Ich habe zu viele 4K-Kameras gesehen, die bei Nacht versagen. Auf dem Datenblatt steht “4K Ultra HD”, aber nach Einbruch der Dunkelheit sieht das Filmmaterial wie ein körniges Durcheinander aus.
Die Pixelgröße ist der wichtigste Faktor für die Leistung Ihrer 4K-Kamera bei schwachem Licht. Jedes Pixel auf dem Sensor wirkt wie ein kleiner Eimer, der Licht sammelt. Größere Pixel sammeln mehr Licht, erzeugen stärkere Signale und liefern sauberere Bilder bei Nacht. Wenn ein 4K-Sensor 8 Millionen Pixel auf einen kleinen Chip packt, schrumpft jedes Pixel, und die Qualität bei schlechten Lichtverhältnissen nimmt schnell ab.
4K-PTZ-Kamera Sensor Pixelgröße Low-Light-Leistung
In diesem Artikel erkläre ich genau, wie die Pixelgröße funktioniert, auf welche Mikronzahlen Sie achten sollten und wie Sie eine 4K-PTZ-Kamera auswählen, die auch bei Sonnenuntergang funktioniert. Wenn Sie für professionelle Sicherheitsprojekte Kameras aus China beziehen, wird Sie das vor teuren Fehlern bewahren.
Inhaltsübersicht
Macht eine höhere Megapixelzahl meine Nachtsichtbilder in dunklen Bereichen lauter?
Früher dachte ich, mehr Megapixel bedeuten immer bessere Bilder. Dann habe ich eine Reihe von 8-MP-Kameras auf einer Ranch ohne Straßenbeleuchtung eingesetzt. Die Aufnahmen bei Tag waren gestochen scharf. Die Nachtaufnahmen waren fast unbrauchbar.
Ja, eine höhere Megapixelzahl kann durchaus dazu führen, dass Ihre Nachtaufnahmen stärker verrauscht sind. Wenn Sie mehr Pixel auf denselben Sensor packen, wird jedes Pixel kleiner. Kleinere Pixel fangen im Dunkeln weniger Photonen ein. Die Kamera verstärkt dann das schwache Signal elektronisch, und diese Verstärkung führt zu sichtbarer Körnung und Rauschen in Ihrem Filmmaterial.
höhere Megapixelzahl Nachtsicht Rauschen in dunklen Bereichen
Die Eimer-Analogie: Warum kleinere Pixel es schwer haben
Stellen Sie sich jedes Pixel wie einen kleinen Eimer vor, der im Regen steht. Ein großer Eimer fängt mehr Regentropfen auf. Ein kleiner Eimer fängt weniger auf. In der Fotografie und Überwachung besteht der “Regen” aus Photonen - winzigen Lichtteilchen.
Tagsüber gibt es jede Menge Photonen. Selbst kleine Eimer füllen sich schnell. Das Bild sieht großartig aus. Aber nachts sind die Photonen rar. Kleine Eimer sammeln kaum etwas. Der Prozessor der Kamera sieht ein sehr schwaches Signal und versucht, es zu verstärken. Diese Verstärkung wird “Gain” genannt. Und Verstärkung bringt Rauschen mit sich - diese hässlichen, tanzenden Flecken, die man in dunklen Aufnahmen sieht.
Wie die Zahlen funktionieren
Hier ist ein einfacher Vergleich. Stellen Sie sich zwei Sensoren mit der gleichen Größe vor - sagen wir 1/2,8 Zoll. Einer ist ein 2MP-Sensor. Der andere ist ein 8MP-Sensor (4K).
| Spezifikation | 2MP-Sensor | 8MP (4K) Sensor |
|---|---|---|
| Pixel insgesamt | 2,000,000 | 8,000,000 |
| Pixel Größe | ~2,9 µm | ~1,45 µm |
| Pixel-Bereich | ~8,41 µm² | ~2,10 µm² |
| Relative Lichterfassung | 4× mehr | 1× (Grundlinie) |
Der 2MP-Pixel hat ungefähr 4 Mal der lichtsammelnden Fläche des 4K-Pixels. Das ist kein kleiner Unterschied. Er ist gewaltig.
Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) im Klartext
Signal-Rausch-Verhältnis 1 ist nur eine schicke Umschreibung für die Frage, wie viele echte Bilddaten im Vergleich zu wie viel Rauschen vorhanden sind. Wenn ein Pixel 100 Photonen sammelt, beträgt das Rauschen etwa 10 (die Quadratwurzel aus 100). Ihr SNR ist also 10. Wenn ein kleineres Pixel nur 25 Photonen sammelt, beträgt das Rauschen etwa 5. Ihr SNR sinkt auf 5. Das Bild sieht doppelt so verrauscht aus.
Was dies für Ihr Projekt bedeutet
Wenn Sie Kameras auf einem gut beleuchteten Parkplatz in Dallas installieren, liefert eine 8-MP-Kamera mit einem 1/2,8″-Sensor tagsüber erstaunliche Details. Wenn Sie jedoch einen dunklen Zaun auf einer texanischen Ranch überwachen, wird Sie dieselbe Kamera bei Nacht enttäuschen. Die Megapixelzahl auf der Verpackung sagt nichts über die Fähigkeit bei schlechten Lichtverhältnissen aus. Sie müssen genauer hinsehen - auf die tatsächliche Pixelgröße.
Aus diesem Grund entscheiden sich viele erfahrene Integratoren nach wie vor für hochwertige 2MP- oder 4MP-Kameras für dunkle Umgebungen, anstatt blindlings auf 4K zu setzen. Die Auflösung bedeutet nichts, wenn das Bild verrauscht ist.
Was ist die ideale Mikron-Pixel-Größe, nach der ich bei einer professionellen 4K-PTZ-Kamera suchen sollte?
Diese Frage höre ich häufig von Systemintegratoren, die PTZ-Kameras aus China beziehen. Sie wollen 4K. Außerdem wollen sie saubere Nachtaufnahmen. Die Antwort läuft auf eine einzige Zahl hinaus: die Mikrongröße jedes Pixels.
Für professionelle 4K-PTZ-Kameras, die bei schlechten Lichtverhältnissen eingesetzt werden, sollten Sie auf eine Pixelgröße von mindestens 2,8 µm achten. Dies bedeutet in der Regel eine Sensorgröße von 1/1,2 Zoll oder größer. Sensoren wie der Sony IMX485 2 erreichen diese Marke und liefern echte Starlight-Leistung bei 4K-Auflösung. Alles, was unter 2,0 µm liegt, hat in der Dunkelheit Probleme.
Professionelle 4K-PTZ-Kamera mit idealer Mikron-Pixelgröße
Die Sensor-Landschaft: Was chinesische OEMs tatsächlich verwenden
Die meisten 4K-PTZ-Kameras aus China - ob von Hikvision, Dahua oder White-Label-OEM-Fabriken wie der unseren - verwenden CMOS-Sensoren von Sony. Das Sensormodell bestimmt die Pixelgröße, und die Pixelgröße bestimmt die Low-Light-Leistung. Hier ist die reale Aufschlüsselung:
| Sensor-Modell | Sensor Größe | Pixel Größe | Low-Light-Bewertung | Typischer Anwendungsfall |
|---|---|---|---|---|
| Sony IMX274 | 1/2.5″ | 1,62 µm | Schlecht | Nur tagsüber, benötigt IR in der Nacht |
| Sony IMX334 | 1/1.8″ | 2,0 µm | Mittel | Innenräume oder Bereiche mit etwas Beleuchtung |
| Sony IMX485 | 1/1.2″ | 2,8 µm | Ausgezeichnet (Starlight) | Außenbereich bei schwachem Licht, Vollfarbnacht |
| 1″ Exmor R CMOS | 1″ | ≥3,5 µm | Außergewöhnlich | Rundfunk, kritische Infrastruktur |
Warum 2,8 µm der Sweet Spot ist
Mit 2,8 µm hat ein 4K-Pixel die gleiche Lichtsammelfläche wie die besten 2MP-Sensoren von vor ein paar Jahren. Dies ist der Schwellenwert, ab dem 4K nicht mehr nur eine Tagesauflösung ist, sondern eine echte 24/7-Lösung wird.
