Cuando se utiliza un módulo de cámara en una habitación con poca luz, bajo la luz de la luna o dentro de una tubería oscura, la imagen a menudo se vuelve granulada, oscura o borrosa. La capacidad de una cámara para producir una imagen clara y utilizable en tales condiciones se llamarendimiento en condiciones de poca luz. Esta es una de las especificaciones más importantes para muchas aplicaciones, desde un módulo de mini cámara en un endoscopio médico hasta un módulo de cámara USB para seguridad nocturna. En este artículo, explicamos qué significa el rendimiento en condiciones de poca luz, qué factores lo afectan y cómo elegir un módulo de cámara que funcione bien en la oscuridad.
Por qué es importante el rendimiento en condiciones de poca luz
Una cámara que tiene problemas con poca luz obligará al sensor a amplificar la señal (aumentar la ganancia), lo que también amplifica el ruido electrónico aleatorio. El resultado es una imagen ruidosa y "nevada" con detalles reducidos. En aplicaciones críticas, como un endoscopio quirúrgico, un sistema de visión nocturna para automóviles o una cámara nocturna para la vida silvestre, un rendimiento deficiente en condiciones de poca luz puede provocar diagnósticos erróneos, accidentes o pérdida de datos.
Incluso para un módulo de cámara USB simple utilizado para la inspección de viviendas, una buena capacidad con poca luz significa que puede ver en rincones oscuros sin necesidad de una luz externa potente.
¿Cómo se mide el rendimiento en condiciones de poca luz?
No existe un número universal único, pero los fabricantes suelen especificar:
Iluminación mínima– El nivel de luz más bajo (en lux) al que la cámara puede producir una imagen utilizable. Una oficina interior típica tiene entre 300 y 500 lux; La luz de la luna es de aproximadamente 0,1 a 0,3 lux.
Relación señal-ruido (SNR)– Con poca luz, una SNR más alta significa menos ruido visible.
Sensibilidad– A menudo se expresa en mV por lux·s (milivoltios por lux por segundo) para el sensor.
Un buen módulo de cámara para condiciones de poca luz puede funcionar a 0,1 lux o menos, a menudo con la ayuda de iluminación infrarroja.
Factores clave que afectan el rendimiento en condiciones de poca luz
1. Tamaño de píxel (diseño del sensor)
El factor más fundamental es el tamaño de cada píxel en el sensor del módulo de la cámara CMOS. Los píxeles más grandes capturan más fotones (partículas de luz) que los píxeles más pequeños. Por ejemplo, un píxel de 2,9 µm (micrómetros) de ancho recoge aproximadamente cuatro veces más luz que un píxel de 1,4 µm. Por lo tanto, para una resolución determinada, un sensor con píxeles más grandes funcionará mucho mejor en condiciones de poca luz.
Esta es la razón por la que un módulo de mini cámara de 2 MP con píxeles grandes puede producir imágenes nocturnas más limpias que un módulo de 8 MP con píxeles muy pequeños, aunque el módulo de 8 MP tenga una resolución más alta.
2. Tecnología retroiluminada (BSI)
Los sensores tradicionales tienen cables encima del área sensible a la luz, lo que bloquea parte de la luz. Los sensores BSI voltean la estructura, colocando el cableado detrás de los fotodiodos. Esto permite que llegue más luz a los píxeles, lo que mejora la sensibilidad en condiciones de poca luz entre un 30 y un 50 % en comparación con sensores que no son BSI del mismo tamaño de píxel. Casi todos los sensores de módulos de cámara CMOS modernos para endoscopia o vigilancia utilizan BSI.
3. Apertura de la lente (número f)
La lente controla la cantidad de luz que ingresa a la cámara. Un objetivo con un número f más bajo (p. ej., f/1,8) deja entrar más luz que uno con un número f más alto (p. ej., f/2,8). Un módulo de cámara con enfoque automático suele tener una apertura moderada (f/2,0‑f/2,4) que equilibra la captación de luz y la profundidad de campo. Para condiciones de luz extremadamente escasa, lo ideal es un módulo de enfoque fijo con un número f muy bajo (f/1,4), pero tendrá una profundidad de campo menor.
4. Tecnología de sensores (BSI, apilados, obturador global)
Los sensores CMOS retroiluminados (BSI) y apilados son los mejores para condiciones de poca luz. Los sensores de obturador global suelen tener una sensibilidad ligeramente menor que los sensores de obturador enrollable del mismo tamaño de píxel, pero se prefieren cuando la escena contiene movimiento rápido.
5. Reducción de ruido y procesamiento de imágenes
El procesador de imagen (ISP) de la cámara puede aplicar reducción de ruido espacial (suavizando el fotograma actual) y reducción de ruido temporal (promediando varios fotogramas). Un módulo de cámara UVC bien ajustado puede producir una imagen más limpia a costa de una ligera pérdida de detalles finos. Algunos módulos de alta gama también utilizan técnicas HDR de fotogramas múltiples para iluminar las sombras sin apagar las luces.
