2022/05/13ضوضاء القراءة هي عدم اليقين المتأصل في القياس الإلكتروني لعدد الإلكترونات الضوئية التي رصدتها الكاميرا. ويتم تحديدها عادةً فيالإلكترونات (e⁻ RMS)ويعتمد ذلك على سرعة القراءة، ووضع الكسب/الكسب التحويلي، وتكوين محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية، ومنطقة الاهتمام - لذا لا يمكن مقارنته إلا عندما تتطابق الظروف.
في مشاهد مشرقة،صوت إطلاق نارعادةً ما يهيمن التشويش الناتج عن القراءة، ويكون تأثيره ضئيلاً. أما في التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة - كالتصوير الفلوري الضعيف، وعلم الفلك، والتصوير عالي السرعة ذي التعريض القصير - فقد يُحدّ التشويش الناتج عن القراءة بشكلٍ كبير من نسبة الإشارة إلى الضوضاء، بل وحتى من إمكانية الكشف.
يوضح هذا الدليل كيفية تفسير مواصفات ضوضاء القراءة، ومتى يكون ذلك مهمًا، وما هي الإعدادات التي تغيرها، وكيفية قياسها بشكل موثوق.
ما هو تشويش القراءة؟
ضوضاء القراءة (تسمى غالبًاضوضاء القراءة) هو عدم اليقين العشوائي الذي يحدث عند استخدام الكاميرايقرأ بصوت عالٍالصورة - أي عندما يتم تحويل الشحنة المجمعة في كل بكسل إلى جهد كهربائي، ثم يتم تحويلها إلى رقم رقمي. حتى مع وجود بصريات مثالية ومشهد ثابت، فإن إلكترونيات القراءة لا تخلو تمامًا من التشويش: فالمضخمات، ودوائر إعادة الضبط وأخذ العينات، ومسارات الإشارة التناظرية، ومحول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) كلها عوامل قد تُساهم في حدوث تقلبات طفيفة. والنتيجة هي خطأ عشوائي لكل بكسل ولكل إطار يُضاف أثناء القراءة.
الشكل 1: صورة محدودة بضوضاء القراءة
في هذا النظام ذي الإضاءة المنخفضة للغاية، تكون قيم الإشارة قابلة للمقارنة مع ضوضاء القراءة، مما يعني أن ضوضاء القراءة هي العامل المحدد الرئيسي لنسبة الإشارة إلى الضوضاء.
لأن المستشعر يقيس الضوء في النهاية كـالإلكتروناتيتم تحديد ضوضاء القراءة بشكل شائع فيالإلكترونات (e⁻)، عادةً كـنظام إدارة الإيرادات الإلكترونييُسهّل التعبير عن الضوضاء بالإلكترونات مقارنة الأداء بين إعدادات الكاميرات ونماذجها المختلفة. (إذا بدأت من وحدة DN، فإن التحويل إلى e⁻ يتطلب كسب تحويل النظام).e⁻/DNفي الكاميرات العلمية الحديثة، يمكن أن يكون تشويش القراءة منخفضًا جدًا - غالبًا عندمستوى RMS يتراوح بين 1 و3 إلكترون في أوضاع الضوضاء المنخفضةللتصوير في الإضاءة المنخفضة - على الرغم من أن القيمة الدقيقة تعتمد على سرعة القراءة، ووضع الكسب / كسب التحويل، وتكوين محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية، ومنطقة الاهتمام، ودرجة الحرارة.
القيم النموذجية وأسباب اختلافها
بالنسبة للكثيرينكاميرات sCMOSلقد انخفض مستوى ضوضاء القراءة إلى درجة تسمح بقياس الإشارات الصغيرة جدًا بدقة عالية. قد تُظهر تقنيات الاستشعار الأخرى وأنماط التشغيل ضوضاء قراءة أعلى، خاصةً عند تحسينها لتحقيق أقصى معدل إطارات. انظر الجدول 1 للاطلاع على بعض القيم التمثيلية. لهذا السبب، من الضروري مقارنة ضوضاء القراءة فقط في ظل ظروف اختبار متطابقة (النمط، سرعة القراءة، الكسب، عمق البت، منطقة الاهتمام، إلخ).
الجدول 1: قيم الضوضاء RMS النموذجية للقراءة لتقنيات الكاميرات العلمية المختلفة
* تحتوي كاميرات EMCCD على مصادر ضوضاء إضافية تقلل من حساسيتها
** تقنية sCMOS عالية السرعة مثلكاميرا Tucsen Dhyana 2100 sCMOS
*** سرعة عاليةكاميرات CMOSتُستخدم هذه الكاميرات في التصوير العلمي وفي الأفلام لالتقاط الحركة السريعة. ولا يمكن استخدامها عادةً في التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة نظرًا لارتفاع مستوى التشويش فيها الذي يُخفي الإشارات الضعيفة.
