عند استخدام وحدة الكاميرا في غرفة ذات إضاءة خافتة، أو تحت ضوء القمر، أو داخل أنبوب مظلم، غالبًا ما تصبح الصورة محببة أو داكنة أو ضبابية. تسمى قدرة الكاميرا على إنتاج صورة واضحة وقابلة للاستخدام في مثل هذه الظروفأداء الإضاءة المنخفضة. تعد هذه إحدى أهم المواصفات للعديد من التطبيقات - بدءًا من وحدة الكاميرا الصغيرة في المنظار الطبي وحتى وحدة الكاميرا المزودة بـ USB للأمن الليلي. نوضح في هذه المقالة ماذا يعني الأداء في الإضاءة المنخفضة، وما هي العوامل التي تؤثر عليه، وكيفية اختيار وحدة الكاميرا التي تقدم أداءً جيدًا في الظلام.
لماذا يهم الأداء في الإضاءة المنخفضة
الكاميرا التي تواجه صعوبات في الإضاءة المنخفضة ستجبر المستشعر على تضخيم الإشارة (زيادة الكسب)، مما يؤدي أيضًا إلى تضخيم الضوضاء الإلكترونية العشوائية. والنتيجة هي صورة "ثلجية" صاخبة مع تفاصيل أقل. وفي التطبيقات بالغة الأهمية ــ مثل المنظار الجراحي، أو نظام الرؤية الليلية للسيارات، أو كاميرا الحياة البرية الليلية ــ قد يؤدي الأداء الضعيف في الإضاءة المنخفضة إلى تشخيصات مفقودة، أو حوادث، أو فقدان البيانات.
حتى بالنسبة لوحدة كاميرا USB البسيطة المستخدمة لفحص المنزل، فإن القدرة الجيدة في الإضاءة المنخفضة تعني أنه يمكنك الرؤية في الزوايا المظلمة دون الحاجة إلى ضوء خارجي قوي.
كيف يتم قياس الأداء في الإضاءة المنخفضة؟
لا يوجد رقم عالمي واحد، لكن الشركات المصنعة تحدد في كثير من الأحيان:
الحد الأدنى من الإضاءة- أدنى مستوى إضاءة (باللوكس) يمكن للكاميرا عنده إنتاج صورة قابلة للاستخدام. تبلغ مساحة المكتب الداخلي النموذجي حوالي 300-500 لوكس؛ ضوء القمر حوالي 0.1-0.3 لوكس.
نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)– في الإضاءة المنخفضة، تعني نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الأعلى ضوضاء أقل وضوحًا.
حساسية- غالبًا ما يتم التعبير عنها بوحدة mV لكل لوكس·s (ملي فولت لكل لوكس في الثانية) لجهاز الاستشعار.
يمكن لوحدة الكاميرا الجيدة ذات الإضاءة المنخفضة أن تعمل عند 0.1 لوكس أو أقل، وغالبًا ما يكون ذلك بمساعدة إضاءة الأشعة تحت الحمراء.
العوامل الرئيسية التي تؤثر على الأداء في الإضاءة المنخفضة
1. حجم البكسل (تصميم المستشعر)
العامل الأكثر أهمية هو حجم كل بكسل على مستشعر وحدة الكاميرا cmos. تلتقط وحدات البكسل الأكبر حجمًا عددًا أكبر من الفوتونات (جسيمات الضوء) مقارنة بوحدات البكسل الأصغر حجمًا. على سبيل المثال، البكسل الذي يبلغ عرضه 2.9 ميكرومتر (ميكرومتر) يجمع حوالي أربعة أضعاف الضوء الذي يجمعه البكسل الذي يبلغ عرضه 1.4 ميكرومتر. لذلك، بالنسبة لدقة معينة، فإن المستشعر ذو البكسلات الأكبر سيعمل بشكل أفضل بكثير في الإضاءة المنخفضة.
ولهذا السبب قد تنتج وحدة كاميرا صغيرة بدقة 2 ميجابكسل ذات وحدات بكسل كبيرة صورًا ليلية أكثر وضوحًا من وحدة كاميرا بدقة 8 ميجابكسل ذات وحدات بكسل صغيرة جدًا، على الرغم من أن وحدة 8 ميجابكسل تتمتع بدقة أعلى.
2. تقنية الإضاءة الخلفية (BSI).
تحتوي أجهزة الاستشعار التقليدية على أسلاك فوق المنطقة الحساسة للضوء، مما يحجب بعض الضوء. تقوم مستشعرات BSI بقلب الهيكل، وتضع الأسلاك خلف الثنائيات الضوئية. وهذا يسمح لمزيد من الضوء بالوصول إلى وحدات البكسل، مما يؤدي إلى تحسين حساسية الإضاءة المنخفضة بنسبة 30-50% مقارنة بأجهزة الاستشعار التي لا تحتوي على BSI بنفس حجم البكسل. تستخدم جميع مستشعرات وحدة كاميرا cmos الحديثة تقريبًا للتنظير الداخلي أو المراقبة BSI.
