Loş bir odada, ay ışığı altında veya karanlık bir borunun içinde bir kamera modülü kullandığınızda görüntü genellikle grenli, karanlık veya bulanık olur. Bir kameranın bu gibi durumlarda kullanılabilir, net bir görüntü üretebilme yeteneğine ne ad verilir?düşük ışık performansı. Bu, tıbbi endoskoptaki mini kamera modülünden gece güvenliği için USB Kamera Modülüne kadar pek çok uygulamanın en önemli özelliklerinden biridir. Bu yazımızda düşük ışık performansının ne anlama geldiğini, bunu hangi faktörlerin etkilediğini ve karanlıkta iyi performans gösteren bir kamera modülünün nasıl seçileceğini açıklıyoruz.
Düşük Işık Performansı Neden Önemlidir?
Düşük ışıkta zorlanan bir kamera, sensörü sinyali yükseltmeye zorlar (kazancı artırır), bu da rastgele elektronik gürültüyü artırır. Sonuç, azaltılmış ayrıntıya sahip, gürültülü, "karlı" bir görüntüdür. Cerrahi endoskop, otomotiv gece görüş sistemi veya gece yaban hayatı kamerası gibi kritik uygulamalarda zayıf düşük ışık performansı, teşhislerin atlanmasına, kazalara veya veri kaybına neden olabilir.
Evde inceleme için kullanılan basit bir USB Kamera Modülü için bile, iyi düşük ışık yeteneği, güçlü bir harici ışığa ihtiyaç duymadan karanlık köşelerin içini görebileceğiniz anlamına gelir.
Düşük Işık Performansı Nasıl Ölçülür?
Tek bir evrensel sayı yoktur, ancak üreticiler sıklıkla şunları belirtir:
Minimum aydınlatma– Kameranın kullanılabilir bir görüntü üretebileceği en düşük ışık düzeyi (lüks cinsinden). Tipik bir kapalı ofis yaklaşık 300‑500 lükstür; ay ışığı yaklaşık 0,1‑0,3 lükstür.
Sinyal-gürültü oranı (SNR)– Düşük ışıkta daha yüksek SNR, daha az görünür gürültü anlamına gelir.
Hassasiyet– Sensör için genellikle mV/lux·s (milivolt/saniye) cinsinden ifade edilir.
İyi bir düşük ışıklı kamera modülü, genellikle kızılötesi aydınlatmanın yardımıyla 0,1 lüks veya daha düşük ışıkta çalışabilir.
Düşük Işık Performansını Etkileyen Temel Faktörler
1. Piksel Boyutu (Sensör Tasarımı)
En temel faktör cmos kamera modülü sensöründeki her pikselin boyutudur. Daha büyük pikseller, daha küçük piksellere göre daha fazla foton (hafif parçacık) yakalar. Örneğin, 2,9 µm (mikrometre) genişliğindeki bir piksel, 1,4 µm'lik bir piksele göre yaklaşık dört kat daha fazla ışık toplar. Bu nedenle, belirli bir çözünürlük için daha büyük piksellere sahip bir sensör, düşük ışıkta çok daha iyi performans gösterecektir.
Bu nedenle büyük piksellere sahip 2 MP'lik bir mini kamera modülü, 8 MP'lik modülün çözünürlüğü daha yüksek olmasına rağmen çok küçük piksellere sahip 8 MP'lik bir modüle göre daha temiz gece görüntüleri üretebilir.
2. Arkadan Aydınlatmalı (BSI) Teknolojisi
Geleneksel sensörlerde ışığa duyarlı alanın üzerinde, ışığın bir kısmını engelleyen kablolar bulunur. BSI sensörleri yapıyı çevirerek kabloları fotodiyotların arkasına yerleştirir. Bu, piksellere daha fazla ışığın ulaşmasını sağlar ve aynı piksel boyutuna sahip BSI olmayan sensörlere kıyasla düşük ışık hassasiyetini %30-50 artırır. Endoskopi veya gözetim için neredeyse tüm modern cmos kamera modülü sensörleri BSI'yi kullanır.