Der Sony IMX485 ist der beliebteste Sensor in dieser Klasse. Er verwendet einen 1/1,2″-Chip, der jedem seiner 8 Millionen Pixel genügend Raum zum Atmen gibt. Der ausführliche Test von IP Cam Talk zu den Dahua-Kameras bestätigte, dass der Sprung von IMX274 (1,62 µm) zu IMX334 (2,0 µm) spürbar war, aber der Sprung zu IMX485 (2,8 µm) war revolutionär. Das war das erste Mal, dass eine 4K-Überwachungskamera wirklich das “Starlight”-Label verdient hat.
Vergessen Sie nicht BSI Architektur
Die Pixelgröße ist nicht das Einzige, was zählt. Auch die interne Architektur des Sensors spielt eine große Rolle. Herkömmliche Sensoren verwenden ein Front-Side-Illuminated-Design (FSI), bei dem die Verdrahtung über der lichtempfindlichen Schicht liegt. Dadurch wird ein Teil des einfallenden Lichts blockiert.
Rückseitenbeleuchtet (BSI) 3 Die Sensoren drehen das Design um. Die Verkabelung verläuft unterhalb. Das Licht trifft direkt auf die Fotodiode. Die STARVIS- und STARVIS 2-Serien von Sony verwenden alle BSI. Tests zeigen, dass ein BSI-Sensor in der Lage ist 24-40% empfindlicher als ein FSI-Sensor mit der gleichen Pixelgröße. So kann ein 2,0-µm-BSI-Sensor einen 2,4-µm-FSI-Sensor tatsächlich übertreffen.
Mein praktischer Rat
Wenn Sie ein Angebot von einem chinesischen PTZ-Hersteller anfordern, fragen Sie nach drei Dingen:
- Das genaue Sensormodell (z. B. IMX485, nicht nur “Sony-Sensor”)
- Die Sensorgröße (1/1,2″ oder größer für anspruchsvolle Arbeiten bei schwachem Licht)
- Ob BSI oder FSI (BSI ist das, was Sie wollen)
Wenn der Hersteller diese Fragen nicht beantworten kann, ist das ein Warnsignal. Bei Loyalty-Secu führen wir das Sensormodell und die Architektur auf jedem Produktdatenblatt auf, weil wir wissen, dass unsere Kunden - Integratoren wie Sie - Entscheidungen auf der Grundlage echter Daten und nicht auf der Grundlage von Marketingfloskeln treffen.
Wie bringt meine Kamera die 4K-Auflösung mit dem Bedarf an hoher Empfindlichkeit bei Nacht in Einklang?
Dies ist der technische Kompromiss, der Kameradesignern buchstäblich den Schlaf raubt. Sie wollen tagsüber scharfe 4K-Details. Sie wollen aber auch saubere, helle Bilder bei Dunkelheit. Diese beiden Ziele kämpfen auf einem kleinen Sensor gegeneinander.
Die Kamerahersteller bringen die 4K-Auflösung und die Nachtempfindlichkeit mit drei Hauptstrategien unter einen Hut: größere Sensorchips (z. B. 1/1,2″ oder 1″), eine rückseitig beleuchtete (BSI) Pixelarchitektur und lichtstarke Objektive mit großen Blendenöffnungen (F1,0 oder F1,2). Zusammen ermöglichen sie es einer 4K-Kamera, genügend Licht pro Pixel zu sammeln, um auch in nahezu völliger Dunkelheit brauchbare Aufnahmen zu machen.