3. فتحة العدسة (الرقم البؤري)
تتحكم العدسة في مقدار الضوء الذي يدخل إلى الكاميرا. تسمح العدسة ذات الرقم البؤري الأقل (على سبيل المثال، f/1.8) بدخول ضوء أكثر من العدسة ذات الرقم البؤري الأعلى (على سبيل المثال، f/2.8). غالبًا ما تحتوي وحدة الكاميرا ذات التركيز التلقائي على فتحة متوسطة (f/2.0‑f/2.4) تعمل على موازنة تجميع الضوء وعمق المجال. بالنسبة إلى الإضاءة المنخفضة للغاية، تعتبر وحدة التركيز البؤري الثابت ذات رقم فتحة منخفض جدًا (f/1.4) مثالية، ولكن سيكون لها عمق مجال أقل عمقًا.
4. تقنية الاستشعار (BSI، Stacked، Global Shutter)
تعد مستشعرات الإضاءة الخلفية (BSI) ومستشعرات CMOS المكدسة هي الأفضل للإضاءة المنخفضة. تتمتع مستشعرات الغالق العامة عادةً بحساسية أقل قليلاً من مستشعرات الغالق المتداول ذات حجم البكسل نفسه، ولكنها مفضلة عندما يحتوي المشهد على حركة سريعة.
5. الحد من الضوضاء ومعالجة الصور
يمكن لمعالج الصور الخاص بالكاميرا (ISP) تطبيق تقليل الضوضاء المكانية (تنعيم الإطار الحالي) وتقليل الضوضاء المؤقتة (بمتوسط عدة إطارات). يمكن لوحدة كاميرا UVC المضبوطة جيدًا أن تنتج صورة أكثر وضوحًا على حساب خسارة طفيفة في التفاصيل الدقيقة. تستخدم بعض الوحدات المتطورة أيضًا تقنيات HDR متعددة الإطارات لزيادة سطوع الظلال دون حجب الضوء.
6. معدل الإطار ووقت التعرض
في الإضاءة المنخفضة جدًا، قد تقوم الكاميرا تلقائيًا بتقليل معدل الإطارات (على سبيل المثال، من 30 إطارًا في الثانية إلى 15 إطارًا في الثانية) للسماح بفترة تعرض أطول لكل إطار. يؤدي هذا إلى تجميع المزيد من الضوء ولكنه يجعل الفيديو أقل سلاسة. بالنسبة لوحدة كاميرا raspberry pi v3، يمكنك تقليل معدل الإطارات يدويًا في البرنامج (libcamera‑vid --framerate 15) لتحسين جودة الصورة في الإضاءة المنخفضة.
كيفية تحسين الأداء في الإضاءة المنخفضة في وحدة الكاميرا الخاصة بك
اختر مستشعرًا أكبر (إذا كان الحجم يسمح بذلك)- سيتفوق المستشعر مقاس 1/2.8 بوصة مع 2.9 ميكرومتر بكسل على مستشعر 1/4 بوصة المزود بـ 1.4 ميكرومتر بكسل.
حدد مستشعر BSI- معظم أجهزة استشعار Sony IMX (على سبيل المثال، IMX290، IMX307) تستخدم BSI.
استخدم عدسة ذات فتحة أكبر- f/2.0 أو أقل إن أمكن.
إضافة إضاءة بالأشعة تحت الحمراء (IR).- في الظلام التام، استخدم مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء (850 نانومتر أو 940 نانومتر) وكاميرا بدون مرشح قطع الأشعة تحت الحمراء.
تقليل معدل الإطار- التجارة بالنعومة مقابل السطوع.
استخدام الحد من الضوضاء المؤقتة- يعمل متوسط الإطارات على تقليل الضوضاء ولكنه قد يتسبب في ظهور الظلال إذا تحرك المشهد.
أداء منخفض الإضاءة في أنواع مختلفة من وحدات الكاميرا
وحدة كاميرا صغيرة (للتنظير)– تحتوي هذه الأجهزة على أجهزة استشعار صغيرة جدًا (1/9″ إلى 1/6″) وعدسات صغيرة. أدائها في الإضاءة المنخفضة محدود بطبيعتها. للتعويض، تستخدم وحدات كاميرا المنظار مصابيح LED ساطعة قريبة جدًا من العدسة. للاستخدام الطبي، يقتصر إخراج الضوء لتجنب تسخين الأنسجة، وبالتالي فإن حساسية الكاميرا أمر بالغ الأهمية.
