Quando si utilizza un modulo fotocamera in una stanza scarsamente illuminata, al chiaro di luna o all'interno di un tubo buio, l'immagine spesso diventa sgranata, scura o sfocata. Viene chiamata la capacità di una fotocamera di produrre un'immagine chiara e utilizzabile in tali condizioniprestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Questa è una delle specifiche più importanti per molte applicazioni: da un modulo mini telecamera in un endoscopio medico a un modulo telecamera USB per la sicurezza notturna. In questo articolo spieghiamo cosa significano prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione, quali fattori le influenzano e come scegliere un modulo fotocamera che funzioni bene al buio.
Perché le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione sono importanti
Una fotocamera che fatica in condizioni di scarsa illuminazione costringerà il sensore ad amplificare il segnale (aumento del guadagno), che amplifica anche il rumore elettronico casuale. Il risultato è un'immagine rumorosa, "innevata" con dettagli ridotti. Nelle applicazioni critiche, come un endoscopio chirurgico, un sistema di visione notturna per autoveicoli o una telecamera per la fauna selvatica notturna, le scarse prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione possono portare a diagnosi mancate, incidenti o perdita di dati.
Anche per un semplice modulo fotocamera USB utilizzato per l'ispezione domestica, una buona capacità di scarsa illuminazione significa che puoi vedere negli angoli bui senza bisogno di una potente luce esterna.
Come vengono misurate le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione?
Non esiste un numero unico universale, ma i produttori spesso specificano:
Illuminazione minima– Il livello di luce più basso (in lux) al quale la fotocamera può produrre un'immagine utilizzabile. Un tipico ufficio interno è di circa 300‑500 lux; la luce lunare è di circa 0,1‑0,3 lux.
Rapporto segnale-rumore (SNR)– In condizioni di scarsa illuminazione, un SNR più elevato significa rumore meno visibile.
Sensibilità– Spesso espresso in mV per lux·s (millivolt per lux al secondo) per il sensore.
Un buon modulo telecamera in condizioni di scarsa illuminazione può funzionare a 0,1 lux o meno, spesso con l'aiuto dell'illuminazione a infrarossi.
Fattori chiave che influiscono sulle prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione
1. Dimensione pixel (progettazione del sensore)
Il fattore fondamentale è la dimensione di ciascun pixel sul sensore del modulo fotocamera cmos. I pixel più grandi catturano più fotoni (particelle di luce) rispetto ai pixel più piccoli. Ad esempio, un pixel largo 2,9 µm (micrometri) raccoglie circa quattro volte più luce di un pixel da 1,4 µm. Pertanto, per una data risoluzione, un sensore con pixel più grandi funzionerà molto meglio in condizioni di scarsa illuminazione.
Questo è il motivo per cui un modulo mini fotocamera da 2 MP con pixel grandi può produrre immagini notturne più pulite rispetto a un modulo da 8 MP con pixel molto piccoli, anche se il modulo da 8 MP ha una risoluzione maggiore.
2. Tecnologia retroilluminata (BSI).
I sensori tradizionali hanno un cablaggio sopra l'area sensibile alla luce, bloccando parte della luce. I sensori BSI ribaltano la struttura, posizionando il cablaggio dietro i fotodiodi. Ciò consente a più luce di raggiungere i pixel, migliorando la sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione del 30‑50% rispetto ai sensori non BSI con la stessa dimensione di pixel. Quasi tutti i moderni sensori del modulo fotocamera CMOS per endoscopia o sorveglianza utilizzano BSI.
3. Apertura dell'obiettivo (numero f)
L'obiettivo controlla la quantità di luce che entra nella fotocamera. Un obiettivo con un numero F più basso (ad esempio, f/1,8) lascia entrare più luce di uno con un numero F più alto (ad esempio, f/2,8). Un modulo fotocamera con messa a fuoco automatica ha spesso un'apertura moderata (f/2.0‑f/2.4) che bilancia la raccolta della luce e la profondità di campo. Per condizioni di scarsa illuminazione, un modulo a fuoco fisso con un numero f molto basso (f/1,4) è l'ideale, ma avrà una profondità di campo inferiore.
4. Tecnologia dei sensori (BSI, Stacked, Global Shutter)
I sensori CMOS retroilluminati (BSI) e stacked sono ideali in condizioni di scarsa illuminazione. I sensori Global Shutter hanno in genere una sensibilità leggermente inferiore rispetto ai sensori Rolling Shutter della stessa dimensione di pixel, ma sono preferiti quando la scena contiene movimento rapido.
5. Riduzione del rumore ed elaborazione delle immagini
Il processore di immagini della fotocamera (ISP) può applicare la riduzione del rumore spaziale (uniformando il fotogramma corrente) e la riduzione del rumore temporale (mediando diversi fotogrammi). Un modulo fotocamera UVC ben calibrato può produrre un'immagine più pulita al prezzo di una leggera perdita di dettagli. Alcuni moduli di fascia alta utilizzano anche tecniche HDR multi-frame per schiarire le ombre senza sovrastare le luci.