Hochempfindlicher Nachtsensor mit 4K-Auflösung
Strategie 1: Einen größeren Sensor verwenden
Dies ist die einfachste Lösung. Wenn Sie 8 Millionen Pixel benötigen und jedes Pixel groß sein soll, verwenden Sie einfach einen größeren Chip. Axis Communications hat ein White Paper veröffentlicht, in dem dies klar zum Ausdruck kommt: Eine 4K-Kamera mit einem großen Sensor hat sowohl eine hohe Auflösung als auch große Pixel und schneidet bei schlechten Lichtverhältnissen deutlich besser ab als eine 4K-Kamera mit einem kleinen Sensor.
Hier sehen Sie, wie sich die Sensorgröße auf die Pixelgröße bei 4K-Auflösung auswirkt:
| Sensor Größe | Ungefähre Pixelgröße bei 4K | Low-Light-Fähigkeit |
|---|---|---|
| 1/2.8″ | ~1,45 µm | Schwach - starkes Rauschen unter 5 Lux |
| 1/2.5″ | ~1,62 µm | Schwach - braucht starke IR-Ergänzung |
| 1/1.8″ | ~2,0 µm | Mäßig - mit etwas Umgebungslicht nutzbar |
| 1/1.2″ | ~2,8 µm | Stark - Starlight vollfarbig fähig |
| 1″ | ~3,5 µm+ | Hervorragend - broadcasttaugliches Low-Light |
Die Kosten steigen mit der Sensorgröße. Ein 1/1,2″-Sensor kostet deutlich mehr als ein 1/2,8″-Sensor. Aber bei professionellen Einsätzen, bei denen ein Ausfall nicht in Frage kommt, macht sich die Investition bezahlt. Eine Lastwagenfahrt zu einem abgelegenen Standort, um eine defekte Kamera auszutauschen, kostet mehr als der Preisunterschied zwischen den Sensoren.
Strategie 2: BSI-Pixel-Architektur
Ich habe dies bereits erwähnt, aber es lohnt sich, es zu wiederholen, weil es so wichtig ist. Bei Sensoren mit rückseitiger Beleuchtung gelangt mehr Licht zu jedem Pixel. Sonys STARVIS 2 4 Technologie wird dies noch weiter vorangetrieben. Die Quanteneffizienz - der Prozentsatz der Photonen, die tatsächlich in ein elektrisches Signal umgewandelt werden - ist bei BSI-Chips deutlich höher.
In der Praxis kann ein BSI-Sensor mit 2,0 µm Pixeln mit einem älteren FSI-Sensor mit 2,4 µm Pixeln mithalten oder ihn sogar übertreffen. Aus diesem Grund können Sie eine Kamera nicht allein nach der Pixelgröße beurteilen. Man muss die Architektur kennen.
Strategie 3: Lichtstarke Objektive mit großer Blendenöffnung
Der Sensor ist nur die Hälfte der Gleichung. Das Objektiv bestimmt, wie viel Licht den Sensor überhaupt erreicht. Die Blendenöffnung wird durch die F-Zahl gemessen. Eine niedrigere F-Zahl bedeutet eine größere Öffnung und mehr Licht.
- F2.0: Standard. Lässt eine Grundmenge an Licht herein.
- F1.4: Lässt etwa 2× mehr Licht durch als F2.0.
- F1.2: Lässt etwa 2,8× mehr Licht durch als F2,0.
- F1.0: Lässt etwa 4× mehr Licht durch als F2.0.
Eine 4K-Kamera mit einem 2,8-µm-BSI-Sensor und einem F1.0-Objektiv ist etwas völlig anderes als eine 4K-Kamera mit einem 1,45-µm-FSI-Sensor und einem F2.0-Objektiv. Mit der ersten erhalten Sie vollfarbige Aufnahmen bei 0,01 Lux. Mit der zweiten erhalten Sie ein verrauschtes graues Durcheinander.
