عملکرد کم-نور چیست؟

وقتی از ماژول دوربین در اتاقی با نور کم، زیر نور مهتاب یا داخل لوله تاریک استفاده می‌کنید، تصویر اغلب دانه‌دار، تیره یا تار می‌شود. توانایی دوربین برای تولید یک تصویر قابل استفاده و واضح در چنین شرایطی نامیده می شودعملکرد در نور کم. این یکی از مهم ترین مشخصات برای بسیاری از برنامه ها است - از ماژول دوربین مینی در یک آندوسکوپ پزشکی گرفته تا ماژول دوربین USB برای امنیت شبانه. در این مقاله توضیح می‌دهیم که عملکرد در نور کم به چه معناست، چه عواملی بر آن تأثیر می‌گذارند و چگونه می‌توان یک ماژول دوربینی را انتخاب کرد که در تاریکی عملکرد خوبی داشته باشد.

چرا عملکرد در نور کم اهمیت دارد؟

دوربینی که در نور کم مشکل دارد، سنسور را مجبور می‌کند سیگنال را تقویت کند (افزایش بهره)، که نویز الکترونیکی تصادفی را نیز تقویت می‌کند. نتیجه یک تصویر پر سر و صدا و "برفی" با جزئیات کاهش یافته است. در کاربردهای حیاتی - مانند آندوسکوپ جراحی، سیستم دید در شب خودرو، یا دوربین حیات وحش شبانه - عملکرد ضعیف در نور کم می‌تواند منجر به تشخیص از دست رفته، تصادف یا از دست رفتن داده شود.

حتی برای یک ماژول دوربین USB ساده که برای بازرسی خانه استفاده می‌شود، توانایی خوب در نور کم به این معنی است که می‌توانید گوشه‌های تاریک را بدون نیاز به نور خارجی قدرتمند ببینید.

عملکرد در نور کم چگونه اندازه گیری می شود؟

هیچ شماره جهانی واحدی وجود ندارد، اما سازندگان اغلب مشخص می کنند:

حداقل روشنایی– کمترین سطح نور (در لوکس) که دوربین می تواند تصویر قابل استفاده تولید کند. یک دفتر معمولی داخلی حدود 300-500 لوکس است. نور ماه حدود 0.1-0.3 لوکس است.

نسبت سیگنال به نویز (SNR)- در نور کم، SNR بالاتر به معنای نویز کمتر قابل مشاهده است.

حساسیت- اغلب بر حسب میلی ولت بر لوکس در ثانیه (میلی ولت بر لوکس در ثانیه) برای سنسور بیان می شود.

یک ماژول دوربین خوب در نور کم می‌تواند با 0.1 لوکس یا کمتر کار کند، اغلب با کمک نور مادون قرمز.

عوامل کلیدی موثر بر عملکرد در نور کم

1. اندازه پیکسل (طراحی حسگر)
اساسی ترین عامل اندازه هر پیکسل در سنسور ماژول دوربین cmos است. پیکسل های بزرگتر نسبت به پیکسل های کوچکتر فوتون های بیشتری (ذرات نور) می گیرند. به عنوان مثال، یک پیکسل با عرض 2.9 میکرومتر (میکرو متر) حدود چهار برابر بیشتر از یک پیکسل 1.4 میکرومتر نور جمع آوری می کند. بنابراین، برای یک وضوح معین، یک سنسور با پیکسل های بزرگتر در نور کم بسیار بهتر عمل می کند.

به همین دلیل است که یک ماژول دوربین مینی 2 مگاپیکسلی با پیکسل های بزرگ ممکن است تصاویر شب تمیزتری نسبت به یک ماژول 8 مگاپیکسلی با پیکسل های بسیار کوچک تولید کند، حتی اگر ماژول 8 مگاپیکسلی وضوح بالاتری داشته باشد.

2. تکنولوژی Back-Illuminated (BSI).
سنسورهای سنتی بالای ناحیه حساس به نور سیم کشی دارند که مقداری نور را مسدود می کند. حسگرهای BSI ساختار را برگردانده و سیم‌کشی را پشت فتودیودها قرار می‌دهند. این اجازه می دهد تا نور بیشتری به پیکسل ها برسد و حساسیت به نور کم را 30 تا 50 درصد در مقایسه با سنسورهای غیرBSI با همان اندازه پیکسل بهبود می بخشد. تقریباً تمام سنسورهای ماژول دوربین CMOS مدرن برای آندوسکوپی یا نظارت از BSI استفاده می کنند.