مقارنة بين متوسط الجذر التربيعي للضوضاء ومتوسط الضوضاء أثناء القراءة (ولماذا تُظهر بعض جداول البيانات رقمين)
في مستشعرات CMOS/sCMOS، قد يختلف مستوى ضوضاء القراءة قليلاً من بكسل لآخر، لذا من المفيد اعتباره توزيعًا بدلاً من قيمة واحدة. كما تُظهر بعض الكاميرات "ذيلًا" صغيرًا من البكسلات ذات الضوضاء الأعلى، حيث تكون تأثيرات مثل ضوضاء التلغراف العشوائية (RTN) أكثر وضوحًا.
باختصار، قد تُبلغ الشركات المصنعة عن قيمة متوسطة (نموذجية) لضوضاء القراءة، وأحيانًا عن قيمة RMS إضافية أكثر حساسية للبكسلات ذات الضوضاء العالية. قد تختلف التعريفات من شركة مصنعة لأخرى، لذا فإن أفضل طريقة هي التحقق من طريقة القياس والشروط المذكورة، خاصةً عند مقارنة الكاميرات أو اختيار وضع التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة.
كيفية قراءة مواصفات ضوضاء القراءة؟
لا يكون لقيمة ضوضاء القراءة معنى إلا إذا كانت مرتبطة بكيفية تشغيل الكاميرا أثناء القياس. يمكن أن يؤثر كل من الوضع، وعمق البت، وسرعة القراءة، والكسب/كسب التحويل، ومنطقة الاهتمام على هذه القيمة، لذا قارن المواصفات دائمًا في ظل ظروف متطابقة.
ظروف الاختبار مهمة
لا يكون لرقم ضوضاء القراءة معنى إلا عندما يرتبط بـظروف التشغيلتُستخدم لقياسه. قد تُظهر الكاميرا نفسها قيمًا مختلفة اعتمادًا على وضع القراءة والتكوين، لذا فإن "الأقل" ليس بالضرورة "أفضل" إلا إذا كنت تقارن بين أشياء متشابهة. قبل مقارنة الكاميرات - أو حتى وضعين في الكاميرا نفسها - ابحث عن هذه الشروط في جدول بيانات المنتج، أو الحواشي، أو مخططات الأداء:
●سرعة القراءة / معدل البكسل (كيلوهرتز - ميجاهرتز):تؤدي سرعة القراءة عادةً إلى زيادة ضوضاء القراءة.
وضع الكسب / كسب التحويل (على سبيل المثال، HCG/LCG): يغير e⁻/DN ويمكنه تغيير قيمة الضوضاء المبلغ عنها.
●مسار محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية / عمق البت:توفر بعض الكاميرات أوضاع تحويل تناظري رقمي متعددة تؤثر على الضوضاء وسلوك التكميم.
●مناطق الاهتمام وقنوات القراءة:يمكن أن تغير منطقة الاهتمام طريقة قراءة المستشعر وقد تغير الأداء في بعض البنى.
●درجة الحرارة (إن وجدت):غالباً ما يتم قياس المواصفات عند درجة حرارة محددة للمستشعر؛ لذا قارن دائماً في ظل ظروف مماثلة.
إذا ظهر رقم ضوضاء القراءة الرئيسي بدون سياق الوضع/السرعة، فتعامل معه على أنه غير مكتمل وابحث عن جدول الوضع التفصيلي أو الرسم البياني.
القيمة النموذجية مقابل القيمة القصوى / الوسيط مقابل الجذر التربيعي المتوسط: لماذا قد ترى رقمين
بسبب بنى القراءة المتوازية،معظم مستشعرات CMOS/sCMOSتُظهر بعض الاختلافات في ضوضاء القراءة من بكسل إلى آخر، لذا قد يكون من المفيد التفكير في ضوضاء القراءة كتوزيع بدلاً من قيمة واحدة. ولهذا السبب، تُشير بعض جداول المواصفات إلى رقمين.
A متوسطتشير قيمة ضوضاء القراءة إلى أن 50% من البكسلات تقع عند هذا الرقم أو دونه، وهو ما يعكس غالبًا الأداء "النموذجي". إضافةً إلى ذلك،نظام إدارة الموارديُعدّ الشكل (عند توفره) أكثر حساسيةً لانتشار التوزيع، ويمكنه رصد تأثير البكسلات ذات التشويش العالي في الذيل بشكل أفضل. ونظرًا لاختلاف التعريفات باختلاف الشركات المصنعة، يُرجى دائمًا التحقق من شروط القياس المذكورة وطريقة الإبلاغ.
