Når du bruker en kameramodul i et svakt opplyst rom, under måneskinn eller inne i et mørkt rør, blir bildet ofte kornete, mørkt eller uskarpt. Et kameras evne til å produsere et brukbart, klart bilde under slike forhold kallesytelse i lite lys. Dette er en av de viktigste spesifikasjonene for mange bruksområder – fra en minikameramodul i et medisinsk endoskop til en USB-kameramodul for nattsikkerhet. I denne artikkelen forklarer vi hva ytelse i svakt lys betyr, hvilke faktorer som påvirker den, og hvordan du velger en kameramodul som fungerer godt i mørke.
Hvorfor lav-lys ytelse er viktig
Et kamera som sliter i dårlig lys vil tvinge sensoren til å forsterke signalet (øke gain), som også forsterker tilfeldig elektronisk støy. Resultatet er et støyende, "snøaktig" bilde med reduserte detaljer. I kritiske applikasjoner – for eksempel et kirurgisk endoskop, et nattsynssystem for biler eller et nattlig dyrelivskamera – kan dårlig ytelse i svakt lys føre til tapte diagnoser, ulykker eller tapte data.
Selv for en enkel USB-kameramodul som brukes til hjemmeinspeksjon, betyr gode evner for svakt lys at du kan se inn i mørke hjørner uten å trenge et kraftig eksternt lys.
Hvordan måles ytelse i lavt lys?
Det er ikke et enkelt universelt nummer, men produsenter spesifiserer ofte:
Minimum belysning– Det laveste lysnivået (i lux) der kameraet kan produsere et brukbart bilde. Et typisk innendørskontor er omtrent 300-500 lux; måneskinn er omtrent 0,1-0,3 lux.
Signal-til-støy-forhold (SNR)– Ved lite lys betyr høyere SNR mindre synlig støy.
Følsomhet– Ofte uttrykt i mV per lux·s (millivolt per lux per sekund) for sensoren.
En god kameramodul med lite lys kan fungere ved 0,1 lux eller lavere, ofte ved hjelp av infrarød belysning.
Nøkkelfaktorer som påvirker ytelse i svakt lys
1. Pikselstørrelse (sensordesign)
Den mest grunnleggende faktoren er størrelsen på hver piksel på cmos-kameramodulsensoren. Større piksler fanger opp flere fotoner (lyspartikler) enn mindre piksler. For eksempel samler en piksel som er 2,9 µm (mikrometer) bred omtrent fire ganger så mye lys som en 1,4 µm piksel. Derfor, for en gitt oppløsning, vil en sensor med større piksler yte mye bedre i dårlig lys.
Dette er grunnen til at en 2 MP minikameramodul med store piksler kan gi renere nattbilder enn en 8 MP-modul med veldig små piksler, selv om 8 MP-modulen har høyere oppløsning.
2. Bakbelyst (BSI) teknologi
Tradisjonelle sensorer har ledninger over det lysfølsomme området, og blokkerer noe lys. BSI-sensorer snur strukturen og plasserer ledningene bak fotodiodene. Dette gjør at mer lys når pikslene, og forbedrer følsomheten ved lavt lys med 30–50 % sammenlignet med ikke-BSI-sensorer med samme pikselstørrelse. Nesten alle moderne cmos-kameramodulsensorer for endoskopi eller overvåking bruker BSI.
3. Linseåpning (f-nummer)
Objektivet styrer hvor mye lys som kommer inn i kameraet. Et objektiv med et lavere f-tall (f.eks. f/1.8) slipper inn mer lys enn et med et høyere f-tall (f.eks. f/2.8). En kameramodul med autofokus har ofte en moderat blenderåpning (f/2.0-f/2.4) som balanserer lysinnsamling og dybdeskarphet. For ekstremt lite lys er en fastfokusmodul med et veldig lavt f-tall (f/1.4) ideell, men den vil ha en grunnere dybdeskarphet.
4. Sensorteknologi (BSI, stablet, global lukker)
Bakgrunnsbelyste (BSI) og stablede CMOS-sensorer er best for lite lys. Globale lukkersensorer har vanligvis litt lavere følsomhet enn rullende lukkersensorer med samme pikselstørrelse, men de foretrekkes når scenen inneholder rask bevegelse.
5. Støyreduksjon og bildebehandling
Kameraets bildeprosessor (ISP) kan bruke romlig støyreduksjon (utjevning av gjeldende bilde) og tidsmessig støyreduksjon (gjennomsnitt av flere bilder). En godt innstilt UVC-kameramodul kan produsere et renere bilde på bekostning av et lite tap av fine detaljer. Noen avanserte moduler bruker også multi-frame HDR-teknikker for å lysne opp skygger uten å blåse ut høylys.