وحدة كاميرا USB (UVC)- تستخدم العديد من وحدات كاميرا UVC لكاميرات الويب أجهزة استشعار صغيرة ذات قدرة متوسطة على الإضاءة المنخفضة. ومع ذلك، غالبًا ما تستخدم وحدات كاميرا UVC الاحترافية للمراقبة أو الفحص الصناعي مستشعرات BSI ووحدات بكسل أكبر. كما أنها تدعم تعديلات الكسب والتعرض التلقائي.
وحدة الكاميرا OEM- عندما تقوم بتصميم وحدة كاميرا مخصصة من OEM، يمكنك تحسين كل جانب من جوانب الإضاءة المنخفضة: اختر مستشعر BSI ذو وحدات بكسل كبيرة، وحدد عدسة زجاجية بفتحة f/1.8، وقم بضبط تقليل الضوضاء الخاص بمزود خدمة الإنترنت. هذه هي أفضل طريقة لتحقيق أداء ممتاز في الإضاءة المنخفضة لتطبيق معين.
وحدة الكاميرا ذات التركيز التلقائي- يضيف التركيز التلقائي عنصر عدسة متحركًا، مما قد يقلل من الفتحة القصوى قليلاً. ومع ذلك، لا تزال العديد من وحدات التركيز التلقائي تحقق f/2.0‑f/2.4، وهو أمر جيد في الإضاءة المنخفضة. الميزة هي أنه يمكنك أيضًا التركيز على الأشياء القريبة في الظروف المعتمة.
وحدة كاميرا راسبيري باي V3- تستخدم كاميرا Raspberry Pi الرسمية مستشعر Sony IMX708 (BSI، 1.4 ميكرومتر بكسل في الوضع 4:3). يعد أدائها في الإضاءة المنخفضة مناسبًا لوحدة استهلاكية، ولكنه ليس بجودة الكاميرا الصناعية المخصصة للإضاءة المنخفضة. يمكنك تحسينه عن طريق تقليل معدل الإطارات واستخدام خيار --nopreview لتجنب الحمل الزائد على وحدة المعالجة المركزية.
مثال عملي
لنفترض أنك بحاجة إلى وحدة كاميرا صغيرة لإجراء فحص ليلي باستخدام الطائرة بدون طيار. لديك خياران:
الخيار أ: مستشعر بدقة 720 بكسل بحجم 2.2 ميكرومتر بكسل، وعدسة BSI، وفتحة f/2.0.
الخيار ب: مستشعر 1080 بكسل مع 1.4 ميكرومتر بكسل، عدسة غير BSI، f/2.8.
سينتج الخيار أ صورة ليلية أكثر وضوحًا، على الرغم من أن الدقة أقل. بالنسبة لمهمة الطائرة بدون طيار، لا تحتاج إلى دقة 1080 بكسل، بل تحتاج إلى رؤية الموضوع بوضوح في الظلام. لذلك، اختر الوحدة ذات الأداء الأفضل في الإضاءة المنخفضة.
ملخص
يحدد الأداء في الإضاءة المنخفضة مدى قدرة وحدة الكاميرا على إنتاج صورة قابلة للاستخدام في الظروف المعتمة أو المظلمة. يعتمد ذلك على حجم البكسل (الأكبر هو الأفضل)، وتقنية BSI، وفتحة العدسة، وتقليل ضوضاء ISP، ومعدل الإطارات. عند تحديد وحدة كاميرا - سواء كانت وحدة كاميرا صغيرة للتنظير الداخلي، أو وحدة كاميرا USB للأمان، أو وحدة كاميرا OEM لجهاز مخصص، أو وحدة كاميرا ذات تركيز تلقائي لماسح الباركود، أو وحدة كاميرا UVC لكاميرا ويب، أو وحدة كاميرا cmos للرؤية المدمجة، أو وحدة كاميرا raspberry pi v3 لنموذج أولي - تحقق دائمًا من حجم بكسل المستشعر وما إذا كان يستخدم BSI. في الإضاءة المنخفضة جدًا، فكر في إضافة إضاءة الأشعة تحت الحمراء وتقليل معدل الإطارات.
إذا كنت بحاجة إلى وحدة كاميرا محسنة لتطبيقات الإضاءة المنخفضة، فاتصل بـ Sinre. نقوم بتصميم وتصنيع وحدات كاميرا مخصصة من صانعي القطع الأصلية (OEM) مزودة بمستشعرات CMOS عالية الحساسية ووحدات بكسل كبيرة وعدسات سريعة مصممة خصيصًا لبيئتك.
