Sensibilidade à Luz: Sony IMX183 vs Onsemi AR2020
Gaspar van Elmbt
A sensibilidade à luz é um parâmetro crítico na seleção de câmaras industriais para aplicações de imagem em baixa luminosidade. Este artigo apresenta uma avaliação comparativa de dois sensores: o Sony IMX183 e o Onsemi AR2020, implementados, respetivamente, nas câmaras MER2-2000-19U3M e MER2-2002-20U3M.
Ao analisar testes realizados com ajuste de ganho, tempos de exposição variados e amplificação digital do sinal, este estudo destaca o desempenho de sensibilidade à luz dos dois sensores sob condições de iluminação desafiantes. Como ambas as câmaras estavam equipadas com lentes idênticas ajustadas para a mesma abertura (F2.4) e com características ópticas correspondentes, os resultados podem ser baseados unicamente no desempenho intrínseco dos sensores. Ao analisar testes realizados com ajuste de ganho, tempos de exposição variados e amplificação digital do sinal, o estudo revela a sensibilidade à luz dos dois sensores sob condições de iluminação desafiantes.
Table of contents
| Modelo de Câmera | MER2-2000-19U3M | MER2-2002-20U3M |
|---|---|---|
|
Sensor |
Sony IMX183 Rolling Shutter CMOS |
Onsemi AR2020 Rolling Shutter CMOS |
|
Resolução |
5496 x 3672 |
5120 x 3840 |
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Total de píxeis |
20.48 MP |
20 MP |
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Tamanho do pixel |
2.4 um |
1.4 um |
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Formato Óptico |
1" |
1/1.8" |
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SNR |
42.08 dB |
39.41 dB |
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Intervalo de Ganho Padrão |
0 dB - 24 dB |
0 dB - 24 dB |
|
Ganho (se utilizar Remover Limites de Parâmetros) |
0 dB - 27 dB |
0 dB - 50.6 dB |
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Tempo de Exposição Padrão |
12us - 1s |
26us - 1s |
|
Exposição (se utilizar Remover Limites de Parâmetro) |
12us - 15s |
26us - 15s |
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Profundidade de bits do pixel |
8-bit, 12-bit |
8-bit, 12-bit |
Influência do Ganho, Exposição e Deslocamento Digital no IMX183 vs AR2020
Ganho, exposição e deslocamento digital são características essenciais que contribuem para a capacidade de uma câmera captar luz e influenciar o brilho e a qualidade das imagens, especialmente em condições de iluminação variadas.
Testes de Sensibilidade à Luz IMX183 vs AR2020
Teste de Referência do IMX183 vs AR2020
Defina o ganho para 0dB. Isto fornece uma linha de base sem ruído adicional proveniente da amplificação.
Para estabelecer uma medida fundamental da sensibilidade nativa à luz, ambas as câmaras foram testadas com ganho zero (0 dB). Os tempos de exposição foram aumentados progressivamente de 40 ms para 50 ms, e o digital shift (a capacidade interna do sensor para amplificar a saída digital) foi aplicado progressivamente até ao máximo permitido por cada modelo.
- Com uma exposição de 40 ms sem ganho, as imagens de ambos os sensores apresentaram-se relativamente escuras, com visibilidade limitada dos detalhes do gráfico de teste.
- Quando a exposição foi aumentada para 50 ms e o desvio digital máximo foi aplicado, o sensor Sony IMX183 produziu imagens ligeiramente mais brilhantes e com maior contraste em comparação com o sensor Onsemi AR2020 nas mesmas condições.
- O sensor IMX183 apresenta sobre-exposição quando sujeito a um ajuste digital agressivo e a tempos de exposição mais longos.
Teste de Ganho Digital do IMX183 vs AR2020
Na fase seguinte, ambos os sensores foram testados com o ganho analógico máximo (24 dB) e um tempo de exposição fixo de 10 ms.
À medida que o ganho analógico aumenta de 12 dB para 24 dB, ambas as câmaras apresentam um aumento claro no brilho da imagem em cada passo de ganho. Os detalhes do gráfico de teste tornam-se gradualmente mais visíveis em ambas as câmaras.
- 12 dB Ganho:
Neste nível de ganho mais baixo, ambos os sensores produziram imagens relativamente escuras, com apenas alguns detalhes ténues do gráfico de teste visíveis. O OnSemi AR2020 apresentou-se ligeiramente mais escuro do que o Sony IMX183 nesta fase.
- Ganho de 18 dB:
Aumentar o ganho para 18 dB resultou numa melhoria do brilho para ambos os sensores, especialmente nas áreas mais claras das imagens, tornando os detalhes do gráfico mais visíveis. O Sony IMX183 apresentou uma ligeira vantagem no brilho geral. No entanto, o ruído tornou-se mais evidente nas regiões mais escuras de ambas as imagens.
- 24 dB Ganho (Máximo):
Ambas as câmaras atingem as suas imagens mais brilhantes com máxima visibilidade de detalhes. O IMX183 mantém um contraste marginalmente superior. No entanto, o ruído e a granulação aumentam significativamente, reduzindo a clareza dos detalhes finos em ambos os sensores.
Teste de Deslocamento Digital do IMX183 vs AR2020
Aqui, ambas as câmaras industriais estão configuradas para o seu ganho máximo predefinido (24 dB), variando tanto o tempo de exposição como os valores de deslocamento digital.