3. دیافراگم لنز (عدد f)
لنز میزان نور وارد شده به دوربین را کنترل می کند. عدسی با عدد f کمتر (مثلاً f/1.8) نور بیشتری نسبت به لنز با عدد f بالاتر (مثلاً f/2.8) وارد می‌کند. ماژول دوربین فوکوس خودکار اغلب دارای دیافراگم متوسط ​​(f/2.0‑f/2.4) است که جمع آوری نور و عمق میدان را متعادل می کند. برای نور بسیار کم، یک ماژول با فوکوس ثابت با عدد f بسیار کم (f/1.4) ایده آل است، اما عمق میدان کمتری خواهد داشت.

4. فناوری حسگر (BSI، Stacked، Global Shutter)
سنسورهای دارای نور پشت (BSI) و CMOS روی هم برای نور کم بهترین هستند. سنسورهای شاتر سراسری معمولاً کمی حساسیت کمتری نسبت به سنسورهای شاتر غلتکی با همان اندازه پیکسل دارند، اما زمانی که صحنه دارای حرکت سریع باشد ترجیح داده می شود.

5. کاهش نویز و پردازش تصویر
پردازشگر تصویر دوربین (ISP) می تواند کاهش نویز مکانی (صاف کردن فریم فعلی) و کاهش نویز زمانی (به طور متوسط ​​چندین فریم) را اعمال کند. یک ماژول دوربین UVC که به خوبی تنظیم شده است، می تواند تصویر تمیزتری را به قیمت از دست دادن جزییات جزئی ایجاد کند. برخی از ماژول‌های سطح بالا نیز از تکنیک‌های HDR چند فریمی برای روشن کردن سایه‌ها بدون از بین بردن هایلایت استفاده می‌کنند.

6. نرخ فریم و زمان نوردهی
در نور بسیار کم، دوربین ممکن است به طور خودکار نرخ فریم را کاهش دهد (مثلاً از 30 فریم در ثانیه به 15 فریم در ثانیه) تا زمان نوردهی طولانی تری در هر فریم داشته باشد. این کار نور بیشتری را جمع‌آوری می‌کند اما ویدیو را روان‌تر می‌کند. برای ماژول دوربین Raspberry Pi نسخه 3، می‌توانید به صورت دستی نرخ فریم را در نرم‌افزار کاهش دهید (libcamera‑vid --framerate 15) تا کیفیت تصویر در نور کم را بهبود بخشد.

نحوه بهبود عملکرد در نور کم در ماژول دوربین

یک سنسور بزرگتر انتخاب کنید (اگر اندازه اجازه می دهد)- یک سنسور 1/2.8 اینچی با پیکسل های 2.9 میکرومتر از سنسور 1/4 اینچی با پیکسل های 1.4 میکرومتر بهتر عمل می کند.

سنسور BSI را انتخاب کنید– اکثر سنسورهای سونی IMX (مانند IMX290، IMX307) از BSI استفاده می کنند.

از لنز با دیافراگم بزرگتر استفاده کنید- در صورت امکان f/2.0 یا کمتر.

نور مادون قرمز (IR) را اضافه کنید– برای تاریکی کامل، از LED های IR (850 نانومتر یا 940 نانومتر) و دوربین بدون فیلتر IR-cut استفاده کنید.

نرخ فریم را کاهش دهید- صافی را با روشنایی معامله کنید.

از کاهش موقت نویز استفاده کنید- میانگین فریم ها نویز را کاهش می دهد اما در صورت حرکت صحنه ممکن است باعث ایجاد شبح شود.

عملکرد در نور کم در انواع مختلف ماژول دوربین

ماژول دوربین کوچک (برای آندوسکوپی)- اینها دارای سنسورهای بسیار کوچک (1/9 اینچ تا 1/6 اینچ) و لنزهای کوچک هستند. عملکرد آنها در نور کم ذاتاً محدود است. برای جبران، ماژول های دوربین آندوسکوپ از LED های روشن بسیار نزدیک به لنز استفاده می کنند. برای استفاده پزشکی، خروجی نور برای جلوگیری از گرم شدن بافت محدود است، بنابراین حساسیت دوربین بسیار مهم است.

