जब आप मंद रोशनी वाले कमरे में, चांदनी के नीचे, या अंधेरे पाइप के अंदर कैमरा मॉड्यूल का उपयोग करते हैं, तो छवि अक्सर दानेदार, अंधेरे या धुंधली हो जाती है। ऐसी परिस्थितियों में प्रयोग करने योग्य, स्पष्ट छवि बनाने की कैमरे की क्षमता को कहा जाता हैकम रोशनी में प्रदर्शन. यह कई अनुप्रयोगों के लिए सबसे महत्वपूर्ण विशिष्टताओं में से एक है - मेडिकल एंडोस्कोप में एक मिनी कैमरा मॉड्यूल से लेकर रात के समय की सुरक्षा के लिए यूएसबी कैमरा मॉड्यूल तक। इस लेख में, हम बताते हैं कि कम रोशनी में प्रदर्शन का क्या मतलब है, कौन से कारक इसे प्रभावित करते हैं, और एक कैमरा मॉड्यूल कैसे चुनें जो अंधेरे में अच्छा प्रदर्शन करता है।
कम रोशनी में प्रदर्शन क्यों मायने रखता है
एक कैमरा जो कम रोशनी में संघर्ष करता है, सेंसर को सिग्नल को बढ़ाने (लाभ बढ़ाने) के लिए मजबूर करेगा, जो यादृच्छिक इलेक्ट्रॉनिक शोर को भी बढ़ाता है। परिणाम कम विवरण के साथ एक शोर भरी, "बर्फीली" छवि है। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में - जैसे कि सर्जिकल एंडोस्कोप, एक ऑटोमोटिव नाइट-विज़न सिस्टम, या एक रात का वन्यजीव कैमरा - खराब कम-रोशनी प्रदर्शन से गलत निदान, दुर्घटनाएं, या खोए हुए डेटा का कारण बन सकता है।
यहां तक कि घरेलू निरीक्षण के लिए उपयोग किए जाने वाले एक साधारण यूएसबी कैमरा मॉड्यूल के लिए भी, कम रोशनी की अच्छी क्षमता का मतलब है कि आप शक्तिशाली बाहरी प्रकाश की आवश्यकता के बिना अंधेरे कोनों में देख सकते हैं।
कम रोशनी में प्रदर्शन कैसे मापा जाता है?
कोई एकल सार्वभौमिक संख्या नहीं है, लेकिन निर्माता अक्सर निर्दिष्ट करते हैं:
न्यूनतम रोशनी- सबसे कम प्रकाश स्तर (लक्स में) जिस पर कैमरा प्रयोग करने योग्य छवि बना सकता है। एक सामान्य इनडोर कार्यालय लगभग 300‑500 लक्स का होता है; चांदनी लगभग 0.1‑0.3 लक्स है।
सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर)- कम रोशनी में, उच्च एसएनआर का मतलब कम दिखाई देने वाला शोर है।
संवेदनशीलता- सेंसर के लिए अक्सर एमवी प्रति लक्स·एस (मिलीवोल्ट प्रति लक्स प्रति सेकंड) में व्यक्त किया जाता है।
एक अच्छा कम रोशनी वाला कैमरा मॉड्यूल अक्सर इन्फ्रारेड रोशनी की मदद से 0.1 लक्स या उससे कम पर काम कर सकता है।
कम रोशनी में प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक
1. पिक्सेल आकार (सेंसर डिज़ाइन)
सबसे बुनियादी कारक सेमीओएस कैमरा मॉड्यूल सेंसर पर प्रत्येक पिक्सेल का आकार है। बड़े पिक्सेल छोटे पिक्सेल की तुलना में अधिक फोटॉन (प्रकाश कण) कैप्चर करते हैं। उदाहरण के लिए, 2.9 µm (माइक्रोमीटर) चौड़ा एक पिक्सेल 1.4 µm पिक्सेल की तुलना में लगभग चार गुना अधिक प्रकाश एकत्र करता है। इसलिए, किसी दिए गए रिज़ॉल्यूशन के लिए, बड़े पिक्सेल वाला सेंसर कम रोशनी में बहुत बेहतर प्रदर्शन करेगा।
यही कारण है कि बड़े पिक्सल वाला 2 एमपी मिनी कैमरा मॉड्यूल बहुत छोटे पिक्सल वाले 8 एमपी मॉड्यूल की तुलना में रात में साफ तस्वीरें ले सकता है, भले ही 8 एमपी मॉड्यूल का रिज़ॉल्यूशन अधिक हो।
2. बैक-इल्यूमिनेटेड (बीएसआई) प्रौद्योगिकी