6. Bildefrekvens og eksponeringstid
I svært lite lys kan kameraet automatisk redusere bildefrekvensen (f.eks. fra 30 fps til 15 fps) for å tillate lengre eksponeringstid per bilde. Dette samler mer lys, men gjør videoen mindre jevn. For en Raspberry Pi-kameramodul v3 kan du manuelt redusere bildefrekvensen i programvaren (libcamera-vid --framerate 15) for å forbedre bildekvaliteten i lite lys.
Slik forbedrer du ytelse i lite lys i kameramodulen
Velg en større sensor (hvis størrelsen tillater det)– En 1/2,8″-sensor med 2,9 µm piksler vil overgå en 1/4″-sensor med 1,4 µm piksler.
Velg en BSI-sensor– De fleste Sony IMX-sensorer (f.eks. IMX290, IMX307) bruker BSI.
Bruk et objektiv med større blenderåpning– f/2.0 eller lavere hvis mulig.
Legg til infrarød (IR) belysning– For totalt mørke, bruk IR-lysdioder (850 nm eller 940 nm) og et kamera uten et IR-kuttet filter.
Reduser bildefrekvensen– Bytt jevnhet mot lysstyrke.
Bruk tidsmessig støyreduksjon– Gjennomsnitt av bilder reduserer støy, men kan forårsake skyggebilder hvis scenen beveger seg.
Lite lysytelse i forskjellige kameramodultyper
Minikameramodul (for endoskopi)– Disse har veldig små sensorer (1/9″ til 1/6″) og bittesmå linser. Deres ytelse i svakt lys er iboende begrenset. For å kompensere bruker endoskopkameramoduler skarpe lysdioder svært nær linsen. For medisinsk bruk er lyseffekten begrenset for å unngå vevsoppvarming, så kamerafølsomheten er kritisk.
USB-kameramodul (UVC)– Mange UVC-kameramoduler for webkameraer bruker små sensorer med gjennomsnittlig evne til svakt lys. Imidlertid bruker profesjonelle UVC-kameramoduler for overvåking eller industriell inspeksjon ofte BSI-sensorer og større piksler. De støtter også automatisk forsterkning og eksponeringsjusteringer.
OEM kameramodul– Når du designer en tilpasset OEM-kameramodul, kan du optimalisere alle aspekter for lite lys: velg en BSI-sensor med store piksler, spesifiser et glassobjektiv med f/1.8 blenderåpning, og juster Internett-leverandørens støyreduksjon. Dette er den beste måten å oppnå utmerket ytelse i lite lys for en spesifikk applikasjon.
Autofokus kameramodul– Autofokus legger til et bevegelig linseelement, som kan redusere maksimal blenderåpning litt. Imidlertid oppnår mange autofokusmoduler fortsatt f/2.0-f/2.4, noe som er bra for lite lys. Fordelen er at du også kan fokusere på nærliggende objekter i mørke forhold.
Raspberry Pi kameramodul V3– Det offisielle Raspberry Pi-kameraet bruker en Sony IMX708-sensor (BSI, 1,4 µm piksler i 4:3-modus). Ytelsen i svakt lys er anstendig for en forbrukermodul, men ikke like god som et dedikert industrikamera med lite lys. Du kan forbedre den ved å redusere bildefrekvensen og bruke --nopreview-alternativet for å unngå CPU-overhead.
Praktisk eksempel
Anta at du trenger en minikameramodul for en drone-inspeksjon om natten. Du har to alternativer:
Alternativ A: 720p-sensor med 2,2 µm piksler, BSI, f/2.0-objektiv.
Alternativ B: 1080p-sensor med 1,4 µm piksler, ikke-BSI, f/2,8-objektiv.
Alternativ A vil gi et mye renere nattbilde, selv om oppløsningen er lavere. For droneoppgaven trenger du ikke 1080p – du må se motivet tydelig i mørket. Velg derfor modulen med bedre ytelse i svakt lys.
Sammendrag
Ytelse i svakt lys avgjør hvor godt en kameramodul kan produsere et brukbart bilde i mørke eller mørke forhold. Det avhenger av pikselstørrelse (større er bedre), BSI-teknologi, blenderåpning, ISP-støyreduksjon og bildefrekvens. Når du velger en kameramodul – enten det er en minikameramodul for endoskopi, en USB-kameramodul for sikkerhet, en OEM-kameramodul for en tilpasset enhet, en autofokuskameramodul for en strekkodeskanner, en UVC-kameramodul for et webkamera, en cmos-kameramodul for innebygd syn, eller en raspberry pi-kameramodul v3 for en prototype – sjekk alltid sensorens pikselstørrelse og om den bruker BSI. Ved svært lite lys bør du vurdere å legge til IR-belysning og redusere bildefrekvensen.
Hvis du trenger en kameramodul optimalisert for applikasjoner med lite lys, kontakt Sincere. Vi designer og produserer tilpassede OEM-kameramoduler med høyfølsomme CMOS-sensorer, store piksler og raske objektiver skreddersydd for miljøet ditt.