3. Lens Açıklığı (f-sayısı)
Lens kameraya ne kadar ışık gireceğini kontrol eder. Daha düşük f sayısına sahip bir lens (örneğin, f/1,8), daha yüksek f sayısına (örneğin, f/2,8) sahip olandan daha fazla ışığın içeri girmesine izin verir. Otomatik odaklı bir kamera modülünde genellikle ışık toplama ile alan derinliğini dengeleyen orta düzeyde bir diyafram açıklığı (f/2,0‑f/2,4) bulunur. Aşırı düşük ışık için, çok düşük f sayısına (f/1,4) sahip sabit odaklı bir modül idealdir ancak daha sığ bir alan derinliğine sahip olacaktır.
4. Sensör Teknolojisi (BSI, Stacked, Global Shutter)
Arkadan aydınlatmalı (BSI) ve yığılmış CMOS sensörler, düşük ışık için en iyisidir. Küresel deklanşör sensörleri genellikle aynı piksel boyutundaki döner deklanşör sensörlerinden biraz daha düşük hassasiyete sahiptir ancak sahne hızlı hareket içerdiğinde tercih edilirler.
5. Gürültü Azaltma ve Görüntü İşleme
Kameranın görüntü işlemcisi (ISP), uzamsal gürültü azaltma (geçerli kareyi yumuşatma) ve zamansal gürültü azaltma (birkaç karenin ortalamasını alma) uygulayabilir. İyi ayarlanmış bir UVC kamera modülü, ince ayrıntılarda hafif bir kayıp pahasına daha temiz bir görüntü üretebilir. Bazı üst düzey modüller, parlak noktaları bozmadan gölgeleri aydınlatmak için çok çerçeveli HDR tekniklerini de kullanır.
6. Kare Hızı ve Pozlama Süresi
Çok düşük ışıkta, kamera kare başına daha uzun pozlama süresi sağlamak için kare hızını otomatik olarak azaltabilir (örn. 30 fps'den 15 fps'ye). Bu, daha fazla ışık toplar ancak videonun daha az düzgün olmasına neden olur. Raspberry pi kamera modülü v3 için, düşük ışıkta görüntü kalitesini iyileştirmek amacıyla yazılımdaki (libcamera-vid --framerate 15) kare hızını manuel olarak azaltabilirsiniz.
Kamera Modülünüzde Düşük Işık Performansını Nasıl Artırırsınız?
Daha büyük bir sensör seçin (boyut izin veriyorsa)– 2,9 µm pikselli 1/2,8″ sensör, 1,4 µm pikselli 1/4″ sensörden daha iyi performans gösterecektir.
Bir BSI sensörü seçin– Çoğu Sony IMX sensörü (örn. IMX290, IMX307) BSI kullanır.
Daha geniş diyafram açıklığına sahip bir lens kullanın– mümkünse f/2,0 veya daha düşük.
Kızılötesi (IR) aydınlatma ekleyin– Tamamen karanlık için IR LED'leri (850 nm veya 940 nm) ve IR kesme filtresi olmayan bir kamera kullanın.
Kare hızını azaltın– Pürüzsüzlüğü parlaklıkla değiştirin.
Geçici gürültü azaltmayı kullan– Ortalama kareler gürültüyü azaltır ancak sahne hareket ederse gölgelenmeye neden olabilir.
Farklı Kamera Modülü Tiplerinde Düşük Işık Performansı
Mini Kamera Modülü (endoskopi için)– Bunlar çok küçük sensörlere (1/9″ ila 1/6″) ve küçük lenslere sahiptir. Düşük ışık performansları doğası gereği sınırlıdır. Bunu telafi etmek için endoskop kamera modülleri lense çok yakın parlak LED'ler kullanır. Tıbbi kullanımda, doku ısınmasını önlemek için ışık çıkışı sınırlıdır, dolayısıyla kamera hassasiyeti kritik öneme sahiptir.