Strategie 4: ISP- und AI-basierte Rauschunterdrückung
Moderne Kameras nutzen auch ihren Bildsignalprozessor (ISP), um Rauschen digital zu beseitigen. Techniken wie 3D-Rauschunterdrückung (3D-DNR) und KI-gestütztes Frame-Stacking können die sichtbare Körnung reduzieren. Aber das sind nur Notlösungen, keine Heilmittel. Sie funktionieren am besten, wenn der Sensor bereits ein ordentliches Signal aufnimmt. Wenn das Rohsignal zu schwach ist - weil die Pixel zu klein sind - kann keine noch so gute Software-Verarbeitung das Bild retten. Sie erhalten dann ein glattes, verwaschenes Bild, bei dem alle feinen Details verloren gegangen sind, für die Sie 4K gekauft haben.
Die Quintessenz: Die Hardware steht an erster Stelle. Beginnen Sie mit einem großen Sensor, einer BSI-Architektur und einem lichtstarken Objektiv. Dann lassen Sie den ISP an dem bereits starken Bild feilen.
Hilft mir eine größere Pixelgröße, die Bewegungsunschärfe in meinen nächtlichen Sicherheitsaufnahmen zu reduzieren?
Bewegungsunschärfe bei Nacht ist eines der frustrierendsten Probleme im Sicherheitsbereich. Eine Person läuft durch das Bild und ihr Gesicht verwandelt sich in einen verschmierten Fleck. Sie haben das Bildmaterial, aber Sie können niemanden identifizieren. Ich habe diese Beschwerde schon von Dutzenden von Integratoren gehört.
Ja, größere Pixel tragen direkt zur Verringerung der Bewegungsunschärfe bei Nacht bei. Größere Pixel sammeln mehr Licht in kürzerer Zeit, so dass die Kamera eine kürzere Verschlusszeit verwenden kann, ohne dass das Bild zu dunkel wird. Eine kürzere Verschlusszeit friert Bewegungen ein. Bei kleinen Pixeln muss die Kamera eine lange Verschlusszeit verwenden, um genügend Licht zu sammeln, und diese lange Verschlusszeit ist genau das, was Bewegungsunschärfe verursacht.
größere Pixelgröße reduziert Bewegungsunschärfe bei nächtlichen Sicherheitsaufnahmen
Der Zusammenhang zwischen Verschlusszeit und Pixelgröße
Bei Nacht steht die Belichtungsautomatik Ihrer Kamera vor einer schwierigen Entscheidung. Sie braucht genügend Licht, um ein sichtbares Bild zu machen. Sie hat drei Werkzeuge: Blende, Verstärkung und Verschlusszeit.
- Blende ist in der Regel festgelegt oder durch das Objektivdesign begrenzt.
- Gewinnen Sie verstärkt das Signal, fügt aber Rauschen hinzu.
- Verschlusszeit steuert, wie lange jedes Bild belichtet wird.
Wenn die Pixel klein sind und die Szene dunkel ist, verlangsamt die Kamera den Verschluss, um mehr Licht durchzulassen. Eine Verschlusszeit von 1/15 Sekunde oder sogar 1/8 Sekunde ist bei billigen 4K-Kameras bei Nacht üblich. Bei einer Verschlusszeit von 1/15 Sekunde wird jede Person, die sich mit normaler Geschwindigkeit bewegt, unscharf abgebildet. Bei 1/8 Sekunde wird sogar ein langsam fahrendes Fahrzeug unlesbar.
Setzen Sie nun einen Großpixelsensor in dieselbe Szene ein. Die größeren Pixel sammeln mehr Photonen pro Millisekunde. Die Kamera kann die Verschlusszeit bei 1/30 oder sogar 1/60 Sekunde halten und trotzdem ein ausreichend helles Bild erhalten. Bei 1/60 Sekunde ist eine gehende Person wie eingefroren. Man kann ihr Gesicht, ihre Kleidung und ihren Gang sehen. Das ist der Unterschied zwischen einem Beweis und einer nutzlosen Unschärfe.
Die Auswirkungen auf die Identifizierung in der realen Welt
Bei Sicherheitsanwendungen geht es bei der Videoaufzeichnung vor allem um die Identifizierung. Nummernschilder, Gesichter, Kleidungsdetails - darauf kommt es an, wenn ein Vorfall eintritt. Bewegungsunschärfe macht sie alle zunichte.
