25/08/19Elmi tədqiqatlarda dəqiq və etibarlı şəkillərin çəkilməsinə gəldikdə, məlumatlarınızın keyfiyyəti yalnız qətnamə və ya sensor ölçüsündən çox asılıdır. Ən vacib, lakin bəzən diqqətdən kənarda qalan göstəricilərdən biri Siqnaldan Səs nisbətidir (SNR). Təsvir sistemlərində SNR faktiki siqnalı (faydalı məlumatı) arzuolunmaz səs-küydən nə qədər aydın şəkildə ayıra biləcəyinizi müəyyən edir.
Mikroskopiya, astronomiya və spektroskopiya kimi elmi görüntüləmə tətbiqlərində zəif SNR zəif hədəfin aşkarlanması ilə onu tamamilə əldən verməsi arasındakı fərqi ifadə edə bilər. Bu məqalə SNR-nin necə müəyyən edildiyini, nə üçün vacib olduğunu, kontrasta necə təsir etdiyini və bu kritik metrik əsasında elmi kameranın necə seçilib optimallaşdırılmasını araşdırır.
Siqnal-səs nisbəti nədir və necə müəyyən edilir?
Siqnaldan Səs Nisbəti (SNR) görüntü keyfiyyətimizin ən vacib ölçüsüdür, görüntü kontrastında əsasdır və tez-tez kameranın tətbiqiniz üçün kifayət qədər həssas olub-olmadığını müəyyən edən ən faydalı amildir.
Kamera həssaslığını yaxşılaşdırmaq cəhdləri həm toplanmış siqnalın yaxşılaşdırılması ətrafında fırlanır:
● Kvant səmərəliliyinin təkmilləşdirilməsi və ya piksel ölçüsünün artırılması vasitəsilə
● Kameradan asılı səs-küy mənbələrinin azaldılması
Səs-küy mənbələri bir araya toplanır, lakin şəraitdən asılı olaraq biri üstünlük təşkil edə bilər və ya parametrləri və ya quraşdırmanı optimallaşdırmaq, ya da daha yaxşı işıq mənbələrinə, optika və kameralara təkmilləşdirməklə SNR-ni təkmilləşdirməyə çalışarkən diqqət yetirilməlidir.
Şəkilləri vahid siqnal-küy nisbəti baxımından təsvir etmək adi stenoqramdır, məsələn, təsvirin SNR-nin '15' olduğunu iddia etmək. Bununla belə, addan göründüyü kimi, siqnalın səs-küy nisbəti siqnaldan asılıdır, bu, əlbəttə ki, hər bir piksel üçün fərqli olacaqdır. Bizə imicimizi verən budur.
Şəklin SNR-i adətən şəkil daxilində maraq doğuran pik siqnalın SNR-yə istinad edir. Məsələn, tünd fonda flüoresan hüceyrələrin təsvirindən alınan SNR hüceyrə daxilində maraq göstərən strukturun piksellərindən gələn pik siqnal intensivliyindən istifadə edərdi.
Məsələn, bütün təsvirin SNR üçün orta dəyəri götürmək təmsil olunmur. Sıfır aşkar edilmiş fotonları olan tünd fonun ümumi ola biləcəyi flüoresan mikroskopiya kimi üsullarda bu sıfır siqnal piksellərinin SNR-si sıfırdır. Buna görə də, bir şəkil üzrə hər hansı ortalama görünüşdə neçə fon pikselindən asılı olacaq.
Niyə SNR Elmi Kameralar üçün Vacibdir
Elmi görüntüləmədə SNR zəif təfərrüatları nə qədər yaxşı müəyyənləşdirə, kəmiyyət məlumatlarını ölçə və nəticələri təkrar edə bildiyinizə birbaşa təsir göstərir.
●Şəkil aydınlığı– Yüksək SNR dənəliliyi azaldır və incə strukturları görünən edir.
