In che modo la dimensione dei pixel del sensore di immagine influisce sulle prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione della telecamera 4K?

Ho visto troppe telecamere 4K fallire di notte. La scheda tecnica dice “4K ultra HD”, ma le riprese appaiono come un pasticcio sgranato dopo il tramonto.

La dimensione dei pixel è il fattore più importante per le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione della telecamera 4K. Ogni pixel del sensore agisce come un piccolo secchio che raccoglie la luce. I pixel più grandi raccolgono più luce, producono segnali più forti e offrono immagini più nitide di notte. Quando un sensore 4K stipa 8 milioni di pixel in un piccolo chip, ogni pixel si riduce e la qualità in condizioni di scarsa illuminazione diminuisce rapidamente.

Dimensione dei pixel del sensore della telecamera PTZ 4K Prestazioni in condizioni di scarsa luminosità

In questo articolo spiego esattamente come funziona la dimensione dei pixel, quali sono i numeri di micron da ricercare e come scegliere una telecamera PTZ 4K che funzioni effettivamente al tramonto. Se vi rifornite di telecamere dalla Cina per progetti di sicurezza professionali, questo vi eviterà errori costosi.

Un numero di megapixel più elevato rende le immagini di visione notturna più rumorose nelle aree scure?

Ero abituato a pensare che più megapixel significassero sempre immagini migliori. Poi ho utilizzato un gruppo di telecamere da 8 MP in un ranch senza illuminazione stradale. Le riprese diurne erano nitidissime. Le riprese notturne erano quasi inutili.

Sì, un numero maggiore di megapixel può assolutamente rendere le immagini notturne più rumorose. Quando si inseriscono più pixel nello stesso sensore, ogni pixel diventa più piccolo. I pixel più piccoli catturano meno fotoni al buio. La fotocamera quindi potenzia elettronicamente il segnale debole e questo potenziamento aggiunge grana e rumore visibili alle riprese.

numero di megapixel più elevato visione notturna rumore aree buie

L'analogia del secchio: Perché i pixel più piccoli faticano

Pensate a ogni pixel come a un piccolo secchio che si trova sotto la pioggia. Un secchio grande cattura più gocce di pioggia. Un secchio piccolo ne cattura meno. Nella fotografia e nella sorveglianza, la “pioggia” è costituita da fotoni, minuscole particelle di luce.

Durante il giorno, i fotoni sono in abbondanza. Anche i piccoli secchi si riempiono rapidamente. L'immagine è ottima. Ma di notte i fotoni scarseggiano. I piccoli secchi raccolgono a malapena qualcosa. Il processore della telecamera vede un segnale molto debole e cerca di amplificarlo. Questa amplificazione si chiama “guadagno”. Il guadagno porta con sé il rumore, ovvero quelle brutte macchioline danzanti che si vedono nelle riprese al buio.

Come funzionano i numeri

Ecco un semplice confronto. Immaginate due sensori con le stesse dimensioni fisiche, ad esempio 1/2,8 pollici. Uno è un sensore da 2MP. L'altro è un sensore da 8 MP (4K).

Specifiche	Sensore da 2MP	Sensore da 8 MP (4K)
Pixel totali	2,000,000	8,000,000
Dimensione dei pixel	~2,9 µm	~1,45 µm
Area pixel	~8,41 µm²	~2,10 µm²
Cattura della luce relativa	4× di più	1× (linea di base)

Il pixel da 2MP ha circa 4 volte l'area di raccolta della luce del pixel 4K. Non si tratta di una differenza minima. È enorme.

Rapporto segnale/rumore (SNR) in parole povere

Rapporto segnale/rumore ¹ è solo un modo elegante per dire “quanti dati reali dell'immagine rispetto a quanta spazzatura”. Quando un pixel raccoglie 100 fotoni, il rumore è circa 10 (la radice quadrata di 100). Quindi l'SNR è 10. Quando un pixel più piccolo raccoglie solo 25 fotoni, il rumore è circa 5. L'SNR scende a 5. L'immagine appare due volte più rumorosa. L'immagine appare due volte più rumorosa.

