Lorsque vous utilisez un module de caméra dans une pièce faiblement éclairée, au clair de lune ou à l'intérieur d'un tuyau sombre, l'image devient souvent granuleuse, sombre ou floue. La capacité d’un appareil photo à produire une image claire et utilisable dans de telles conditions est appeléeperformances en basse lumière. Il s'agit de l'une des spécifications les plus importantes pour de nombreuses applications, du module mini-caméra dans un endoscope médical au module caméra USB pour la sécurité nocturne. Dans cet article, nous expliquons ce que signifient les performances en faible luminosité, quels facteurs les affectent et comment choisir un module de caméra qui fonctionne bien dans l'obscurité.
Pourquoi les performances en basse lumière sont importantes
Une caméra qui peine dans des conditions de faible luminosité forcera le capteur à amplifier le signal (augmenter le gain), ce qui amplifie également le bruit électronique aléatoire. Le résultat est une image bruyante et « enneigée » avec des détails réduits. Dans les applications critiques, telles qu'un endoscope chirurgical, un système de vision nocturne automobile ou une caméra nocturne pour la faune, de mauvaises performances en basse lumière peuvent entraîner des diagnostics manqués, des accidents ou des pertes de données.
Même pour un simple module de caméra USB utilisé pour l'inspection de la maison, une bonne capacité de faible luminosité signifie que vous pouvez voir dans les coins sombres sans avoir besoin d'une puissante lumière externe.
Comment les performances en faible luminosité sont-elles mesurées ?
Il n’existe pas de numéro universel unique, mais les fabricants précisent souvent :
Éclairage minimum– Le niveau de lumière le plus bas (en lux) auquel la caméra peut produire une image utilisable. Un bureau intérieur typique a une luminosité d'environ 300 à 500 lux ; le clair de lune est d'environ 0,1 à 0,3 lux.
Rapport signal/bruit (SNR)– En basse lumière, un SNR plus élevé signifie moins de bruit visible.
Sensibilité– Souvent exprimé en mV par lux·s (millivolts par lux par seconde) pour le capteur.
Un bon module de caméra à faible luminosité peut fonctionner à 0,1 lux ou moins, souvent à l'aide d'un éclairage infrarouge.
Facteurs clés affectant les performances en basse lumière
1. Taille des pixels (conception du capteur)
Le facteur le plus fondamental est la taille de chaque pixel sur le capteur du module de caméra cmos. Les pixels plus grands capturent plus de photons (particules lumineuses) que les pixels plus petits. Par exemple, un pixel d’une largeur de 2,9 µm (micromètres) collecte environ quatre fois plus de lumière qu’un pixel de 1,4 µm. Par conséquent, pour une résolution donnée, un capteur doté de pixels plus grands fonctionnera bien mieux en basse lumière.
C'est pourquoi un module mini-caméra de 2 MP avec de grands pixels peut produire des images nocturnes plus nettes qu'un module de 8 MP avec de très petits pixels, même si le module de 8 MP a une résolution plus élevée.
2. Technologie rétroéclairée (BSI)
Les capteurs traditionnels ont un câblage au-dessus de la zone sensible à la lumière, bloquant une partie de la lumière. Les capteurs BSI retournent la structure, plaçant le câblage derrière les photodiodes. Cela permet à plus de lumière d'atteindre les pixels, améliorant ainsi la sensibilité à la faible luminosité de 30 à 50 % par rapport aux capteurs non BSI de même taille de pixel. Presque tous les capteurs de modules de caméra cmos modernes pour l'endoscopie ou la surveillance utilisent BSI.
3. Ouverture de l'objectif (nombre f)
L'objectif contrôle la quantité de lumière qui pénètre dans l'appareil photo. Un objectif avec un nombre f inférieur (par exemple, f/1,8) laisse entrer plus de lumière qu'un objectif avec un nombre f plus élevé (par exemple, f/2,8). Un module de caméra à mise au point automatique a souvent une ouverture modérée (f/2,0‑f/2,4) qui équilibre la collecte de lumière et la profondeur de champ. Pour une lumière extrêmement faible, un module à mise au point fixe avec un nombre f très faible (f/1,4) est idéal, mais il aura une profondeur de champ plus faible.
4. Technologie des capteurs (BSI, Stacked, Global Shutter)
Les capteurs CMOS rétroéclairés (BSI) et empilés sont les meilleurs pour une faible luminosité. Les capteurs à obturateur global ont généralement une sensibilité légèrement inférieure à celle des capteurs à obturateur roulant de même taille de pixel, mais ils sont préférés lorsque la scène contient des mouvements rapides.
5. Réduction du bruit et traitement de l'image
Le processeur d'image (ISP) de la caméra peut appliquer une réduction du bruit spatial (lissant l'image actuelle) et une réduction du bruit temporel (en faisant la moyenne de plusieurs images). Un module de caméra UVC bien réglé peut produire une image plus nette au prix d’une légère perte de détails fins. Certains modules haut de gamme utilisent également des techniques HDR multi-images pour éclaircir les ombres sans exagérer les hautes lumières.