ماژول دوربین USB (UVC)– بسیاری از ماژول‌های دوربین UVC برای وب‌کم‌ها از حسگرهای کوچک با توانایی متوسط ​​در نور کم استفاده می‌کنند. با این حال، ماژول های دوربین UVC حرفه ای برای نظارت یا بازرسی صنعتی اغلب از سنسورهای BSI و پیکسل های بزرگتر استفاده می کنند. آنها همچنین از تنظیم افزایش خودکار و نوردهی پشتیبانی می کنند.

ماژول دوربین OEM– وقتی یک ماژول دوربین OEM سفارشی طراحی می‌کنید، می‌توانید همه جنبه‌ها را برای نور کم بهینه کنید: یک حسگر BSI با پیکسل‌های بزرگ انتخاب کنید، یک لنز شیشه‌ای با دیافراگم f/1.8 مشخص کنید و کاهش نویز ISP را تنظیم کنید. این بهترین راه برای دستیابی به عملکرد عالی در نور کم برای یک برنامه خاص است.

ماژول دوربین فوکوس خودکار– فوکوس خودکار یک عنصر لنز متحرک اضافه می کند که ممکن است حداکثر دیافراگم را اندکی کاهش دهد. با این حال، بسیاری از ماژول‌های فوکوس خودکار هنوز به f/2.0-f/2.4 می‌رسند که برای نور کم خوب است. مزیت این است که می توانید در شرایط کم نور نیز روی اجسام نزدیک فوکوس کنید.

ماژول دوربین Raspberry Pi V3– دوربین رسمی Raspberry Pi از سنسور Sony IMX708 (BSI، پیکسل‌های 1.4 میکرومتری در حالت 4:3) استفاده می‌کند. عملکرد آن در نور کم برای یک ماژول مصرف کننده مناسب است، اما به خوبی یک دوربین اختصاصی صنعتی در نور کم نیست. می توانید با کاهش نرخ فریم و استفاده از گزینه --nopreview آن را بهبود بخشید تا از سربار CPU جلوگیری کنید.

مثال عملی

فرض کنید برای بازرسی پهپاد در شب به یک ماژول دوربین مینی نیاز دارید. شما دو گزینه دارید:

گزینه A: سنسور 720p با پیکسل 2.2 میکرومتر، BSI، لنز f/2.0.

گزینه B: سنسور 1080p با پیکسل‌های 1.4 میکرومتری، لنز بدون BSI، f/2.8.

گزینه A یک تصویر شب بسیار تمیزتر ایجاد می کند، حتی اگر وضوح کمتری داشته باشد. برای کار با پهپاد، نیازی به 1080p ندارید - باید سوژه را به وضوح در تاریکی ببینید. بنابراین، ماژول با عملکرد بهتر در نور کم را انتخاب کنید.

خلاصه

عملکرد در نور کم تعیین می‌کند که یک ماژول دوربین چقدر می‌تواند تصویر قابل استفاده در شرایط تاریک یا تاریک تولید کند. این به اندازه پیکسل (بزرگتر بهتر)، فناوری BSI، دیافراگم لنز، کاهش نویز ISP و نرخ فریم بستگی دارد. هنگام انتخاب یک ماژول دوربین – خواه یک ماژول دوربین مینی برای آندوسکوپی، یک ماژول دوربین USB برای امنیت، یک ماژول دوربین OEM برای یک دستگاه سفارشی، یک ماژول دوربین فوکوس خودکار برای یک اسکنر بارکد، یک ماژول دوربین UVC برای یک وب کم، یک ماژول دوربین CMOS برای دید تعبیه شده، یا یک ماژول دوربین Raspberry pi v3 همیشه برای نمونه اولیه از پیکسل و اندازه سنسور BSI استفاده می کند. در نور بسیار کم، اضافه کردن نور IR و کاهش نرخ فریم را در نظر بگیرید.

اگر به یک ماژول دوربین بهینه شده برای برنامه های کاربردی در نور کم نیاز دارید، با Sincere تماس بگیرید. ما ماژول‌های دوربین OEM سفارشی را با حسگرهای CMOS با حساسیت بالا، پیکسل‌های بزرگ و لنزهای سریع متناسب با محیط شما طراحی و تولید می‌کنیم.