Cosa significa per il vostro progetto

Se si installano telecamere in un parcheggio ben illuminato di Dallas, una telecamera da 8 MP su un sensore da 1/2,8″ fornirà dettagli straordinari di giorno. Ma se state coprendo una recinzione perimetrale buia in un ranch del Texas, quella stessa telecamera vi deluderà di notte. Il conteggio dei megapixel sulla scatola non vi dice nulla sulle capacità in condizioni di scarsa illuminazione. È necessario guardare più a fondo, alle dimensioni effettive dei pixel.

Ecco perché molti integratori esperti scelgono ancora telecamere di alta qualità da 2MP o 4MP per gli ambienti bui, invece di inseguire ciecamente il 4K. La risoluzione non ha alcun significato se l'immagine è inficiata dal rumore.

Qual è la dimensione ideale dei micron-pixel che dovrei cercare in una telecamera PTZ 4K professionale?

Ricevo spesso questa domanda da integratori di sistemi che si riforniscono di telecamere PTZ dalla Cina. Vogliono il 4K. Vogliono anche riprese notturne pulite. La risposta si riduce a un numero: la dimensione in micron di ciascun pixel.

Per le telecamere PTZ professionali 4K utilizzate per la sicurezza in condizioni di scarsa illuminazione, è necessario cercare una dimensione dei pixel di almeno 2,8 µm. Ciò significa in genere un sensore di dimensioni pari o superiori a 1/1,2 pollici. Sensori come il modello Sony IMX485 ² e offrire prestazioni di livello Starlight alla risoluzione 4K. Qualsiasi cosa al di sotto dei 2,0 µm avrà difficoltà al buio.

telecamera PTZ professionale 4K con dimensione pixel ideale di un micron

Il panorama dei sensori: Cosa usano effettivamente gli OEM cinesi

La maggior parte delle telecamere PTZ 4K provenienti dalla Cina, siano esse marchiate Hikvision, Dahua o fabbriche OEM con marchio bianco come la nostra, utilizzano sensori CMOS di Sony. Il modello di sensore determina la dimensione dei pixel e la dimensione dei pixel determina le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Ecco la ripartizione del mondo reale:

Modello di sensore	Dimensioni del sensore	Dimensione dei pixel	Valutazione in condizioni di scarsa luminosità	Caso d'uso tipico
Sony IMX274	1/2.5″	1,62 µm	Povero	Solo di giorno, necessita di IR di notte
Sony IMX334	1/1.8″	2,0 µm	Medio	Ambienti interni o aree con una certa illuminazione
Sony IMX485	1/1.2″	2,8 µm	Eccellente (Starlight)	Notte a bassa luminosità e a colori per esterni
1″ Exmor R CMOS	1″	≥3,5 µm	Eccezionale	Broadcast, infrastrutture critiche

Perché 2,8 µm è il punto di forza

Con 2,8 µm, un pixel 4K ha la stessa area di raccolta della luce dei migliori sensori da 2MP di qualche anno fa. Questa è la soglia in cui il 4K smette di essere una risoluzione solo diurna e diventa una vera e propria soluzione 24 ore al giorno, 7 giorni su 7.

Il Sony IMX485 è il sensore più diffuso in questa categoria. Utilizza un chip 1/1,2″, che dà a ciascuno dei suoi 8 milioni di pixel abbastanza spazio per respirare. La recensione approfondita di IP Cam Talk sulle telecamere Dahua ha confermato che il salto dall'IMX274 (1,62 µm) all'IMX334 (2,0 µm) è stato notevole, ma il passaggio all'IMX485 (2,8 µm) è stato trasformativo. È stata la prima volta che una telecamera di sicurezza 4K si è guadagnata l'etichetta “Starlight”.

Non dimenticate l'architettura BSI

La dimensione dei pixel non è l'unica cosa che conta. Anche l'architettura interna del sensore gioca un ruolo importante. I sensori tradizionali utilizzano un design con illuminazione frontale (FSI), in cui il cablaggio si trova sopra lo strato sensibile alla luce. Questo blocca parte della luce in entrata.

