Khi bạn sử dụng mô-đun máy ảnh trong phòng thiếu sáng, dưới ánh trăng hoặc bên trong đường ống tối, hình ảnh thường trở nên nổi hạt, tối hoặc mờ. Khả năng của máy ảnh tạo ra hình ảnh rõ ràng, có thể sử dụng được trong những điều kiện như vậy được gọi làhiệu suất ánh sáng yếu. Đây là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với nhiều ứng dụng – từ mô-đun camera mini trong máy nội soi y tế đến Mô-đun camera USB để bảo mật vào ban đêm. Trong bài viết này, chúng tôi giải thích ý nghĩa của hiệu suất ánh sáng yếu, những yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất và cách chọn mô-đun máy ảnh hoạt động tốt trong bóng tối.
Tại sao hiệu suất ánh sáng yếu lại quan trọng
Máy ảnh gặp khó khăn trong điều kiện ánh sáng yếu sẽ buộc cảm biến phải khuếch đại tín hiệu (tăng mức tăng), điều này cũng khuếch đại nhiễu điện tử ngẫu nhiên. Kết quả là hình ảnh bị nhiễu, có nhiều tuyết và độ chi tiết bị giảm. Trong các ứng dụng quan trọng – chẳng hạn như máy nội soi phẫu thuật, hệ thống nhìn đêm trên ô tô hoặc camera chụp động vật hoang dã về đêm – hiệu suất kém trong điều kiện ánh sáng yếu có thể dẫn đến chẩn đoán sai, tai nạn hoặc mất dữ liệu.
Ngay cả đối với Mô-đun máy ảnh USB đơn giản dùng để kiểm tra tại nhà, khả năng chụp trong điều kiện ánh sáng yếu tốt có nghĩa là bạn có thể nhìn vào các góc tối mà không cần ánh sáng mạnh bên ngoài.
Hiệu suất ánh sáng yếu được đo như thế nào?
Không có một con số phổ quát duy nhất, nhưng các nhà sản xuất thường chỉ định:
Chiếu sáng tối thiểu– Mức ánh sáng thấp nhất (tính bằng lux) mà tại đó máy ảnh có thể tạo ra hình ảnh có thể sử dụng được. Một văn phòng trong nhà thông thường có độ sáng khoảng 300‑500 lux; ánh trăng khoảng 0,1‑0,3 lux.
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)– Ở điều kiện ánh sáng yếu, SNR cao hơn có nghĩa là ít nhiễu hơn.
Độ nhạy– Thường được biểu thị bằng mV trên lux·s (mV trên lux trên giây) cho cảm biến.
Mô-đun máy ảnh ánh sáng yếu tốt có thể hoạt động ở mức 0,1 lux hoặc thấp hơn, thường có sự trợ giúp của đèn chiếu sáng hồng ngoại.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất ánh sáng yếu
1. Kích thước pixel (Thiết kế cảm biến)
Yếu tố cơ bản nhất là kích thước của từng pixel trên cảm biến mô-đun máy ảnh cmos. Các pixel lớn hơn thu được nhiều photon (hạt ánh sáng) hơn các pixel nhỏ hơn. Ví dụ: một pixel rộng 2,9 µm (micromet) thu thập lượng ánh sáng nhiều gấp bốn lần so với pixel 1,4 µm. Do đó, đối với độ phân giải nhất định, cảm biến có pixel lớn hơn sẽ hoạt động tốt hơn nhiều trong điều kiện ánh sáng yếu.
Đây là lý do tại sao mô-đun máy ảnh mini 2 MP có điểm ảnh lớn có thể tạo ra hình ảnh ban đêm sạch hơn mô-đun 8 MP có điểm ảnh rất nhỏ, mặc dù mô-đun 8 MP có độ phân giải cao hơn.
2. Công nghệ chiếu sáng sau (BSI)
Cảm biến truyền thống có hệ thống dây điện phía trên khu vực nhạy sáng, chặn một số ánh sáng. Cảm biến BSI lật cấu trúc, đặt hệ thống dây điện phía sau điốt quang. Điều này cho phép nhiều ánh sáng tới được các pixel hơn, cải thiện độ nhạy ánh sáng yếu thêm 30‑50% so với các cảm biến không phải BSI có cùng kích thước pixel. Hầu hết tất cả các cảm biến mô-đun máy ảnh cmos hiện đại dành cho nội soi hoặc giám sát đều sử dụng BSI.
