13.05.2022Шум счытвання — гэта нявызначанасць, уласцівая электроннаму вымярэнню колькасці фотаэлектронаў, выяўленых камерай. Звычайна ён пазначаецца ўэлектроны (э⁻ RMS)і залежыць ад хуткасці зчытвання, рэжыму ўзмацнення/пераўтварэння-ўзмацнення, канфігурацыі АЦП і рэнтабельнасці інвестыцый, таму параўнальныя толькі пры супадзенні ўмоў.
У яркіх сцэнах,стрэлавы шумзвычайна дамінуе, і шум счытвання мае невялікі ўплыў. Пры візуалізацыі пры слабым асвятленні — слабая флуарэсцэнцыя, астраномія, праца з кароткай экспазіцыяй і высокай хуткасцю — шум счытвання можа істотна абмяжоўваць суадносіны сігнал/шум і нават выяўляльнасць.
У гэтым кіраўніцтве паказана, як інтэрпрэтаваць характарыстыкі шуму счытвання, калі гэта мае значэнне, якія налады яго змяняюць і як яго надзейна вымераць.
Што такое шум зчытвання?
Шум зчытвання (часта званышум чытання) — гэта выпадковая нявызначанасць, якая ўзнікае пры працы камерычытае ўслыхвыява, г.зн. калі зарад, сабраны ў кожным пікселі, пераўтвараецца ў напружанне, а затым алічбуецца ў лічбавы лік (ЛЛ). Нават пры ідэальнай оптыцы і стабільнай сцэне электроніка счытвання ніколі не бывае абсалютна бясшумнай: узмацняльнікі, схемы скіду і дыскрэтызацыі, аналагавыя сігнальныя шляхі і аналага-лічбавы пераўтваральнік (АЛП) могуць уносіць невялікія ваганні. У выніку пры счытванні дадаецца выпадковая памылка на піксель і на кадр.
Малюнак 1: Зчытанне выявы з абмежаваным шумам
У гэтым рэжыме звышнізкай асветленасці значэнні сігналу параўнальныя з шумам чытання, што азначае, што шум чытання з'яўляецца асноўным абмяжоўваючым фактарам для суадносін сігнал/шум.
Паколькі датчык у канчатковым выніку вымярае святло якэлектроны, шум зчытвання часцей за ўсё задаецца ўэлектроны (e⁻), звычайна якe⁻ RMSВыраз шуму ў электронах спрашчае параўнанне прадукцыйнасці розных налад і мадэляў камеры. (Калі вы пачынаеце з DN, пераўтварэнне ў e⁻ патрабуе сістэмнага ўзмацнення пры пераўтварэнні,e⁻/DN.) У сучасных навуковых камерах шум счытвання можа быць вельмі нізкім — часта наУзровень RMS ~1–3 e⁻ у рэжымах з нізкім узроўнем шумудля візуалізацыі пры слабым асвятленні, хоць дакладнае значэнне залежыць ад хуткасці зчытвання, рэжыму ўзмацнення/пераўтварэння-ўзмацнення, канфігурацыі АЦП, ROI і тэмпературы.
Тыповыя значэнні і чаму яны адрозніваюцца
Для многіхsCMOS-камеры, шум чытання стаў настолькі нізкім, што вельмі малыя сігналы можна вымяраць з добрай дакладнасцю. Іншыя тэхналогіі датчыкаў і рэжымы працы могуць паказваць больш высокі шум чытання, асабліва пры аптымізацыі для максімальнай частаты кадраў. Глядзіце Табліцу 1 для атрымання некаторых рэпрэзентатыўных значэнняў. Вось чаму важна параўноўваць шум чытання толькі ў аднолькавых умовах тэставання (рэжым, хуткасць чытання, узмацненне, глыбіня разраднасці, ROI і г.д.).
Табліца 1: Тыповыя значэнні шуму счытвання RMS для розных тэхналогій навуковых камер
* У EMCCD ёсць дадатковыя крыніцы шуму, якія зніжаюць іх адчувальнасць
** Высокахуткасныя sCMOS-транзістары, такія якsCMOS-камера Tucsen Dhyana 2100
*** Высокая хуткасцьCMOS-камерывыкарыстоўваюцца як у навуковай візуалізацыі, так і на плёнцы для хуткаснай здымкі руху. Гэтыя камеры звычайна не могуць выкарыстоўвацца для здымкі пры слабым асвятленні з-за высокага ўзроўню шуму, які хавае сігналы пры слабым асвятленні.
RMS супраць медыяны шуму чытання (і чаму ў некаторых табліцах дадзеных паказаны два лікі)
У CMOS/sCMOS-датчыках шум чытання можа нязначна адрознівацца ад пікселя да пікселя, таму можа быць карысна думаць пра шум чытання як пра размеркаванне, а не як пра адзінкавае значэнне. Некаторыя камеры таксама маюць невялікі «хвост» пікселяў з больш высокім узроўнем шуму, дзе такія эфекты, як выпадковы тэлеграфны шум (RTN), могуць быць больш выяўленымі.