Eine Kamera mit 2,8-µm-Pixeln auf einem 1/1,2″-Sensor kann in Verbindung mit einem F1,2-Objektiv eine Verschlusszeit von 1/30 s bei einer Beleuchtung von nur 0,1 Lux einhalten. Das ist eine mondbeschienene Nacht ohne Straßenbeleuchtung. Eine Kamera mit 1,45-µm-Pixeln auf einem 1/2,8-″-Sensor muss auf 1/8s heruntergehen oder die Verstärkung auf Maximum stellen. In beiden Fällen verlieren Sie.
Verstärkung vs. Verschlusszeit: Der Kompromiss
Einige Kameras versuchen, die Verschlusszeit zu verkürzen, indem sie stattdessen die Verstärkung erhöhen. Dies verhindert zwar Bewegungsunschärfe, führt aber zu starkem Rauschen. Sie tauschen ein Problem gegen ein anderes. Das Bild ist scharf, aber körnig, und feine Details wie Nummernschilder gehen im Rauschen unter.
Große Pixel lösen beide Probleme auf einmal. Mehr Licht pro Pixel bedeutet, dass Sie keine übermäßige Verstärkung UND keine lange Verschlusszeit benötigen. Sie erhalten ein sauberes, scharfes Bild. Das ist keine Marketingtheorie. Das ist Physik.
Was Sie Ihren Lieferanten fragen sollten
Wenn Sie eine 4K-PTZ-Kamera für den Einsatz bei Nacht bewerten, fragen Sie den Hersteller: “Wie hoch ist die Mindestausleuchtung bei einer Verschlusszeit von 1/30s und einer angemessenen Verstärkung?” In vielen technischen Datenblättern wird die Mindestausleuchtung bei einer Verschlusszeit von 1/1s und maximaler Verstärkung angegeben. Diese Zahl ist für echte Sicherheitsaufgaben bedeutungslos. Niemand möchte eine 1-Sekunden-Belichtung bei einer Sicherheitskamera. Verlangen Sie die Angabe von 1/30s. Das sagt Ihnen die Wahrheit über die reale Leistung der Kamera bei Nacht.
Bei Loyalty-Secu testen wir unsere Kameras mit realistischen Verschlusszeiten und veröffentlichen diese Zahlen. Denn wir wissen, dass unsere Kunden - Integratoren, die Systeme vor Ort einsetzen - Spezifikationen brauchen, denen sie vertrauen können, und nicht solche, die auf dem Papier gut aussehen.
Schlussfolgerung
Die Pixelgröße ist die Grundlage für die Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. Bei professionellen 4K-PTZ-Kameras sollten Sie Sensoren mit Pixeln ≥2,8 µm, BSI-Architektur und lichtstarken Objektiven den Vorzug geben, um Aufnahmen zu erhalten, die Sie auch nachts verwenden können.
1. Erklärung des Signal-Rausch-Verhältnisses für die Leistung des Bildsensors. ︎ 2. Spezifikationen und Pixelgröße des Sony IMX485 4K-Sensors. ︎ 3. Wie Sensoren mit rückseitiger Beleuchtung (BSI) die Lichterfassung verbessern. ︎ 4. Sony STARVIS 2 Technologie für Sicherheitskameras. ︎ 5. Quanteneffizienz in CMOS-Bildsensoren erklärt. ︎ 6. Berechnung der Blendenzahl und der Blendenöffnung für die Lichtsammlung. ︎ 7. 3D-Rauschunterdrückungstechnologie (3D-DNR) in IP-Kameras. ︎ 8. Mindestbeleuchtungsanforderungen bei realistischen Verschlusszeiten. ︎ 9. IP Cam Talk Forum IMX485 Bildbeispiele bei schlechten Lichtverhältnissen. ︎ 10. Whitepaper von Axis Communications zur Auswahl von 4K-Sensoren. ︎