6. Frequenza fotogrammi e tempo di esposizione
In condizioni di luce molto scarsa, la fotocamera può ridurre automaticamente la frequenza dei fotogrammi (ad esempio, da 30 fps a 15 fps) per consentire un tempo di esposizione per fotogramma più lungo. Questo raccoglie più luce ma rende il video meno fluido. Per un modulo fotocamera Raspberry Pi v3, puoi ridurre manualmente la frequenza dei fotogrammi nel software (libcamera‑vid --framerate 15) per migliorare la qualità dell'immagine in condizioni di scarsa illuminazione.
Come migliorare le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione del modulo fotocamera
Scegli un sensore più grande (se le dimensioni lo consentono)– Un sensore da 1/2,8″ con pixel da 2,9 µm supererà le prestazioni di un sensore da 1/4″ con pixel da 1,4 µm.
Seleziona un sensore BSI– La maggior parte dei sensori Sony IMX (ad esempio IMX290, IMX307) utilizzano BSI.
Utilizzare un obiettivo con un'apertura maggiore– f/2.0 o inferiore se possibile.
Aggiungi l'illuminazione a infrarossi (IR).– Per l'oscurità totale, utilizzare LED IR (850 nm o 940 nm) e una fotocamera senza filtro IR.
Riduci la frequenza dei fotogrammi– Scambia la levigatezza con la luminosità.
Utilizzare la riduzione del rumore temporale– La media dei fotogrammi riduce il rumore ma può causare immagini fantasma se la scena si muove.
Prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione in diversi tipi di moduli fotocamera
Modulo mini telecamera (per endoscopia)– Hanno sensori molto piccoli (da 1/9″ a 1/6″) e lenti minuscole. Le loro prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione sono intrinsecamente limitate. Per compensare, i moduli delle telecamere per endoscopio utilizzano LED luminosi molto vicini all'obiettivo. Per uso medico, l'emissione luminosa è limitata per evitare il riscaldamento dei tessuti, quindi la sensibilità della fotocamera è fondamentale.
Modulo fotocamera USB (UVC)– Molti moduli fotocamera UVC per webcam utilizzano sensori piccoli con capacità media di scarsa illuminazione. Tuttavia, i moduli di telecamere UVC professionali per la sorveglianza o l'ispezione industriale spesso utilizzano sensori BSI e pixel più grandi. Supportano anche la regolazione automatica del guadagno e dell'esposizione.
Modulo fotocamera OEM– Quando progetti un modulo fotocamera OEM personalizzato, puoi ottimizzare ogni aspetto per la scarsa illuminazione: scegli un sensore BSI con pixel di grandi dimensioni, specifica un obiettivo in vetro con apertura f/1.8 e ottimizza la riduzione del rumore dell'ISP. Questo è il modo migliore per ottenere prestazioni eccellenti in condizioni di scarsa illuminazione per un'applicazione specifica.
Modulo fotocamera con messa a fuoco automatica– La messa a fuoco automatica aggiunge un elemento dell'obiettivo mobile, che potrebbe ridurre leggermente l'apertura massima. Tuttavia, molti moduli autofocus raggiungono ancora f/2.0‑f/2.4, il che è positivo in condizioni di scarsa illuminazione. Il vantaggio è che puoi mettere a fuoco anche oggetti vicini in condizioni di scarsa illuminazione.
Modulo fotocamera Raspberry Pi V3– La fotocamera ufficiale del Raspberry Pi utilizza un sensore Sony IMX708 (BSI, pixel da 1,4 µm in modalità 4:3). Le sue prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione sono decenti per un modulo consumer, ma non così buone come quelle di una telecamera industriale dedicata in condizioni di scarsa illuminazione. Puoi migliorarlo riducendo il frame rate e utilizzando l'opzione --nopreview per evitare il sovraccarico della CPU.
Esempio pratico
Supponiamo che tu abbia bisogno di un modulo mini telecamera per un'ispezione notturna con droni. Hai due opzioni:
Opzione A: sensore 720p con pixel da 2,2 µm, BSI, obiettivo f/2.0.
Opzione B: sensore 1080p con pixel da 1,4 µm, non BSI, obiettivo f/2,8.
L'opzione A produrrà un'immagine notturna molto più pulita, anche se la risoluzione è inferiore. Per l’attività con il drone non hai bisogno di 1080p: devi vedere chiaramente il soggetto al buio. Scegli quindi il modulo con le migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione.
Riepilogo
Le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione determinano la capacità di un modulo fotocamera di produrre un'immagine utilizzabile in condizioni di scarsa illuminazione o oscurità. Dipende dalla dimensione dei pixel (più grande è, meglio è), dalla tecnologia BSI, dall'apertura dell'obiettivo, dalla riduzione del rumore dell'ISP e dal frame rate. Quando si seleziona un modulo fotocamera (che si tratti di un modulo mini fotocamera per endoscopia, un modulo fotocamera USB per la sicurezza, un modulo fotocamera OEM per un dispositivo personalizzato, un modulo fotocamera con messa a fuoco automatica per uno scanner di codici a barre, un modulo fotocamera UVC per una webcam, un modulo fotocamera CMOS per la visione integrata o un modulo fotocamera Raspberry Pi v3 per un prototipo), controlla sempre la dimensione dei pixel del sensore e se utilizza BSI. In condizioni di luce molto scarsa, valuta la possibilità di aggiungere illuminazione IR e ridurre la frequenza dei fotogrammi.
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