריימים ושימוש באפשרות --nopreview כדי להימנע מתקורה של מעבד.

דוגמה מעשית

נניח שאתה צריך מודול מצלמה מיני לבדיקת מזל"ט בלילה. יש לך שתי אפשרויות:

אפשרות א': חיישן 720p עם פיקסלים של 2.2 מיקרומטר, עדשת BSI, f/2.0.

אפשרות ב': חיישן 1080p עם פיקסלים של 1.4 מיקרומטר, ללא BSI, עדשת f/2.8.

אפשרות א' תפיק תמונת לילה נקייה הרבה יותר, למרות שהרזולוציה נמוכה יותר. עבור משימת הרחפנים, אתה לא צריך 1080p - אתה צריך לראות את הנושא בבהירות בחושך. לכן, בחר במודול עם ביצועים טובים יותר בתאורה נמוכה.

תַקצִיר

ביצועים בתאורה נמוכה קובעים עד כמה מודול מצלמה יכול להפיק תמונה שמיש בתנאים עמומים או חשוכים. זה תלוי בגודל הפיקסלים (יותר טוב יותר), טכנולוגיית BSI, צמצם העדשה, הפחתת רעש של ISP וקצב פריימים. בבחירת מודול מצלמה - בין אם מודול מצלמה מיני לאנדוסקופיה, מודול מצלמת USB לאבטחה, מודול מצלמת OEM למכשיר מותאם אישית, מודול מצלמת פוקוס אוטומטי לסורק ברקוד, מודול מצלמת UVC למצלמת אינטרנט, מודול מצלמת cmos לראייה משובצת, או מודול מצלמת raspberry pi v3 עבור אב טיפוס - בדקו תמיד את גודל הפיקסלים של החיישן והאם הוא משתמש בגודל הפיקסלים של החיישן. בתאורה נמוכה מאוד, שקול להוסיף תאורת IR ולהפחית את קצב הפריימים.

אם אתה צריך מודול מצלמה מותאם ליישומים בתאורה נמוכה, צור קשר עם Sincere. אנו מתכננים ומייצרים מודולי מצלמה OEM מותאמים אישית עם חיישני CMOS בעלי רגישות גבוהה, פיקסלים גדולים ועדשות מהירות המותאמות לסביבה שלך.