पारंपरिक सेंसर में प्रकाश-संवेदनशील क्षेत्र के ऊपर वायरिंग होती है, जो कुछ प्रकाश को अवरुद्ध करती है। बीएसआई सेंसर वायरिंग को फोटोडायोड के पीछे रखकर संरचना को फ्लिप करते हैं। यह अधिक प्रकाश को पिक्सेल तक पहुंचने की अनुमति देता है, समान पिक्सेल आकार के गैर-बीएसआई सेंसर की तुलना में कम प्रकाश संवेदनशीलता में 30‑50% तक सुधार करता है। एंडोस्कोपी या निगरानी के लिए लगभग सभी आधुनिक सीएमओएस कैमरा मॉड्यूल सेंसर बीएसआई का उपयोग करते हैं।
3. लेंस एपर्चर (एफ-नंबर)
लेंस नियंत्रित करता है कि कैमरे में कितनी रोशनी प्रवेश करती है। कम f-संख्या वाला लेंस (उदाहरण के लिए, f/1.8) उच्च f-संख्या वाले लेंस (उदाहरण के लिए, f/2.8) की तुलना में अधिक प्रकाश देता है। एक ऑटो फोकस कैमरा मॉड्यूल में अक्सर मध्यम एपर्चर (f/2.0‑f/2.4) होता है जो प्रकाश एकत्रण और क्षेत्र की गहराई को संतुलित करता है। अत्यधिक कम रोशनी के लिए, बहुत कम f-संख्या (f/1.4) वाला एक निश्चित-फोकस मॉड्यूल आदर्श है, लेकिन इसमें क्षेत्र की गहराई कम होगी।
4. सेंसर प्रौद्योगिकी (बीएसआई, स्टैक्ड, ग्लोबल शटर)
बैक-इल्यूमिनेटेड (बीएसआई) और स्टैक्ड सीएमओएस सेंसर कम रोशनी के लिए सर्वोत्तम हैं। वैश्विक शटर सेंसर में आमतौर पर समान पिक्सेल आकार के रोलिंग शटर सेंसर की तुलना में थोड़ी कम संवेदनशीलता होती है, लेकिन जब दृश्य में तेज गति होती है तो उन्हें प्राथमिकता दी जाती है।
5. शोर में कमी और छवि प्रसंस्करण
कैमरे का इमेज प्रोसेसर (आईएसपी) स्थानिक शोर में कमी (वर्तमान फ्रेम को सुचारू करना) और अस्थायी शोर में कमी (औसतन कई फ्रेम) लागू कर सकता है। एक अच्छी तरह से ट्यून किया गया यूवीसी कैमरा मॉड्यूल बारीक विवरण की थोड़ी हानि की कीमत पर एक साफ छवि तैयार कर सकता है। कुछ हाई-एंड मॉड्यूल हाइलाइट्स को नष्ट किए बिना छाया को उज्ज्वल करने के लिए मल्टी-फ़्रेम एचडीआर तकनीकों का भी उपयोग करते हैं।
6. फ़्रेम दर और एक्सपोज़र समय
बहुत कम रोशनी में, कैमरा स्वचालित रूप से फ्रेम दर को कम कर सकता है (उदाहरण के लिए, 30 एफपीएस से 15 एफपीएस तक) जिससे प्रति फ्रेम लंबे समय तक एक्सपोज़र समय मिल सके। यह अधिक रोशनी इकट्ठा करता है लेकिन वीडियो को कम स्मूथ बनाता है। रास्पबेरी पाई कैमरा मॉड्यूल v3 के लिए, आप कम रोशनी वाली छवि गुणवत्ता में सुधार के लिए सॉफ़्टवेयर (libcamera‑vid --framerate 15) में फ़्रेम दर को मैन्युअल रूप से कम कर सकते हैं।
अपने कैमरा मॉड्यूल में कम रोशनी में प्रदर्शन कैसे सुधारें
एक बड़ा सेंसर चुनें (यदि आकार अनुमति दे)- 2.9 µm पिक्सेल वाला 1/2.8″ सेंसर 1.4 µm पिक्सेल वाले 1/4″ सेंसर से बेहतर प्रदर्शन करेगा।
एक बीएसआई सेंसर चुनें- अधिकांश Sony IMX सेंसर (उदाहरण के लिए, IMX290, IMX307) BSI का उपयोग करते हैं।
बड़े एपर्चर वाले लेंस का उपयोग करें- यदि संभव हो तो f/2.0 या उससे कम।
इन्फ्रारेड (आईआर) रोशनी जोड़ें- पूर्ण अंधकार के लिए, आईआर एलईडी (850 एनएम या 940 एनएम) और बिना आईआर-कट फिल्टर वाले कैमरे का उपयोग करें।
फ़्रेम दर कम करें– चमक के लिए सहजता का व्यापार करें।
अस्थायी शोर में कमी का प्रयोग करें- फ़्रेम का औसत रखने से शोर कम हो जाता है लेकिन यदि दृश्य हिलता है तो भूत पैदा हो सकता है।
विभिन्न कैमरा मॉड्यूल प्रकारों में कम रोशनी में प्रदर्शन
मिनी कैमरा मॉड्यूल (एंडोस्कोपी के लिए)- इनमें बहुत छोटे सेंसर (1/9″ से 1/6″) और छोटे लेंस होते हैं। उनका कम रोशनी वाला प्रदर्शन स्वाभाविक रूप से सीमित है। क्षतिपूर्ति के लिए, एंडोस्कोप कैमरा मॉड्यूल लेंस के बहुत करीब चमकदार एलईडी का उपयोग करते हैं। चिकित्सा उपयोग के लिए, ऊतक ताप से बचने के लिए प्रकाश उत्पादन सीमित है, इसलिए कैमरे की संवेदनशीलता महत्वपूर्ण है।