●Məlumatların Dəqiqliyi– İntensivliyə əsaslanan təcrübələrdə ölçmə xətalarını azaldır.
●Aşağı İşıq Performansı– Foton sayının təbii olaraq aşağı olduğu flüoresan mikroskopiya, dərin səma astrofotoqrafiyası və spektroskopiya üçün vacibdir.
İstifadə etməyinizdən asılı olmayaraqsCMOS kamerayüksək sürətli görüntüləmə və ya uzun müddətə məruz qalma tətbiqləri üçün soyudulmuş CCD üçün SNR-i başa düşmək sizə performans nisbətlərini balanslaşdırmağa kömək edir.
SNR Şəkil kontrastına necə təsir edir
Kontrast təsvirin işıqlı sahələri ilə qaranlıq sahələri arasında intensivliyin nisbi fərqidir. Bir çox tətbiqlər üçün maraq dairələrində yaxşı görüntü kontrastı son məqsəddir.
Objektif keyfiyyəti və fon işığının miqdarı kimi təsvirin kontrastını təyin edən əsas amillər olan təsvir obyekti, optik sistem və təsvir şərtləri daxilində bir çox amillər var.
●Yüksək SNR→ Parlaq və qaranlıq bölgələr arasında fərq; kənarları xırtıldayan görünür; incə detallar görünən qalır.
●Aşağı SNR→ Qaranlıq sahələr səs-küyə görə daha parlaq olur, parlaq sahələr tutqunlaşır və ümumi təsvirin kontrastı düzləşir.
Məsələn, flüoresan mikroskopiyada aşağı SNR zəif flüoresan nümunəni arxa plana keçirərək kəmiyyət analizini etibarsız edir. Astronomiyada zəif ulduzlar və ya qalaktikalar səs-küylü məlumatlarda tamamilə yox ola bilər.
Bununla belə, kameranın özündə də amillər var - əsas amil siqnalın səs-küy nisbətidir. Bundan əlavə, xüsusilə aşağı işıqda, görüntünün intensivliyinin miqyası, görüntünün monitorda necə göstərildiyi, qəbul edilən görüntü kontrastında böyük rol oynayır. Şəklin qaranlıq sahələrində yüksək səs-küylə, avtomatik təsvir ölçmə alqoritmləri aşağı qiymətli səs-küylü piksellərlə aşağı həddi çox aşağı təyin edə bilər, yüksək həddi isə yüksək siqnal piksellərində səs-küy artır. Bu, aşağı SNR şəkillərinin xarakterik "yuyulmuş" boz görünüşünün səbəbidir. Aşağı sərhədi kamera ofsetinə təyin etməklə daha yaxşı kontrast əldə etmək olar.
Elmi kameralarda SNR-yə təsir edən amillər
Bir neçə dizayn və əməliyyat parametrləri kamera sisteminin SNR-yə təsir göstərir:
Sensor texnologiyası
● sCMOS – Dinamik təsvir üçün ideal olan aşağı oxuma səs-küyü və yüksək kadr sürətlərini birləşdirir.
● CCD – Tarixən uzun ekspozisiyalarda aşağı səs-küy təklif edir, lakin müasir CMOS dizaynlarından daha yavaş.
● EMCCD – Zəif siqnalları artırmaq üçün çip üzərində gücləndirmədən istifadə edir, lakin multiplikativ səs-küy yarada bilər.
Piksel Ölçüsü və Doldurma Faktoru
Daha böyük piksellər daha çox foton toplayır, siqnalı və beləliklə, SNR-ni artırır.
Kvant Effektivliyi (QE)
Daha yüksək QE daha çox daxil olan fotonun elektronlara çevrilməsi və SNR-ni yaxşılaşdırmaq deməkdir.
Təsir vaxtı
Daha uzun məruz qalmalar daha çox foton toplayır, siqnalı artırır, lakin qaranlıq cərəyan səs-küyünü də artıra bilər.
