25/08/19عند التقاط صور دقيقة وموثوقة في البحث العلمي، لا تعتمد جودة بياناتك على مجرد الدقة أو حجم المستشعر. من أهم المقاييس - وإن أُغفلت أحيانًا - نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). في أنظمة التصوير، تُحدد نسبة الإشارة إلى الضوضاء مدى وضوح تمييز الإشارة الفعلية (المعلومات المفيدة) عن الضوضاء غير المرغوب فيها.
في تطبيقات التصوير العلمي، مثل المجهر وعلم الفلك والتحليل الطيفي، قد يُحدث انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء فرقًا كبيرًا بين اكتشاف هدف خافت أو عدم اكتشافه تمامًا. تستكشف هذه المقالة تعريف نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وأهميتها، وتأثيرها على التباين، وكيفية اختيار كاميرا علمية وتحسينها بناءً على هذا المقياس الهام.
ما هي نسبة الإشارة إلى الضوضاء وكيف يتم تعريفها؟
نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) هي المقياس الأكثر أهمية لجودة صورتنا، وهي أساسية في تباين الصورة، وغالبًا ما تكون العامل الأكثر فائدة في تحديد ما إذا كانت الكاميرا حساسة بما يكفي لتطبيقك.
تدور محاولات تحسين حساسية الكاميرا حول تحسين الإشارة المجمعة:
● من خلال التحسينات في كفاءة الكم أو زيادة حجم البكسل
● تقليل مصادر الضوضاء المعتمدة على الكاميرا
تتراكم مصادر الضوضاء مع بعضها البعض، ولكن اعتمادًا على الظروف، يمكن لأحدها الهيمنة، ويجب التركيز عليها عند محاولة تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء - إما من خلال تحسين الإعدادات أو الإعداد، أو الترقية إلى مصادر ضوء وبصريات وكاميرات أفضل.
من الشائع وصف الصور من حيث نسبة الإشارة إلى الضوضاء، على سبيل المثال، الادعاء بأن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصورة تساوي 15. ومع ذلك، وكما يتضح من الاسم، تعتمد نسبة الإشارة إلى الضوضاء على الإشارة، والتي تختلف بالطبع لكل بكسل. وهذا ما يُعطينا صورتنا.
عادةً ما تشير نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في صورة ما إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لذروة الإشارة المطلوبة داخل الصورة. على سبيل المثال، تستخدم نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في صورة خلايا فلورية على خلفية داكنة شدة ذروة الإشارة من بكسلات بنية مطلوبة داخل الخلية.
على سبيل المثال، لا يُعدّ متوسط قيمة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للصورة بأكملها تمثيلاً دقيقاً. ففي تقنيات مثل المجهر الفلوري، حيث يمكن أن تكون الخلفية الداكنة مع عدم وجود فوتونات مُكتَشَفة شائعة، تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لهذه البكسلات ذات الإشارة الصفرية صفراً. لذلك، يعتمد أي متوسط للصورة على عدد بكسلات الخلفية الظاهرة.
لماذا تعتبر نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) مهمة للكاميرات العلمية
في التصوير العلمي، تؤثر نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل مباشر على مدى قدرتك على تحديد التفاصيل الخافتة وقياس البيانات الكمية وإعادة إنتاج النتائج.
●وضوح الصورة– تعمل نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية على تقليل الحبيبات وتجعل الهياكل الدقيقة مرئية.
●دقة البيانات- يقلل من أخطاء القياس في التجارب القائمة على الكثافة.
●الأداء في الإضاءة المنخفضة- ضروري للتصوير المجهري الفلوري، وتصوير السماء العميقة، والتحليل الطيفي، حيث تكون أعداد الفوتونات منخفضة بشكل طبيعي.
سواء كنت تستخدمكاميرا sCMOSبالنسبة للتصوير عالي السرعة أو جهاز CCD المبرد لتطبيقات التعرض الطويل، فإن فهم نسبة الإشارة إلى الضوضاء يساعدك على موازنة التنازلات في الأداء.
كيف يؤثر معدل الإشارة إلى الضوضاء (SNR) على تباين الصورة
التباين هو الفرق النسبي في شدة الإضاءة بين المناطق المضيئة والمناطق المظلمة في الصورة. في العديد من التطبيقات، يُعدّ التباين الجيد في الصورة ضمن المناطق المهمة الهدف النهائي.
هناك العديد من العوامل داخل موضوع التصوير والنظام البصري وظروف التصوير التي تعد العوامل الأساسية المحددة لتباين الصورة، مثل جودة العدسة وكمية الضوء الخلفي.
●نسبة الإشارة إلى الضوضاء عالية→ فصل واضح بين المناطق المضيئة والمظلمة؛ تظهر الحواف واضحة؛ وتظل التفاصيل الدقيقة مرئية.
●نسبة الإشارة إلى الضوضاء منخفضة→ تصبح المناطق المظلمة أكثر سطوعًا بسبب الضوضاء، وتصبح المناطق الساطعة باهتة، ويصبح التباين العام للصورة مسطحًا.