Retroilluminato (BSI) ³ i sensori capovolgono il design. Il cablaggio passa sotto. La luce colpisce direttamente il fotodiodo. Le linee STARVIS e STARVIS 2 di Sony utilizzano tutte un sensore BSI. I test dimostrano che un sensore BSI può essere 24-40% più sensibile di un sensore FSI con la stessa dimensione dei pixel. Quindi un sensore BSI da 2,0 µm può effettivamente superare un sensore FSI da 2,4 µm.

I miei consigli pratici

Quando richiedete un preventivo a qualsiasi produttore cinese di PTZ, chiedete tre cose:

1. Il modello esatto del sensore (ad esempio, IMX485, non solo “sensore Sony”)
2. Le dimensioni del sensore (1/1,2″ o superiore per lavori seri in condizioni di scarsa illuminazione)
3. Che si tratti di BSI o FSI (BSI è quello che volete)

Se la fabbrica non è in grado di rispondere a queste domande, è un segnale di allarme. Noi di Loyalty-Secu elenchiamo il modello e l'architettura del sensore su tutte le schede tecniche dei prodotti, perché sappiamo che i nostri clienti - gli integratori come voi - prendono decisioni basate su dati reali, non su chiacchiere di marketing.

Come si concilia la risoluzione 4K con la necessità di un'elevata sensibilità notturna?

Questo è il compromesso ingegneristico che tiene svegli i progettisti di telecamere di notte, letteralmente. Si vogliono dettagli 4K nitidi durante il giorno. Si vogliono anche immagini pulite e luminose dopo il tramonto. Questi due obiettivi si scontrano su un sensore di piccole dimensioni.

I produttori di fotocamere bilanciano la risoluzione 4K e la sensibilità notturna utilizzando tre strategie principali: chip del sensore più grandi (come 1/1,2″ o 1″), architettura dei pixel con illuminazione sul lato posteriore (BSI) e obiettivi veloci con aperture ampie (F1,0 o F1,2). L'insieme di questi elementi consente a una telecamera 4K di raccogliere una quantità di luce per pixel sufficiente a produrre filmati utilizzabili anche in condizioni di quasi oscurità.

Sensore della telecamera con bilanciamento notturno ad alta sensibilità con risoluzione 4K

Strategia 1: utilizzare un sensore più grande

Questa è la soluzione più semplice. Se si ha bisogno di 8 milioni di pixel e si desidera che ogni pixel sia grande, è sufficiente utilizzare un chip più grande. Axis Communications ha pubblicato un white paper che lo afferma chiaramente: una telecamera 4K con un sensore di grandi dimensioni ha sia un'alta risoluzione che pixel di grandi dimensioni, e in condizioni di scarsa illuminazione si comporta significativamente meglio di una telecamera 4K con un sensore piccolo.

Ecco come la dimensione del sensore influisce sulla dimensione dei pixel alla risoluzione 4K:

Dimensioni del sensore	Dimensioni approssimative dei pixel a 4K	Capacità in condizioni di scarsa illuminazione
1/2.8″	~1,45 µm	Debole - forte rumore al di sotto dei 5 Lux
1/2.5″	~1,62 µm	Debole - necessita di un forte supplemento di IR
1/1.8″	~2,0 µm	Moderato - utilizzabile con un po' di luce ambientale
1/1.2″	~2,8 µm	Forte - In grado di illuminare le stelle a colori
1″	~3,5 µm+	Eccellente: luce scarsa di livello broadcast

Il costo aumenta con le dimensioni del sensore. Un sensore da 1/1,2″ costa molto di più di un sensore da 1/2,8″. Ma per le installazioni professionali, dove il guasto non è un'opzione, l'investimento si ripaga da solo. Un solo viaggio in un sito remoto per sostituire una telecamera difettosa costa più della differenza di prezzo tra i sensori.

Strategia 2: Architettura dei pixel BSI

Ne ho parlato sopra, ma vale la pena ripeterlo perché è molto importante. I sensori retroilluminati lasciano che una maggiore quantità di luce raggiunga ogni pixel. Il sensore di Sony STARVIS 2 ⁴ La tecnologia BSI spinge ancora più in là questo aspetto. L'efficienza quantistica - la percentuale di fotoni che viene effettivamente convertita in segnale elettrico - è significativamente più alta nei chip BSI.