3. Khẩu độ ống kính (số f)
Ống kính kiểm soát lượng ánh sáng đi vào máy ảnh. Ống kính có số f thấp hơn (ví dụ: f/1.8) cho phép thu được nhiều ánh sáng hơn ống kính có số f cao hơn (ví dụ: f/2.8). Mô-đun máy ảnh lấy nét tự động thường có khẩu độ vừa phải (f/2.0‑f/2.4) để cân bằng khả năng thu thập ánh sáng và độ sâu trường ảnh. Đối với điều kiện ánh sáng cực yếu, mô-đun lấy nét cố định có số f rất thấp (f/1.4) là lý tưởng nhưng nó sẽ có độ sâu trường ảnh nông hơn.
4. Công nghệ cảm biến (BSI, Stacked, Global Shutter)
Cảm biến chiếu sáng sau (BSI) và cảm biến CMOS xếp chồng là tốt nhất cho điều kiện ánh sáng yếu. Cảm biến màn trập toàn cầu thường có độ nhạy thấp hơn một chút so với cảm biến màn trập lăn có cùng kích thước pixel, nhưng chúng được ưu tiên hơn khi cảnh có chuyển động nhanh.
5. Giảm nhiễu và xử lý ảnh
Bộ xử lý hình ảnh (ISP) của máy ảnh có thể áp dụng tính năng giảm nhiễu không gian (làm mịn khung hình hiện tại) và giảm nhiễu tạm thời (trung bình một số khung hình). Mô-đun máy ảnh UVC được điều chỉnh tốt có thể tạo ra hình ảnh rõ ràng hơn nhưng lại bị mất một chút chi tiết. Một số mô-đun cao cấp cũng sử dụng kỹ thuật HDR đa khung hình để làm sáng vùng bóng mà không làm mất đi vùng sáng.
6. Tốc độ khung hình và thời gian phơi sáng
Trong điều kiện ánh sáng rất yếu, máy ảnh có thể tự động giảm tốc độ khung hình (ví dụ: từ 30 khung hình/giây xuống 15 khung hình/giây) để cho phép thời gian phơi sáng lâu hơn trên mỗi khung hình. Điều này thu được nhiều ánh sáng hơn nhưng lại khiến video kém mượt mà. Đối với mô-đun máy ảnh Raspberry Pi v3, bạn có thể giảm tốc độ khung hình trong phần mềm (libCamera‑vid --framerate 15) theo cách thủ công để cải thiện chất lượng hình ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu.
Cách cải thiện hiệu suất ánh sáng yếu trong mô-đun máy ảnh của bạn
Chọn cảm biến lớn hơn (nếu kích thước cho phép)– Cảm biến 1/2.8” với điểm ảnh 2,9 µm sẽ hoạt động tốt hơn cảm biến 1/4” với điểm ảnh 1,4 µm.
Chọn cảm biến BSI– Hầu hết các cảm biến IMX của Sony (ví dụ IMX290, IMX307) đều sử dụng BSI.
Sử dụng ống kính có khẩu độ lớn hơn– f/2.0 hoặc thấp hơn nếu có thể.
Thêm ánh sáng hồng ngoại (IR)– Trong bóng tối hoàn toàn, hãy sử dụng đèn LED hồng ngoại (850 nm hoặc 940 nm) và máy ảnh không có bộ lọc cắt IR.
Giảm tốc độ khung hình– Đánh đổi độ mượt để lấy độ sáng.
Sử dụng giảm tiếng ồn tạm thời– Khung hình trung bình giúp giảm nhiễu nhưng có thể gây ra hiện tượng bóng mờ nếu khung cảnh chuyển động.
Hiệu suất ánh sáng yếu trong các loại mô-đun máy ảnh khác nhau
Mô-đun máy ảnh mini (để nội soi)– Chúng có cảm biến rất nhỏ (1/9 “đến 1/6”) và ống kính nhỏ. Hiệu suất trong điều kiện ánh sáng yếu của chúng vốn đã bị hạn chế. Để bù lại, mô-đun camera nội soi sử dụng đèn LED sáng rất gần ống kính. Đối với mục đích sử dụng trong y tế, lượng ánh sáng phát ra bị hạn chế để tránh làm nóng mô, do đó độ nhạy của máy ảnh là rất quan trọng.