Soyutma Sistemləri
Soyutma qaranlıq cərəyanı azaldır, uzun müddət məruz qalma üçün SNR-ni əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır.
Optika və işıqlandırma
Yüksək keyfiyyətli linzalar və sabit işıqlandırma siqnalın tutulmasını maksimum dərəcədə artırır və dəyişkənliyi minimuma endirir.
Fərqli Pik SNR Dəyərlərinin Nümunələri
Təsvirdə PSNR tez-tez piksel doymasına nisbətən nəzəri maksimuma istinad edir. Təsvir mövzularında, təsvir şərtlərində və kamera texnologiyasındakı fərqlərə baxmayaraq, adi elmi kameralar üçün eyni siqnal-küy nisbətinə malik şəkillər oxşarlıqlara malik ola bilər. 'Dənəllik' dərəcəsi, çərçivədən çərçivəyə dəyişkənlik və müəyyən dərəcədə kontrast bu müxtəlif şərtlərdə oxşar ola bilər. Buna görə də, SNR dəyərləri və onların nəzərdə tutduğu müxtəlif şərtlər və çətinliklər haqqında, məsələn, cədvəldə göstərilənlər kimi təmsilçi şəkillərdən anlayış əldə etmək mümkündür.
QEYD: Hər bir sıra üçün fotoelektronlarda pik siqnal dəyərləri mavi rənglə verilmişdir. Bütün şəkillər ən parlaq və ən qaranlıq piksellərin 0,35%-ni nəzərə almadan (doyma) avtomatik histoqram miqyası ilə göstərilir. Sol iki şəkil sütunu: Bir görüntüləmə test hədəfinin obyektiv əsaslı təsviri. Sağ dörd sütun: 10x mikroskop obyektivi ilə flüoresanda çəkilmiş Askaris. Aşağı SNR-də piksel dəyərlərində çərçivədən çərçivəyə dəyişiklikləri göstərmək üçün üç ardıcıl kadr təqdim olunur.
Test hədəfinin obyektiv əsaslı təsviri, flüoresan mikroskop şəkli ilə yanaşı, ardıcıl 3 kadr daxilində dəyişikliyi göstərən flüoresan təsvirin böyüdülmüş görünüşü ilə birlikdə göstərilir. Hər bir siqnal səviyyəsində pik fotoelektronların sayı da verilir.
Aşağıdakı şəkildə istinad üçün bu nümunə şəkillərin tam versiyaları göstərilir.
Siqnal-küy nisbəti nümunələri cədvəli üçün istifadə edilən tam ölçülü şəkillər
Sol: Lenslə çəkilmiş təsvir test hədəfi.
Sağ: 10x böyütmədə flüoresan mikroskopiya ilə baxılmış Ascaris nematodu qurd bölməsinin nümunəsi.
Tətbiqlərdə SNR
SNR müxtəlif sahələrdə kritikdir:
● Mikroskopiya – Bioloji nümunələrdə zəif flüoresansın aşkarlanması yalan neqativlərin qarşısını almaq üçün yüksək SNR tələb edir.
● Astronomiya – Uzaq qalaktikaların və ya ekzoplanetlərin müəyyən edilməsi minimal səs-küylə uzun ekspozisiya tələb edir.
● Spektroskopiya – Yüksək SNR kimyəvi analizdə dəqiq pik intensivlik ölçmələrini təmin edir.
● Sənaye Müfəttişliyi – Az işıqlı montaj xətlərində yüksək SNR qüsurları etibarlı şəkildə aşkar etməyə kömək edir.
Doğru SNR ilə Elmi Kameranın Seçilməsi
Yeni elmi kameranı qiymətləndirərkən:
●SNR Spesifikasiyalarını yoxlayın– Tətbiqinizə oxşar şərtlər altında dB dəyərlərini müqayisə edin.
●Digər Metrikləri balanslaşdırın– Kvant səmərəliliyini, dinamik diapazonu və kadr sürətini nəzərə alın.