يمكن لمستشعرات CMOS/sCMOS أن تُظهرالتباين من بكسل إلى آخرفي ضوضاء القراءة، لذا من الأفضل اعتبار ضوضاء القراءة بمثابةتوزيعبدلاً من قيمة واحدة. ولتلخيص هذا التوزيع، قد يُبلغ المصنّعون عما يلي:
●النموذجي / الوسيط:رقم "بكسل نموذجي" يمثل الأداء الشائع في هذا الوضع.
●RMS (أو أحيانًا رقم أكثر تحفظًا):إحصائية يمكن أن تكون أكثر حساسية للبكسلات ذات التشويش العالي وتعكس الانتشار الإجمالي بشكل أفضل.
لا يستخدم جميع البائعين هذه المصطلحات بنفس الطريقة تمامًا، لذا تحقق دائمًا من التعريف المذكور وطريقة القياس. عند الشك، قارن الكاميرات باستخدام القيم المذكورة تحتنفس الإحصائيات والشروط.
أمثلة على أوضاع الكاميرا (لماذا تحتوي الكاميرا الواحدة على مواصفات متعددة لضوضاء القراءة)
ولجعل هذا الأمر ملموساً، ضع في اعتبارك ما يلي:كاميرا Tucsen Aries 6510 فائقة الحساسية بتقنية sCMOS. في ورقة البيانات الخاصة بها، يتم الإبلاغ عن ضوضاء القراءة لأوضاع قراءة متعددة - لأن الكاميرا يمكن تشغيلها بأعماق بت مختلفة وخطوط أنابيب قراءة مختلفة، ولكل منها مستوى ضوضاء مختلف:
الشكل 2: ضوضاء قراءة جهاز Aries 6510
كيفية تفسير ذلك: هذه الأرقام ليست متناقضة، بل تصفنقاط تشغيل مختلفةلنفس الكاميرا. عادةً ما تُعطي خطوط المعالجة ذات السرعة الأعلى (هنا، وضع السرعة) الأولوية للإنتاجية، وقد تُظهر ضوضاء قراءة أعلى، بينما يمكن لخطوط المعالجة المُحسّنة للحساسية تقليل مستوى ضوضاء القراءة. لهذا السبب تحديدًا، يجب دائمًا قراءة مواصفات ضوضاء القراءة.بالإضافة إلى اسم الوضع وعمق البت المحددعند مقارنة الكاميرات (أو مقارنة كاميرا بقيمة منشورة)، تأكد من أنك تقارنالوضعليس فقط الرقم الأدنى في العناوين الرئيسية.
متى يكون تشويش القراءة مهمًا؟
لا يُقيّد ضجيج القراءة جميع التجارب. أما أهميته فتتلخص في سؤال بسيط: هل يُشكّل ضجيج القراءة جزءًا ذا قيمة من إجمالي الضجيج عند مستوى الإشارة المُستخدم؟ في ظروف الإضاءة الساطعة، عادةً ما يهيمن ضجيج الفوتونات (ضجيج الطلقات). أما في ظروف الإشارة الضعيفة، فقد يُصبح ضجيج القراءة هو العامل المُحدد لنسبة الإشارة إلى الضوضاء، وأحيانًا ما إذا كانت البنية الخافتة مرئية أصلًا.
ضوضاء القراءة مقابل ضوضاء الطلقة: قاعدة عامة سريعة
يزداد تشويش الطلقات مع ازدياد قوة الإشارة√N(حيث N هو عدد الإلكترونات الضوئية المكتشفة). ضوضاء القراءة تقريبًاثابت لكل بكسل لكل إطاربالنسبة لوضع معين. وهذا يعني:
● فيشمال مرتفع، √N كبير، وضوضاء القراءة لا تساهم إلا قليلاً.
● فيمستوى منخفض من النيتروجين، √N صغير ويمكن أن تهيمن ضوضاء القراءة.
تُعتبر نقطة التقاطع العملية عندماضوضاء الطلقة ≈ ضوضاء القراءةأي عندما√N ≈ Rوهذا يتوافق معN ≈ R².
على سبيل المثال، إذا كان الوضع يحتوي علىR = 2 e⁻ RMS,تصبح ضوضاء القراءة ذات أهمية عندما تكون الإشارة في حدود بضعة إلكترونات إلى بضع عشرات من الإلكترونات لكل بكسل (لأن R2=4). إذاR = 10 e⁻، يتحول التقاطع إلى حوالي 102 = 100 إلكترون لكل بكسل.