6. Velocidad de fotogramas y tiempo de exposición
En condiciones de muy poca luz, la cámara puede reducir automáticamente la velocidad de fotogramas (por ejemplo, de 30 fps a 15 fps) para permitir un tiempo de exposición más prolongado por fotograma. Esto capta más luz pero hace que el vídeo sea menos fluido. Para un módulo de cámara raspberry pi v3, puede reducir manualmente la velocidad de fotogramas en el software (libcamera‑vid --framerate 15) para mejorar la calidad de la imagen en condiciones de poca luz.
Cómo mejorar el rendimiento en condiciones de poca luz en el módulo de su cámara
Elija un sensor más grande (si el tamaño lo permite)– Un sensor de 1/2,8″ con píxeles de 2,9 µm superará a un sensor de 1/4″ con píxeles de 1,4 µm.
Seleccione un sensor BSI– La mayoría de los sensores Sony IMX (por ejemplo, IMX290, IMX307) utilizan BSI.
Utilice una lente con una apertura mayor– f/2.0 o inferior si es posible.
Agregar iluminación infrarroja (IR)– Para una oscuridad total, utilice LED IR (850 nm o 940 nm) y una cámara sin filtro de corte IR.
Reducir la velocidad de fotogramas– Cambie la suavidad por el brillo.
Usar reducción de ruido temporal– El promedio de fotogramas reduce el ruido, pero puede provocar imágenes fantasma si la escena se mueve.
Rendimiento en condiciones de poca luz en diferentes tipos de módulos de cámara
Módulo de mini cámara (para endoscopia)– Tienen sensores muy pequeños (1/9″ a 1/6″) y lentes diminutas. Su rendimiento en condiciones de poca luz es inherentemente limitado. Para compensar, los módulos de la cámara del endoscopio utilizan LED brillantes muy cerca de la lente. Para uso médico, la salida de luz se limita para evitar el calentamiento del tejido, por lo que la sensibilidad de la cámara es fundamental.
Módulo de cámara USB (UVC)– Muchos módulos de cámara UVC para cámaras web utilizan sensores pequeños con capacidad promedio para condiciones de poca luz. Sin embargo, los módulos de cámaras UVC profesionales para vigilancia o inspección industrial suelen utilizar sensores BSI y píxeles más grandes. También admiten ajustes automáticos de ganancia y exposición.
Módulo de cámara OEM– Cuando diseña un módulo de cámara OEM personalizado, puede optimizar todos los aspectos para condiciones de poca luz: elija un sensor BSI con píxeles grandes, especifique una lente de vidrio con apertura de f/1,8 y ajuste la reducción de ruido del ISP. Esta es la mejor manera de lograr un rendimiento excelente en condiciones de poca luz para una aplicación específica.
Módulo de cámara de enfoque automático– El enfoque automático agrega un elemento de lente móvil, que puede reducir ligeramente la apertura máxima. Sin embargo, muchos módulos de enfoque automático aún alcanzan f/2.0‑f/2.4, lo cual es bueno para condiciones de poca luz. La ventaja es que también puedes enfocar objetos cercanos en condiciones de poca luz.
Módulo de cámara Raspberry Pi V3– La cámara oficial Raspberry Pi utiliza un sensor Sony IMX708 (BSI, píxeles de 1,4 µm en modo 4:3). Su rendimiento en condiciones de poca luz es decente para un módulo de consumo, pero no tan bueno como el de una cámara industrial dedicada a condiciones de poca luz. Puedes mejorarlo reduciendo la velocidad de cuadros y usando la opción --nopreview para evitar la sobrecarga de la CPU.
Ejemplo práctico
Supongamos que necesita un módulo de mini cámara para una inspección nocturna con drones. Tienes dos opciones:
Opción A: Sensor 720p con píxeles de 2,2 µm, BSI, lente f/2.0.
Opción B: sensor de 1080p con píxeles de 1,4 µm, sin BSI, lente f/2,8.
La opción A producirá una imagen nocturna mucho más limpia, aunque la resolución sea menor. Para la tarea del dron, no necesitas 1080p; necesitas ver al sujeto claramente en la oscuridad. Por lo tanto, elija el módulo con mejor rendimiento en condiciones de poca luz.
Resumen
El rendimiento en condiciones de poca luz determina qué tan bien un módulo de cámara puede producir una imagen utilizable en condiciones de poca luz u oscuridad. Depende del tamaño del píxel (cuanto más grande, mejor), la tecnología BSI, la apertura de la lente, la reducción de ruido del ISP y la velocidad de fotogramas. Al seleccionar un módulo de cámara, ya sea un módulo de mini cámara para endoscopia, un módulo de cámara USB para seguridad, un módulo de cámara OEM para un dispositivo personalizado, un módulo de cámara de enfoque automático para un escáner de código de barras, un módulo de cámara UVC para una cámara web, un módulo de cámara CMOS para visión integrada o un módulo de cámara Raspberry Pi v3 para un prototipo, siempre verifique el tamaño de píxel del sensor y si usa BSI. En condiciones de muy poca luz, considere agregar iluminación IR y reducir la velocidad de fotogramas.
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