●İstifadəyə uyğun texnologiya– Yüksək sürətli dinamik səhnələr üçün sCMOS kamera ideal ola bilər; ultra aşağı işıqlı statik obyektlər üçün soyudulmuş CCD və ya EMCCD daha yaxşı çıxış edə bilər.
●İş axınının səmərəliliyi üçün əlaqə– SNR-yə birbaşa təsir etməsə də, HDMI çıxışı kimi xüsusiyyətlər real vaxt rejimində təsvirin nəzərdən keçirilməsini aktivləşdirə bilər və əldəetmə parametrlərinizin istədiyiniz SNR-ə çatdığını tez yoxlamağa kömək edir.
Nəticə
Siqnaldan səs-küyə nisbəti (SNR) elmi təsvirlərin aydınlığına və etibarlılığına birbaşa təsir edən əsas performans göstəricisidir. SNR-nin necə təyin edildiyini, ona təsir edən amilləri və müxtəlif SNR dəyərlərinin nəticələrini anlamaq tədqiqatçılara və texniki istifadəçilərə görüntüləmə sistemlərini daha effektiv qiymətləndirməyə imkan verir. Bu biliyi tətbiq etməklə - istər yenisini seçərkənelmi kameravə ya mövcud quraşdırmanı optimallaşdırmaq—siz görüntüləmə iş axınınızın xüsusi tətbiqiniz üçün tələb olunan dəqiqlik səviyyəsi ilə məlumat əldə etməsinə əmin ola bilərsiniz.
Tez-tez verilən suallar
Elmi kameralar üçün "yaxşı" SNR nə hesab olunur?
İdeal SNR tətbiqdən asılıdır. Flüoresan mikroskopiya və ya astronomiya kimi yüksək tələbkar, kəmiyyət işi üçün ümumiyyətlə 40 dB-dən yuxarı SNR tövsiyə olunur, çünki o, minimal görünən səs-küylə şəkillər yaradır və incə detalları qoruyur. Ümumi laboratoriya istifadəsi və ya sənaye yoxlaması üçün 35-40 dB kifayət ola bilər. 30 dB-dən aşağı olan hər hansı bir şey adətən görünən taxıl göstərəcək və xüsusilə aşağı kontrastlı vəziyyətlərdə dəqiqliyi poza bilər.
Kvant səmərəliliyi (QE) SNR-ə necə təsir edir?
Kvant səmərəliliyi sensorun gələn fotonları elektronlara nə qədər effektiv çevirdiyini ölçür. Daha yüksək QE, SNR tənliyindəki payı artıraraq, daha çox mövcud işığın siqnal kimi tutulması deməkdir. Bu, hər bir fotonun sayıldığı zəif işıqlı ssenarilərdə xüsusilə vacibdir. Məsələn, 80% QE olan sCMOS kamera, 50% QE olan bir sensorla müqayisədə eyni şəraitdə daha yüksək SNR əldə edəcək, çünki o, daha çox istifadə edilə bilən siqnal çəkir.
SNR ilə Kontrastdan Səs nisbəti (CNR) arasındakı fərq nədir?
SNR səs-küyə nisbətən ümumi siqnal gücünü ölçərkən, CNR onun fonunda xüsusi xüsusiyyətin görünməsinə diqqət yetirir. Elmi görüntüləmədə hər ikisi vacibdir: SNR sizə təsvirin ümumilikdə nə qədər “təmiz” olduğunu bildirir, CNR isə müəyyən bir maraq obyektinin aşkarlama və ya ölçülmə üçün kifayət qədər fərqlənib-seçilmədiyini müəyyən edir.
Daha çox öyrənmək istəyirsiniz? Əlaqədar məqalələrə nəzər salın:
Elmi Kameralarda Kvant Effektivliyi: Başlayanlar üçün Bələdçi
Tucsen Photonics Co., Ltd. Bütün hüquqlar qorunur. İstinad edərkən mənbəni qeyd edin:www.tucsen.com