6. Fréquence d'images et temps d'exposition
Dans des conditions de très faible luminosité, l'appareil photo peut automatiquement réduire la fréquence d'images (par exemple, de 30 ips à 15 ips) pour permettre un temps d'exposition plus long par image. Cela capte plus de lumière mais rend la vidéo moins fluide. Pour un module de caméra Raspberry Pi v3, vous pouvez réduire manuellement la fréquence d'images dans le logiciel (libcamera‑vid --framerate 15) pour améliorer la qualité de l'image en basse lumière.
Comment améliorer les performances en basse lumière de votre module de caméra
Choisissez un capteur plus grand (si la taille le permet)– Un capteur 1/2,8″ avec des pixels de 2,9 µm surpassera un capteur 1/4″ avec des pixels de 1,4 µm.
Sélectionnez un capteur BSI– La plupart des capteurs Sony IMX (par exemple, IMX290, IMX307) utilisent BSI.
Utilisez un objectif avec une plus grande ouverture– f/2.0 ou inférieur si possible.
Ajouter un éclairage infrarouge (IR)– Pour l’obscurité totale, utilisez des LED IR (850 nm ou 940 nm) et une caméra sans filtre anti-IR.
Réduire la fréquence d'images– Échangez la douceur contre la luminosité.
Utiliser la réduction du bruit temporel– La moyenne des images réduit le bruit mais peut provoquer des images fantômes si la scène bouge.
Performances en basse lumière dans différents types de modules de caméra
Module mini-caméra (pour endoscopie)– Ceux-ci ont de très petits capteurs (1/9″ à 1/6″) et de minuscules lentilles. Leurs performances en basse lumière sont intrinsèquement limitées. Pour compenser, les modules de caméra d'endoscope utilisent des LED lumineuses très proches de l'objectif. Pour un usage médical, la puissance lumineuse est limitée pour éviter l’échauffement des tissus, la sensibilité de la caméra est donc critique.
Module de caméra USB (UVC)– De nombreux modules de caméra UVC pour webcams utilisent de petits capteurs avec une capacité moyenne en faible luminosité. Cependant, les modules de caméras UVC professionnelles destinés à la surveillance ou à l'inspection industrielle utilisent souvent des capteurs BSI et des pixels plus grands. Ils prennent également en charge les ajustements automatiques du gain et de l’exposition.
Module de caméra OEM– Lorsque vous concevez un module de caméra OEM personnalisé, vous pouvez optimiser chaque aspect pour une faible luminosité : choisissez un capteur BSI avec de grands pixels, spécifiez un objectif en verre avec une ouverture f/1,8 et réglez la réduction du bruit du FAI. Il s’agit du meilleur moyen d’obtenir d’excellentes performances en faible luminosité pour une application spécifique.
Module de caméra à mise au point automatique– L'autofocus ajoute un élément d'objectif mobile, ce qui peut réduire légèrement l'ouverture maximale. Cependant, de nombreux modules de mise au point automatique atteignent toujours f/2,0‑f/2,4, ce qui est bon en basse lumière. L'avantage est que vous pouvez également vous concentrer sur des objets proches dans des conditions sombres.
Module caméra Raspberry Pi V3– La caméra officielle Raspberry Pi utilise un capteur Sony IMX708 (BSI, pixels de 1,4 µm en mode 4:3). Ses performances en basse lumière sont correctes pour un module grand public, mais pas aussi bonnes qu'une caméra industrielle dédiée à faible luminosité. Vous pouvez l'améliorer en réduisant la fréquence d'images et en utilisant l'option --nopreview pour éviter la surcharge du processeur.
Exemple pratique
Supposons que vous ayez besoin d'un mini module de caméra pour une inspection nocturne par drone. Vous avez deux options :
Option A : capteur 720p avec pixels de 2,2 µm, BSI, objectif f/2.0.
Option B : capteur 1080p avec pixels de 1,4 µm, objectif non BSI, f/2,8.
L'option A produira une image nocturne beaucoup plus nette, même si la résolution est inférieure. Pour la tâche du drone, vous n’avez pas besoin de 1080p : vous devez voir clairement le sujet dans l’obscurité. Par conséquent, choisissez le module offrant les meilleures performances en basse lumière.
Résumé
Les performances en basse lumière déterminent dans quelle mesure un module de caméra peut produire une image utilisable dans des conditions sombres ou sombres. Cela dépend de la taille des pixels (plus c'est grand, mieux c'est), de la technologie BSI, de l'ouverture de l'objectif, de la réduction du bruit du FAI et de la fréquence d'images. Lors de la sélection d'un module de caméra – qu'il s'agisse d'un module de mini-caméra pour l'endoscopie, d'un module de caméra USB pour la sécurité, d'un module de caméra OEM pour un appareil personnalisé, d'un module de caméra à mise au point automatique pour un lecteur de codes-barres, d'un module de caméra UVC pour une webcam, d'un module de caméra cmos pour la vision intégrée ou d'un module de caméra Raspberry Pi v3 pour un prototype – vérifiez toujours la taille en pixels du capteur et s'il utilise BSI. Dans des conditions de très faible luminosité, envisagez d'ajouter un éclairage IR et de réduire la fréquence d'images.
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