यूएसबी कैमरा मॉड्यूल (यूवीसी)- वेबकैम के लिए कई यूवीसी कैमरा मॉड्यूल औसत कम रोशनी क्षमता वाले छोटे सेंसर का उपयोग करते हैं। हालाँकि, निगरानी या औद्योगिक निरीक्षण के लिए पेशेवर UVC कैमरा मॉड्यूल अक्सर BSI सेंसर और बड़े पिक्सेल का उपयोग करते हैं। वे स्वचालित लाभ और एक्सपोज़र समायोजन का भी समर्थन करते हैं।
ओईएम कैमरा मॉड्यूल- जब आप एक कस्टम ओईएम कैमरा मॉड्यूल डिज़ाइन करते हैं, तो आप कम रोशनी के लिए हर पहलू को अनुकूलित कर सकते हैं: बड़े पिक्सल के साथ एक बीएसआई सेंसर चुनें, एफ/1.8 एपर्चर के साथ एक ग्लास लेंस निर्दिष्ट करें, और आईएसपी के शोर में कमी को ट्यून करें। किसी विशिष्ट एप्लिकेशन के लिए कम रोशनी में उत्कृष्ट प्रदर्शन प्राप्त करने का यह सबसे अच्छा तरीका है।
ऑटो फोकस कैमरा मॉड्यूल- ऑटोफोकस एक गतिशील लेंस तत्व जोड़ता है, जो अधिकतम एपर्चर को थोड़ा कम कर सकता है। हालाँकि, कई ऑटोफोकस मॉड्यूल अभी भी f/2.0‑f/2.4 प्राप्त करते हैं, जो कम रोशनी के लिए अच्छा है। इसका लाभ यह है कि आप मंद परिस्थितियों में भी नज़दीकी वस्तुओं पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं।
रास्पबेरी पाई कैमरा मॉड्यूल V3- आधिकारिक रास्पबेरी पाई कैमरा सोनी IMX708 सेंसर (बीएसआई, 4:3 मोड में 1.4 माइक्रोन पिक्सल) का उपयोग करता है। इसका कम रोशनी वाला प्रदर्शन उपभोक्ता मॉड्यूल के लिए अच्छा है, लेकिन एक समर्पित कम रोशनी वाले औद्योगिक कैमरे जितना अच्छा नहीं है। आप फ़्रेम दर को कम करके और सीपीयू ओवरहेड से बचने के लिए --nopreview विकल्प का उपयोग करके इसे बेहतर बना सकते हैं।
व्यावहारिक उदाहरण
मान लीजिए कि आपको रात के समय ड्रोन निरीक्षण के लिए एक मिनी कैमरा मॉड्यूल की आवश्यकता है। आपके पास दो विकल्प हैं:
विकल्प A: 2.2 µm पिक्सेल, BSI, f/2.0 लेंस के साथ 720p सेंसर।
विकल्प बी: 1.4 माइक्रोन पिक्सल, गैर-बीएसआई, एफ/2.8 लेंस के साथ 1080पी सेंसर।
विकल्प ए रात की अधिक साफ-सुथरी छवि तैयार करेगा, भले ही रिज़ॉल्यूशन कम हो। ड्रोन कार्य के लिए, आपको 1080p की आवश्यकता नहीं है - आपको विषय को अंधेरे में स्पष्ट रूप से देखने की आवश्यकता है। इसलिए, बेहतर कम रोशनी वाले प्रदर्शन वाला मॉड्यूल चुनें।
सारांश
कम रोशनी का प्रदर्शन यह निर्धारित करता है कि कैमरा मॉड्यूल मंद या अंधेरे स्थितियों में कितनी अच्छी तरह उपयोगी छवि तैयार कर सकता है। यह पिक्सेल आकार (बड़ा बेहतर है), बीएसआई तकनीक, लेंस एपर्चर, आईएसपी शोर में कमी और फ्रेम दर पर निर्भर करता है। कैमरा मॉड्यूल का चयन करते समय - चाहे एंडोस्कोपी के लिए एक मिनी कैमरा मॉड्यूल, सुरक्षा के लिए एक यूएसबी कैमरा मॉड्यूल, एक कस्टम डिवाइस के लिए एक ओईएम कैमरा मॉड्यूल, बारकोड स्कैनर के लिए एक ऑटो फोकस कैमरा मॉड्यूल, एक वेबकैम के लिए एक यूवीसी कैमरा मॉड्यूल, एम्बेडेड दृष्टि के लिए एक सेमीओएस कैमरा मॉड्यूल, या एक प्रोटोटाइप के लिए एक रास्पबेरी पाई कैमरा मॉड्यूल वी 3 - हमेशा सेंसर के पिक्सेल आकार की जांच करें और क्या यह बीएसआई का उपयोग करता है। बहुत कम रोशनी में, आईआर रोशनी जोड़ने और फ्रेम दर को कम करने पर विचार करें।
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