In pratica, un sensore BSI con pixel da 2,0 µm può eguagliare o battere un vecchio sensore FSI con pixel da 2,4 µm. Ecco perché non si può giudicare una fotocamera solo dalla dimensione dei pixel. È necessario conoscere l'architettura.

Strategia 3: Obiettivi veloci con aperture ampie

Il sensore è solo metà dell'equazione. L'obiettivo determina la quantità di luce che raggiunge il sensore. L'apertura è misurata con il numero F. Un numero F più basso significa un'apertura più ampia e una maggiore quantità di luce.

• F2.0: Standard. Permette l'ingresso di una quantità di luce di base.
• F1.4: Lascia entrare circa 2 volte più luce rispetto a F2.0.
• F1.2: Lascia entrare circa 2,8 volte più luce rispetto a F2.0.
• F1.0: Lascia entrare circa 4 volte più luce rispetto a F2.0.

Una fotocamera 4K con un sensore BSI da 2,8 µm e un obiettivo F1.0 è un animale completamente diverso da una fotocamera 4K con un sensore FSI da 1,45 µm e un obiettivo F2.0. La prima vi darà filmati a colori a 0,01 Lux. La seconda vi darà un pasticcio grigio e rumoroso.

Strategia 4: Riduzione del rumore basata su ISP e AI

Le fotocamere moderne utilizzano anche il processore del segnale d'immagine (ISP) per ripulire il rumore in modo digitale. Tecniche come la riduzione del rumore 3D (3D-DNR) e lo stacking di fotogrammi con intelligenza artificiale possono ridurre la grana visibile. Ma si tratta di cerotti, non di cure. Funzionano meglio quando il sensore cattura già un segnale decente. Se il segnale grezzo è troppo debole, perché i pixel sono troppo piccoli, nessuna elaborazione software può salvare l'immagine. Si otterrà un'immagine liscia e sminuzzata che ha perso tutti i dettagli fini per cui si è acquistato il 4K.

In conclusione: l'hardware viene prima di tutto. Iniziate con un sensore di grandi dimensioni, un'architettura BSI e un obiettivo veloce. Poi lasciamo che sia l'ISP a lucidare quella che è già un'immagine forte.

Una dimensione maggiore dei pixel mi aiuterà a ridurre la sfocatura da movimento nelle mie riprese di sicurezza notturne?

La sfocatura del movimento di notte è uno dei problemi più frustranti della sicurezza. Una persona passa attraverso l'inquadratura e il suo volto diventa una chiazza spalmata. Si ha il filmato, ma non si riesce a identificare nessuno. Ho sentito questa lamentela da decine di integratori.

Sì, i pixel più grandi aiutano direttamente a ridurre l'effetto mosso di notte. I pixel più grandi raccolgono più luce in meno tempo, quindi la fotocamera può utilizzare una velocità di scatto più elevata senza rendere l'immagine troppo scura. Una velocità dell'otturatore più elevata congela il movimento. Con i pixel piccoli, la fotocamera deve usare un otturatore lento per raccogliere abbastanza luce, e l'otturatore lento è esattamente ciò che causa la sfocatura del movimento.

I pixel di dimensioni maggiori riducono la sfocatura del movimento nelle riprese di sicurezza notturne

Come sono collegate la velocità dell'otturatore e la dimensione del pixel

Di notte, il sistema di esposizione automatica della fotocamera deve affrontare una scelta difficile. Ha bisogno di luce sufficiente per ottenere un'immagine visibile. Ha tre strumenti: apertura, guadagno e velocità dell'otturatore.

• Apertura è solitamente fisso o limitato dalla struttura dell'obiettivo.
• Guadagno amplifica il segnale ma aggiunge rumore.
• Velocità dell'otturatore controlla la durata dell'esposizione di ciascun fotogramma.

Quando i pixel sono piccoli e la scena è buia, la fotocamera rallenta l'otturatore per far entrare più luce. Una velocità dell'otturatore di 1/15 di secondo o addirittura di 1/8 di secondo è comune nelle fotocamere 4K economiche di notte. A 1/15 di secondo, qualsiasi persona che cammina a velocità normale sarà sfocata. A 1/8 di secondo, anche un veicolo in lento movimento diventa illeggibile.