مثال ملموس على نسبة الإشارة إلى الضوضاء (لماذا تكون ضئيلة في المشاهد الساطعة)
لنفترض أن بكسلًا يحتوي على2000 e⁻من الإشارة. ضوضاء الطلقات هي√2000 ≈ 44.7 e⁻.
إذا كانت ضوضاء القراءة10 e⁻إجمالي الضوضاء (RMS) هو:
لذا، يتغير معدل الإشارة إلى الضوضاء من 2000/44.7≈44.7 إلى 2000/45.8≈43.7، وهو فرق طفيف. بعبارة أخرى، عند مستويات الإشارة العالية، نادرًا ما يؤدي تقليل ضوضاء القراءة إلى تغيير ما يمكن رؤيته.
في المشاهد ذات الإضاءة العالية حيث تجمع كل بكسل آلاف الإلكترونات الضوئية، يصبح تشويش القراءة ضئيلاً ضمن إجمالي التشويش. على سبيل المثال، عند وجود 2000 إلكترون من الإشارة، فإن إضافة 10 إلكترونات من تشويش القراءة لا تُغير نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلا بنسبة قليلة جدًا - غالبًا ما تكون غير محسوسة - بينما عند وجود عشرات الإلكترونات لكل بكسل، يمكن أن يُحد تشويش القراءة بشكل كبير من نسبة الإشارة إلى الضوضاء والتفاصيل المرئية.
عندما يصبح تشويش القراءة عاملاً محدداً حقيقياً
تُصبح ضوضاء القراءة أكثر أهمية عندما تكون تجربتك محدودة الإشارة لكل إطار، أي عندما يجمع كل بكسل عددًا قليلًا فقط من الإلكترونات الضوئية في تعريض واحد. في هذه الحالة، يمكن أن تُهيمن ضوضاء القراءة على إجمالي الضوضاء، مما يُقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ويُخفي البنية الخافتة.
تشمل مؤشرات التقديم الشائعة ما يلي:
●تألق ضعيف / كثافة وسم منخفضةوخاصة مع التعريضات القصيرة أو التصوير الزمني السريع
●التألق الجزيئي الأحاديوالدقة الفائقة القائمة على تحديد الموقعحيث لا يمكن أن تتجاوز الإشارات بضعة فوتونات لكل باعث في الإطار الواحد
●التصوير الكيميائي الضوئيحيث تكون ميزانيات الفوتونات منخفضة بطبيعتها ويمكن أن تهيمن ضوضاء القراءة
●التصوير الوظيفي عالي السرعة (الجهد الكهربائي / جهد الغشاء، التصوير السريع للكالسيوم)حيث تقلل فترات التعريض القصيرة من عدد الفوتونات لكل إطار
●سير عمل التصوير الذي يعاني من نقص الفوتونات(على سبيل المثال، إطارات باهتة للغاية حتى لو كنت تخطط لتجميعها/دمجها لاحقًا)
كإجراء عملي للتحقق: إذا كانت إشارة البكسل النموذجية لديك فيمئات إلى آلاف الإلكتروناتفي كل إطار، نادرًا ما يكون تشويش القراءة هو السائد. إذا كان موجودًا فيعشرات الإلكترونات أو أقليمكن أن يؤثر تشويش القراءة واختيار الوضع بشكل كبير على جودة الصورة.
خاتمة
يُعدّ تشويش القراءة مصطلحًا يعتمد على نمط القراءة ويتأثر بسلسلة القراءة، لذا فإنّ المقارنات ذات الدلالة الوحيدة تُجرى في ظل ظروف متطابقة (نمط القراءة، سرعة القراءة، الكسب/كسب التحويل، محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية/عمق البت، منطقة الاهتمام). في المشاهد الساطعة، يكون هذا التشويش غالبًا ضئيلاً، لكن في التصوير ذي الإشارة المنخفضة، يمكن أن يحدّ بشكل كبير من نسبة الإشارة إلى الضوضاء وقابلية الكشف.
إذا كنت ترغب في الحصول على توصية لتجربتك، فشاركنا تفاصيل تطبيقك (مستوى الإشارة، ووقت التعريض، ومعدل الإطارات، والطول الموجي، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء المستهدفة). يمكن لمتخصصي التصوير لدينا اقتراح ما يناسبك.كاميرا توسنوأفضل وضع قراءة لتحقيق التوازن بين الحساسية والسرعة والنطاق الديناميكي.