على سبيل المثال، في المجهر الفلوري، قد يؤدي انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى امتزاج عينة فلورية ضعيفة مع الخلفية، مما يجعل التحليل الكمي غير موثوق. في علم الفلك، قد تختفي النجوم أو المجرات الخافتة تمامًا في البيانات المشوشة.
ومع ذلك، هناك عوامل داخلية أيضًا، أهمها نسبة الإشارة إلى الضوضاء. علاوة على ذلك، وخاصةً في الإضاءة المنخفضة، يلعب تحجيم شدة الصورة، وكيفية عرضها على الشاشة، دورًا كبيرًا في تباين الصورة المُدرَك. مع وجود ضوضاء عالية في المناطق المظلمة من الصورة، قد تُحدَّد قيمة الحد الأدنى لخوارزميات تحجيم الصورة التلقائية عند مستوى منخفض جدًا بسبب وحدات البكسل المشوشة منخفضة القيمة، بينما يزداد الحد الأعلى بسبب الضوضاء في وحدات البكسل عالية الإشارة. وهذا هو سبب المظهر الرمادي الباهت المميز للصور منخفضة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يمكن الحصول على تباين أفضل عن طريق ضبط الحد الأدنى على إزاحة الكاميرا.
العوامل المؤثرة على نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الكاميرات العلمية
تؤثر العديد من معلمات التصميم والتشغيل على نسبة الإشارة إلى الضوضاء لنظام الكاميرا:
تكنولوجيا الاستشعار
● sCMOS – يجمع بين ضوضاء القراءة المنخفضة ومعدلات الإطارات العالية، وهو مثالي للتصوير الديناميكي.
● CCD – يوفر تاريخيًا مستوى ضوضاء منخفضًا في التعريضات الطويلة، ولكنه أبطأ من تصميمات CMOS الحديثة.
● EMCCD – يستخدم التضخيم الموجود على الشريحة لتعزيز الإشارات الضعيفة، ولكنه قد يؤدي إلى إدخال ضوضاء مضاعفة.
حجم البكسل وعامل التعبئة
تجمع البكسلات الأكبر عددًا أكبر من الفوتونات، مما يؤدي إلى زيادة الإشارة وبالتالي نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
كفاءة الكم (QE)
تعني QE الأعلى تحويل المزيد من الفوتونات الواردة إلى إلكترونات، مما يؤدي إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
وقت التعرض
تعمل التعرضات الأطول على تجميع المزيد من الفوتونات، مما يؤدي إلى زيادة الإشارة، ولكنها قد تؤدي أيضًا إلى زيادة ضوضاء التيار المظلم.
أنظمة التبريد
يؤدي التبريد إلى تقليل التيار المظلم، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل كبير في حالات التعرض الطويلة.
البصريات والإضاءة
تعمل العدسات عالية الجودة والإضاءة الثابتة على تعظيم التقاط الإشارة وتقليل التباين.
أمثلة على قيم ذروة نسبة الإشارة إلى الضوضاء المختلفة
في التصوير، غالبًا ما يشير مصطلح PSNR إلى الحد الأقصى النظري بالنسبة لتشبع البكسل. على الرغم من اختلاف موضوعات التصوير وظروف التصوير وتقنية الكاميرا، إلا أنه بالنسبة للكاميرات العلمية التقليدية، قد تتشابه الصور التي لها نفس نسبة الإشارة إلى الضوضاء. وقد تتشابه درجة "التحبب"، والاختلاف من إطار إلى آخر، وإلى حد ما التباين، في هذه الظروف المختلفة. لذلك، يُمكن فهم قيم SNR والظروف والتحديات المختلفة التي تنطوي عليها من خلال الصور التمثيلية، مثل تلك الموضحة في الجدول.
ملحوظة: قيم ذروة الإشارة في الإلكترونات الضوئية لكل صف موضحة باللون الأزرق. جميع الصور معروضة بتدرج تلقائي للرسم البياني، مع تجاهل (تشبع) 0.35% من البكسلات الأكثر سطوعًا والأكثر قتامة. عمودي الصور على اليسار: تصوير عدسة لهدف اختبار تصوير. أربعة أعمدة على اليمين: ديدان الإسكارس ملتقطة بالفلورسنت باستخدام عدسة مجهر 10x. لتوضيح الاختلافات بين الإطارات في قيم البكسل عند نسبة إشارة إلى ضوضاء أقل، تم توفير ثلاثة إطارات متتالية.
تُعرض صورة عدسة لهدف اختبار، بالإضافة إلى صورة مجهرية فلورية، بالإضافة إلى عرض مُكبّر للصورة الفلورية يُظهر التباين ضمن ثلاثة إطارات متتالية. كما يُعرض عدد الإلكترونات الضوئية الأقصى عند كل مستوى إشارة.
يوضح الشكل التالي الإصدارات الكاملة لهذه الصور النموذجية للرجوع إليها.
الصور بالحجم الكامل المستخدمة في جدول أمثلة نسبة الإشارة إلى الضوضاء
غادر:هدف اختبار التصوير تم تصويره باستخدام عدسة.
يمين:عينة من مقطع دودة الخيطية الاسكارس كما تم رؤيتها باستخدام المجهر الفلوري بتكبير 10x.