Падсумоўваючы гэтае размеркаванне, вытворцы могуць паведамляць сярэдняе (тыповае) значэнне шуму чытання, а часам і дадатковае значэнне RMS, якое больш адчувальнае да пікселяў з больш высокім узроўнем шуму. Вызначэнні могуць адрознівацца ў залежнасці ад вытворцы, таму найбольш бяспечным падыходам з'яўляецца праверка заяўленага метаду вымярэння і ўмоў, асабліва пры параўнанні камер або выбары рэжыму для працы пры слабым асвятленні.
Як прачытаць характарыстыкі шуму пры паказаннях?
Значэнне шуму счытвання мае сэнс толькі тады, калі яно звязана з тым, як працавала камера падчас вымярэння. Рэжым, глыбіня колеру, хуткасць счытвання, каэфіцыент узмацнення/пераўтварэння і ROI могуць змяніць гэта значэнне, таму заўсёды параўноўвайце характарыстыкі ў аднолькавых умовах.
Умовы выпрабаванняў маюць значэнне
Лік шуму счытвання мае сэнс толькі тады, калі ён звязаны зумовы эксплуатацыівыкарыстоўваецца для яго вымярэння. Адна і тая ж камера можа паказваць розныя значэнні ў залежнасці ад рэжыму счытвання і канфігурацыі, таму «ніжэй» не азначае аўтаматычна «лепш», калі вы не параўноўваеце падобныя камеры. Перш чым параўноўваць камеры — ці нават два рэжымы на адной і той жа камеры — звярніце ўвагу на наступныя ўмовы ў табліцы тэхнічных характарыстык, зносках або графіках прадукцыйнасці:
●Хуткасць зчытвання / частата пікселяў (кГц–МГц):Хуткае счытванне звычайна павялічвае шум счытвання.
Рэжым узмацнення / пераўтварэння-ўзмацнення (напрыклад, HCG/LCG): змяняе e⁻/DN і можа зрушыць паведамленае значэнне шуму.
●Шлях АЦП / разраднасць:Некаторыя камеры прапануюць некалькі рэжымаў АЦП, якія ўплываюць на шум і паводзіны квантавання.
●ROI і каналы счытвання:ROI можа змяніць спосаб зчытвання датчыка і можа паўплываць на прадукцыйнасць у некаторых архітэктурах.
●Тэмпература (калі пазначана):Характарыстыкі часта вымяраюцца пры пэўнай тэмпературы датчыка; заўсёды параўноўвайце іх пры падобных умовах.
Калі загаловак, які адлюстроўваецца пры чытанні, не паказвае кантэкст моды/хуткасці, лічыцца няпоўным і знайсці падрабязную табліцу або графік мод.
Тыповае супраць максімальнага / медыяна супраць RMS: чаму вы можаце бачыць два лікі
З-за паралельных архітэктур зчытвання,большасць CMOS/sCMOS-датчыкаўпаказваюць некаторыя адрозненні ў шуме чытання ад пікселя да пікселя, таму можа быць карысна думаць пра шум чытання як пра размеркаванне, а не як пра адно значэнне. Вось чаму ў некаторых спецыфікацыях пазначаны два лікі.
A медыянаЗначэнне шуму чытання паказвае, што 50% пікселяў знаходзяцца на гэтым узроўні або ніжэй, што часта адлюстроўвае «тыповую» прадукцыйнасць. ДадатковаеСярэдняя адзнакамалюнак (калі ён прадстаўлены) больш адчувальны да распаўсюджвання размеркавання і можа лепш адлюстроўваць уплыў пікселяў з больш высокім узроўнем шуму ў хвасце. Паколькі азначэнні могуць адрознівацца ў залежнасці ад вытворцы, заўсёды правярайце заяўленыя ўмовы вымярэння і правіла справаздачнасці.
CMOS/sCMOS-датчыкі могуць паказвацьадрозненні паміж пікселяміу шуме чытання, таму шум чытання лепш разглядаць якразмеркаваннеа не адно значэнне. Каб падсумаваць гэтае размеркаванне, вытворцы могуць паведамляць:
●Тыповы / Сярэдні:Тыповы піксельны паказчык, які адлюстроўвае звычайную прадукцыйнасць у гэтым рэжыме.
●RMS (або часам больш кансерватыўная лічба):Статыстыка, якая можа быць больш адчувальнай да пікселяў з больш высокім узроўнем шуму і лепш адлюстроўвае агульны роскід.
Не кожны пастаўшчык выкарыстоўвае гэтыя тэрміны аднолькава, таму заўсёды правярайце заяўленае вызначэнне і метад вымярэння. У выпадку сумневаў параўноўвайце камеры, выкарыстоўваючы значэнні, пазначаныя ў раздзелетая ж статыстыка і ўмовы.