USB Kamera Modülü (UVC)– Web kameralarına yönelik birçok UVC kamera modülü, ortalama düşük ışık özelliğine sahip küçük sensörler kullanır. Ancak gözetim veya endüstriyel denetime yönelik profesyonel UVC kamera modülleri genellikle BSI sensörlerini ve daha büyük pikselleri kullanır. Ayrıca otomatik kazanç ve pozlama ayarlarını da desteklerler.
OEM Kamera Modülü– Özel bir OEM kamera modülü tasarladığınızda, düşük ışık için her yönü optimize edebilirsiniz: büyük piksellere sahip bir BSI sensörü seçin, f/1,8 diyafram açıklığına sahip bir cam lens belirtin ve ISP'nin gürültü azaltma özelliğini ayarlayın. Bu, belirli bir uygulama için mükemmel düşük ışık performansı elde etmenin en iyi yoludur.
Otomatik Odaklama Kamera Modülü– Otomatik odaklama, maksimum diyafram açıklığını biraz azaltabilecek hareketli bir mercek öğesi ekler. Ancak birçok otomatik odaklama modülü hâlâ f/2,0‑f/2,4 değerine ulaşıyor; bu da düşük ışık için iyi bir değer. Avantajı, loş koşullarda yakın nesnelere de odaklanabilmenizdir.
Raspberry Pi Kamera Modülü V3– Resmi Raspberry Pi kamera, bir Sony IMX708 sensörü kullanır (BSI, 4:3 modunda 1,4 µm piksel). Düşük ışık performansı bir tüketici modülü için yeterli ancak özel bir düşük ışıklı endüstriyel kamera kadar iyi değil. CPU yükünü önlemek için kare hızını düşürerek ve --nopreview seçeneğini kullanarak bunu iyileştirebilirsiniz.
Pratik Örnek
Gece drone incelemesi için mini bir kamera modülüne ihtiyacınız olduğunu varsayalım. İki seçeneğiniz var:
Seçenek A: 2,2 µm pikselli, BSI, f/2,0 lensli 720p sensör.
Seçenek B: 1,4 µm pikselli, BSI olmayan, f/2,8 lensli 1080p sensör.
Seçenek A, çözünürlük daha düşük olsa bile çok daha temiz bir gece görüntüsü üretecektir. Drone görevi için 1080p'ye ihtiyacınız yok; konuyu karanlıkta net bir şekilde görmeniz gerekiyor. Bu nedenle düşük ışık performansı daha iyi olan modülü seçin.
Özet
Düşük ışık performansı, bir kamera modülünün loş veya karanlık koşullarda kullanılabilir bir görüntüyü ne kadar iyi üretebileceğini belirler. Piksel boyutuna (daha büyük, daha iyi), BSI teknolojisine, lens açıklığına, ISP gürültü azaltma ve kare hızına bağlıdır. Bir kamera modülü seçerken (endoskopi için mini kamera modülü, güvenlik için USB Kamera Modülü, özel bir cihaz için OEM kamera modülü, barkod tarayıcı için otomatik odaklı kamera modülü, web kamerası için UVC kamera modülü, gömülü görüş için cmos kamera modülü veya prototip için raspberry pi kamera modülü v3) her zaman sensörün piksel boyutunu ve BSI kullanıp kullanmadığını kontrol edin. Çok düşük ışıkta IR aydınlatma eklemeyi ve kare hızını azaltmayı düşünün.
Düşük ışıklı uygulamalar için optimize edilmiş bir kamera modülüne ihtiyacınız varsa Believe ile iletişime geçin. Yüksek hassasiyetli CMOS sensörlere, büyük piksellere ve ortamınıza uygun hızlı lenslere sahip özel OEM kamera modülleri tasarlıyor ve üretiyoruz.