نسبة الإشارة إلى الضوضاء في التطبيقات
إن SNR له أهمية بالغة في مختلف المجالات:
● المجهر - يتطلب اكتشاف الفلورسنت الخافت في العينات البيولوجية نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية لتجنب النتائج السلبية الكاذبة.
● علم الفلك - يتطلب تحديد المجرات البعيدة أو الكواكب الخارجية تعرضات طويلة مع الحد الأدنى من الضوضاء.
● التحليل الطيفي - تضمن نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية قياسات دقيقة لشدة الذروة في التحليل الكيميائي.
● التفتيش الصناعي - في خطوط التجميع ذات الإضاءة المنخفضة، تساعد نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية في اكتشاف العيوب بشكل موثوق.
اختيار كاميرا علمية ذات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) المناسبة
عند تقييم كاميرا علمية جديدة:
●التحقق من مواصفات SNR- مقارنة قيم الديسيبل في ظل ظروف مماثلة لتطبيقك.
●موازنة المقاييس الأخرى- ضع في اعتبارك كفاءة الكم والنطاق الديناميكي ومعدل الإطارات.
●مطابقة التكنولوجيا لحالة الاستخدام- بالنسبة للمشاهد الديناميكية عالية السرعة، قد تكون كاميرا sCMOS مثالية؛ بالنسبة للأشياء الثابتة ذات الإضاءة المنخفضة للغاية، قد يكون أداء CCD أو EMCCD المبرد أفضل.
●الاتصال من أجل كفاءة سير العمل– على الرغم من عدم التأثير على نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل مباشر، فإن الميزات مثل إخراج HDMI يمكنها تمكين مراجعة الصورة في الوقت الفعلي، مما يساعدك على التحقق بسرعة من أن إعدادات الاستحواذ الخاصة بك تحقق نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة.
خاتمة
نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) هي مقياس أداء رئيسي يؤثر بشكل مباشر على وضوح الصور العلمية وموثوقيتها. إن فهم كيفية تعريف نسبة الإشارة إلى الضوضاء، والعوامل المؤثرة عليها، وآثار قيمها المختلفة، يُمكّن الباحثين والمستخدمين التقنيين من تقييم أنظمة التصوير بفعالية أكبر. بتطبيق هذه المعرفة، سواءً عند اختيار نظام جديدكاميرا علميةأو تحسين الإعداد الحالي - يمكنك التأكد من أن سير عمل التصوير الخاص بك يلتقط البيانات بالمستوى المطلوب من الدقة لتطبيقك المحدد.
الأسئلة الشائعة
ما هو معدل الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الذي يعتبر "جيدًا" للكاميرات العلمية؟
تعتمد نسبة الإشارة إلى الضوضاء المثالية على التطبيق. في الأعمال الكمية عالية المتطلبات، مثل المجهر الفلوري أو علم الفلك، يُنصح عمومًا بأعلى من 40 ديسيبل، إذ يُنتج صورًا بأقل قدر من الضوضاء المرئية ويحافظ على التفاصيل الدقيقة. للاستخدامات المختبرية العامة أو الفحص الصناعي، يُمكن أن تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بين 35 و40 ديسيبل كافية. أي قيمة أقل من 30 ديسيبل عادةً ما تُظهر حبيبات مرئية، وقد تُؤثر سلبًا على الدقة، خاصةً في حالات التباين المنخفض.
كيف تؤثر كفاءة الكم (QE) على نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)؟
تقيس الكفاءة الكمومية مدى فعالية المستشعر في تحويل الفوتونات الواردة إلى إلكترونات. تعني كفاءة الكم العالية التقاط كمية أكبر من الضوء المتاح كإشارة، مما يعزز قيمة البسط في معادلة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). تُعد هذه الخاصية بالغة الأهمية في ظروف الإضاءة المنخفضة، حيث يكون لكل فوتون أهميته. على سبيل المثال، تحقق كاميرا sCMOS ذات كفاءة كمومية 80% نسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى في ظروف مماثلة مقارنةً بمستشعر ذي كفاءة كمومية 50%، وذلك ببساطة لأنها تلتقط إشارة أكثر قابلية للاستخدام.
ما هو الفرق بين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ونسبة التباين إلى الضوضاء (CNR)؟
بينما تقيس نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) قوة الإشارة الكلية مقارنةً بالضوضاء، تُركز نسبة الإشارة إلى الضوضاء (CNR) على وضوح سمة مُحددة مقارنةً بخلفيتها. في التصوير العلمي، يُعدّ كلا العاملين مهمين: إذ تُشير نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) إلى مدى "نقاء" الصورة إجمالاً، بينما تُحدد نسبة الإشارة إلى الضوضاء (CNR) ما إذا كان جسم مُعين بارزًا بما يكفي للكشف عنه أو قياسه.
هل تريد معرفة المزيد؟ اطلع على المقالات ذات الصلة:
الكفاءة الكمومية في الكاميرات العلمية: دليل المبتدئين
جميع الحقوق محفوظة لشركة توكسين فوتونيكس المحدودة. يُرجى ذكر المصدر عند الاقتباس.www.tucsen.com