- Ganho Máximo + Deslocamento Digital Inicial:
Com uma exposição de 10 ms e um deslocamento digital mínimo (deslocamento 1), o sensor Sony IMX183 oferece maior brilho e contraste. Os detalhes do gráfico de teste são bem visíveis nas imagens do IMX183, enquanto as imagens do OnSemi AR2020 aparecem moderadamente visíveis, mas menos brilhantes.
- Ganho Máximo + Deslocamento Digital Máximo:
Com o mesmo tempo de exposição, mas com o deslocamento digital máximo aplicado (deslocamento 4 para o IMX183, deslocamento 2 para o AR2020), as imagens do IMX183 tornam-se extremamente brilhantes, evidenciando uma sobre-exposição total. Em contraste, o AR2020 mantém-se equilibrado, com bom detalhe e contraste.
Isto sugere que, embora a maior gama de deslocamentos digitais do IMX183 permita uma amplificação de sinal mais agressiva, isso acarreta o risco de sobre-exposição e possível perda de gama dinâmica. Para ultrapassar esta limitação, a redução do tempo de exposição pode ajudar a preservar o detalhe da imagem.
- Exposição Baixa + Deslocamento Digital Máximo:
Com um tempo de exposição muito baixo (3 ms), ganho máximo e deslocamento digital máximo, ambos os sensores recuperam bem o brilho e os detalhes do gráfico, embora o IMX183 pareça novamente mais brilhante do que o AR2020.
O AR2020 mantém mais gradações tonais, enquanto o IMX183 tende para os meios-tons mais claros.
- Baixa Exposição + Deslocamento Digital Igual:
Quando ambas as câmaras estão configuradas para o mesmo deslocamento digital (deslocamento 2) com baixa exposição e ganho máximo, os seus níveis de brilho tornam-se praticamente iguais. O ruído permanece visível em ambos os sensores nestas condições.
Expansão da Gama de Ganho: Utilização da Remoção de Limites de Parâmetros para Sensibilidade Máxima
Os parâmetros da Câmera normalmente têm limites definidos de fábrica para garantir um desempenho ideal e elevada qualidade de imagem. No entanto, para aplicações específicas, os utilizadores podem necessitar de estender estes intervalos. A funcionalidade "Remover Limites de Parâmetros" permite expandir o intervalo ajustável de determinados parâmetros para além dos valores predefinidos de fábrica.
Quando esta funcionalidade é aplicada, o ganho máximo permitido é estendido da seguinte forma:
- MER2-2000-19U3M: de 0 dB até 27 dB
- MER2-2002-20U3M: de 0 dB até 50,6 dB
Para evitar a sobre-exposição em ganhos muito elevados (50,6 dB), o tempo de exposição da Câmera MER2-2002-20U3M é reduzido de 10 ms para 0,5 ms
Nestes níveis de ganho muito elevados, o ruído torna-se um fator crítico que afeta a qualidade da imagem. As imagens captadas a 50,6 dB de ganho no OnSemi AR2020 apresentam grão e ruído visíveis, que persistem mesmo quando outros parâmetros são ajustados.
Ao comparar imagens entre o Sony IMX183 e o AR2020 nestes valores extremos de ganho, ambos parecem algo semelhantes; no entanto, o IMX183 oferece uma imagem globalmente mais limpa e brilhante.
No cenário de teste final, ambos os sensores foram levados ao máximo de ganho, deslocamento digital e definições de exposição. Nessas condições, as imagens do IMX183 apresentam uma sobre-exposição severa, levando a uma perda significativa de detalhes nas áreas de realce e zonas claras.
Em contraste, embora as imagens do AR2020 tenham um nível de exposição mais baixo, continuam a revelar detalhes nas regiões mais escuras do gráfico de teste.
Isto realça a importância de equilibrar as definições: remover os limites do sensor permite aumentar a sensibilidade, mas também aumenta o ruído e pode degradar a qualidade da imagem.
No caso do AR2020, isto resulta em ruído visível em ganhos extremos, e o IMX183 sofre uma perda total de detalhes devido à sobre-exposição.
Conclusões sobre a sensibilidade à luz do IMX183 vs AR2020
Em comparação, o sensor Sony IMX183 oferece vantagens como um tamanho de pixel maior (2,4 µm vs. 1,4 µm) e uma relação sinal-ruído ligeiramente superior (42,08 dB vs. 39,41 dB), resultando numa melhor sensibilidade à luz por pixel e imagens mais limpas. O Onsemi AR2020, no entanto, proporciona um ganho máximo configurável muito mais elevado, o que pode torná-lo mais flexível em condições extremas de baixa luminosidade, onde é necessário amplificar o sinal, mesmo que seja introduzido ruído adicional.
No geral, ambos os sensores demonstram capacidades robustas, com apenas diferenças marginais na qualidade de imagem sob condições padrão. O IMX183 pode fornecer resultados ligeiramente mais brilhantes e limpos devido ao seu tamanho de pixel e vantagem de SNR, enquanto o AR2020 destaca-se quando definições de ganho mais elevadas são essenciais. A escolha ideal depende, em última análise, dos requisitos exatos da sua aplicação de imagem em baixa luminosidade.
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