Ora mettete un sensore a pixel grandi nella stessa scena. I pixel più grandi raccolgono più fotoni per millisecondo. La fotocamera può tenere l'otturatore a 1/30 o addirittura a 1/60 di secondo e ottenere comunque un'immagine sufficientemente luminosa. A 1/60 di secondo, una persona che cammina è congelata. È possibile vedere il suo volto, i suoi vestiti, la sua andatura. Questa è la differenza tra una prova e un'inutile sfocatura.

L'impatto sul mondo reale dell'identificazione

Per le applicazioni di sicurezza, l'obiettivo della registrazione video è l'identificazione. Targhe, volti, dettagli dell'abbigliamento: sono questi che contano quando si verifica un incidente. La sfocatura da movimento li distrugge tutti.

Una fotocamera con pixel da 2,8 µm su un sensore da 1/1,2″, abbinata a un obiettivo F1,2, può mantenere una velocità dell'otturatore di 1/30s in condizioni di 0,1 Lux. Vale a dire una notte di luna senza luci stradali. Una fotocamera con pixel da 1,45 µm su un sensore da 1/2,8″ dovrà scendere a 1/8s o portare il guadagno al massimo. In ogni caso, si perde.

Guadagno vs. velocità dell'otturatore: il compromesso

Alcune fotocamere cercano di mantenere l'otturatore veloce aumentando il guadagno. In questo modo si evita l'effetto mosso, ma si introduce un forte rumore. Si scambia un problema con un altro. L'immagine è nitida ma ricoperta di grana e i dettagli più fini, come i numeri di targa, scompaiono nella staticità.

I pixel grandi risolvono entrambi i problemi contemporaneamente. Più luce per pixel significa che non è necessario un guadagno eccessivo E non è necessario un otturatore lento. Si ottiene un'immagine pulita e nitida. Non si tratta di teoria del marketing. È fisica.

Cosa chiedere al fornitore

Quando si valuta una telecamera PTZ 4K per l'uso notturno, chiedere al produttore: “Qual è l'illuminazione minima a una velocità dell'otturatore di 1/30s, con un guadagno a un livello ragionevole?”. Molte schede tecniche riportano l'illuminazione minima a una velocità dell'otturatore di 1/1s con il massimo guadagno. Questo numero non ha alcun significato per il lavoro di sicurezza reale. Nessuno vuole un'esposizione di 1 secondo su una telecamera di sicurezza. Chiedete le specifiche a 1/30s. In questo modo si ottiene la verità sulle prestazioni notturne della telecamera nel mondo reale.

Noi di Loyalty-Secu testiamo le nostre telecamere con velocità di scatto realistiche e pubblichiamo questi dati. Perché sappiamo che i nostri clienti - gli integratori che distribuiscono i sistemi sul campo - hanno bisogno di specifiche di cui fidarsi, non di quelle che sembrano buone sulla carta.

Conclusione

La dimensione dei pixel è alla base delle prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Per le telecamere PTZ 4K professionali, la priorità è data ai sensori con pixel ≥2,8 µm, all'architettura BSI e agli obiettivi veloci, per ottenere riprese che possano essere effettivamente utilizzate di notte.

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1. Rapporto segnale/rumore spiegato per le prestazioni del sensore di immagine. ︎ 2. Specifiche del sensore Sony IMX485 4K e dimensioni dei pixel. ︎ 3. Come i sensori retroilluminati (BSI) migliorano la cattura della luce. ︎ 4. Tecnologia Sony STARVIS 2 per le telecamere di sicurezza. ︎ 5. Spiegazione dell'efficienza quantistica nei sensori di immagine CMOS. ︎ 6. Calcolo del numero F e dell'apertura per la raccolta della luce. ︎ 7. Tecnologia di riduzione del rumore 3D (3D-DNR) nelle telecamere IP. ︎ 8. Specifiche di illuminazione minima con tempi di posa realistici. ︎ 9. IP Cam Talk forum Esempi di immagini in condizioni di scarsa illuminazione IMX485. ︎ 10. Libro bianco di Axis Communications sulla selezione dei sensori 4K. ︎