Mô-đun máy ảnh USB (UVC)– Nhiều mô-đun máy ảnh UVC dành cho webcam sử dụng cảm biến nhỏ với khả năng chụp thiếu sáng ở mức trung bình. Tuy nhiên, mô-đun camera UVC chuyên nghiệp để giám sát hoặc kiểm tra công nghiệp thường sử dụng cảm biến BSI và pixel lớn hơn. Chúng cũng hỗ trợ điều chỉnh mức tăng và độ phơi sáng tự động.
Mô-đun máy ảnh OEM– Khi thiết kế mô-đun máy ảnh OEM tùy chỉnh, bạn có thể tối ưu hóa mọi khía cạnh trong điều kiện ánh sáng yếu: chọn cảm biến BSI có điểm ảnh lớn, chỉ định ống kính thủy tinh có khẩu độ f/1.8 và điều chỉnh khả năng giảm nhiễu của ISP. Đây là cách tốt nhất để đạt được hiệu suất vượt trội trong điều kiện ánh sáng yếu cho một ứng dụng cụ thể.
Mô-đun máy ảnh lấy nét tự động– Tự động lấy nét thêm một thành phần thấu kính chuyển động, có thể giảm khẩu độ tối đa một chút. Tuy nhiên, nhiều mô-đun lấy nét tự động vẫn đạt được f/2.0‑f/2.4, rất tốt trong điều kiện ánh sáng yếu. Ưu điểm là bạn cũng có thể lấy nét vào các vật thể ở gần trong điều kiện thiếu sáng.
Mô-đun máy ảnh Raspberry Pi V3– Camera Raspberry Pi chính thức sử dụng cảm biến Sony IMX708 (BSI, 1,4 µm pixel ở chế độ 4:3). Hiệu suất trong điều kiện ánh sáng yếu của nó ở mức khá đối với mô-đun dành cho người tiêu dùng nhưng không tốt bằng máy ảnh công nghiệp chuyên dụng trong điều kiện ánh sáng yếu. Bạn có thể cải thiện nó bằng cách giảm tốc độ khung hình và sử dụng tùy chọn --nopreview để tránh sử dụng CPU.
Ví dụ thực tế
Giả sử bạn cần một mô-đun máy ảnh mini để kiểm tra máy bay không người lái vào ban đêm. Bạn có hai lựa chọn:
Tùy chọn A: Cảm biến 720p với điểm ảnh 2,2 µm, BSI, ống kính f/2.0.
Tùy chọn B: Cảm biến 1080p với điểm ảnh 1,4 µm, ống kính không phải BSI, f/2.8.
Tùy chọn A sẽ tạo ra hình ảnh ban đêm rõ ràng hơn nhiều, mặc dù độ phân giải thấp hơn. Đối với nhiệm vụ bay không người lái, bạn không cần 1080p – bạn cần nhìn rõ đối tượng trong bóng tối. Do đó, hãy chọn mô-đun có hiệu suất ánh sáng yếu tốt hơn.
Bản tóm tắt
Hiệu suất ánh sáng yếu xác định mức độ mô-đun máy ảnh có thể tạo ra hình ảnh hữu dụng trong điều kiện thiếu sáng hoặc tối. Nó phụ thuộc vào kích thước pixel (càng lớn càng tốt), công nghệ BSI, khẩu độ ống kính, khả năng giảm nhiễu của ISP và tốc độ khung hình. Khi chọn mô-đun máy ảnh – cho dù mô-đun máy ảnh mini cho nội soi, Mô-đun máy ảnh USB để bảo mật, mô-đun máy ảnh OEM cho thiết bị tùy chỉnh, mô-đun máy ảnh lấy nét tự động cho máy quét mã vạch, mô-đun máy ảnh UVC cho webcam, mô-đun máy ảnh cmos cho tầm nhìn nhúng hoặc mô-đun máy ảnh Raspberry Pi v3 cho nguyên mẫu – luôn kiểm tra kích thước pixel của cảm biến và liệu nó có sử dụng BSI hay không. Trong điều kiện ánh sáng rất yếu, hãy cân nhắc việc thêm đèn hồng ngoại và giảm tốc độ khung hình.
Nếu bạn cần mô-đun máy ảnh được tối ưu hóa cho các ứng dụng ánh sáng yếu, hãy liên hệ với Chân thành. Chúng tôi thiết kế và sản xuất các mô-đun máy ảnh OEM tùy chỉnh với cảm biến CMOS có độ nhạy cao, điểm ảnh lớn và ống kính lấy nét nhanh phù hợp với môi trường của bạn.