Прыклады рэжымаў камеры (чаму адна камера мае некалькі характарыстык шуму чытання)
Каб зрабіць гэта канкрэтным, улічыце наступнаеКамера Tucsen Aries 6510 з найвышэйшай адчувальнасцю sCMOSУ тэхнічных дадзеных шум счытвання пазначаны для некалькіх рэжымаў счытвання, бо камера можа працаваць з рознай глыбінёй разраднасці і канвеерамі счытвання, і кожны з іх мае розны ўзровень шуму:
Малюнак 2: Шум счытвання Aries 6510
Як гэта інтэрпрэтаваць: гэтыя лічбы не супярэчаць адзін аднаму — яны апісваюцьрозныя аперацыйныя кропкітой жа камеры. Канвеер з больш высокай хуткасцю (тут рэжым «Хуткасць») звычайна надае прыярытэт прапускной здольнасці і можа паказваць больш высокі ўзровень шуму счытвання, у той час як канвееры з аптымізаванай адчувальнасцю могуць знізіць узровень шуму счытвання. Менавіта таму заўсёды варта счытваць характарыстыкі шуму счытвання.разам з назвай рэжыму і заяўленай глыбінёй у разрадПры параўнанні камер (ці параўнанні камеры з апублікаваным значэннем) пераканайцеся, што вы параўноўваецетой жа рэжым, а не толькі найменшы загаловак.
Калі шум счытвання мае значэнне?
Шум счытвання не абмяжоўвае кожны эксперымент. Ці мае ён значэнне, зводзіцца да простага пытання: ці з'яўляецца шум счытвання значнай часткай вашага агульнага бюджэту шуму на ўзроўні сігналу, з якім вы працуеце? Ва ўмовах яркага святла звычайна дамінуе фатонны (дробавы) шум. Ва ўмовах нізкага сігналу шум счытвання можа стаць тэрмінам, які вызначае суадносіны сігнал/шум, а часам і тое, ці бачная ўвогуле слабая структура.
Шум чытання супраць дробавага шуму: кароткае эмпірычнае правіла
Дробавы шум нарастае з сігналам, як√N(дзе N — колькасць выяўленых фотаэлектронаў). Шум счытвання прыкладнапастаянная на піксель на кадрдля дадзенага рэжыму. Гэта азначае:
● Увысокі N, √N вялікае, і шум счытвання мала ўплывае.
● Унізкі N, √N малое, і шум зчытвання можа дамінаваць.
Практычны пункт перасячэння - гэта калістрэлавы шум ≈ шум счытвання, г.зн. калі√N ≈ RГэта адпавядаеN ≈ R².
Напрыклад, калі рэжым маеR = 2 e⁻ RMS,Шум счытвання становіцца значным, калі сігнал мае парадак ад некалькіх электронаў да некалькіх дзясяткаў электронаў на піксель (паколькі R2=4). КаліR = 10 e⁻, кросовер зрушваецца прыкладна да 102 = 100 электронаў на піксель.
Канкрэтны прыклад суадносін сігнал/шум (чаму яно нязначнае ў яркіх сцэнах)
Выкажам здагадку, што піксель змяшчае2000 э⁻сігналу. Дробавы шум — гэта√2000 ≈ 44,7 е⁻.
Калі шум зчытвання10 е⁻, агульны шум (RMS) складае:
Такім чынам, суадносіны сігнал/шум (SNR) змяняецца з 2000/44,7≈44,7 да 2000/45,8≈43,7 — розніца невялікая. Іншымі словамі, пры высокіх узроўнях сігналу зніжэнне шуму счытвання рэдка змяняе тое, што вы бачыце.
У сцэнах з высокім узроўнем асвятлення, дзе кожны піксель збірае тысячы фотаэлектронаў, шум счытвання становіцца нязначным складнікам у агульным бюджэце шуму. Напрыклад, пры сігнале 2000 e⁻ даданне шуму счытвання 10 e⁻ змяняе SNR толькі на некалькі працэнтаў — часта незаўважна, — тады як пры дзясятках электронаў на піксель шум счытвання можа істотна абмежаваць SNR і бачныя дэталі.
Калі шум зчытвання становіцца сапраўдным абмежавальнікам
Шум счытвання мае найбольшае значэнне, калі ваш эксперымент абмежаваны сігналам на кадр, гэта значыць, кожны піксель збірае толькі невялікую колькасць фотаэлектронаў за адну экспазіцыя. У такім рэжыме шум счытвання можа дамінаваць у бюджэце шуму, зніжаць суадносіны сігнал/шум і зацямняць слабую структуру.
Звычайныя падказкі па ўжыванні ўключаюць:
●Слабая флуарэсцэнцыя / нізкая шчыльнасць маркіроўкі, асабліва пры кароткіх вытрымках або хуткай паскоранай здымкі
●Флуарэсцэнцыя адной малекулыі звышдазвол на аснове лакалізацыі, дзе сігналы могуць складацца толькі з некалькіх фатонаў на эмітар за кадр
●Хемілюмінесцэнтная візуалізацыя, дзе бюджэты фатонаў існава нізкія, і шум счытвання можа дамінаваць
●Высокахуткасная функцыянальная візуалізацыя (вольтаж/мембранны патэнцыял, хуткая кальцыевая візуалізацыя), дзе кароткія экспазіцыі памяншаюць колькасць фатонаў на кадр
●Працоўныя працэсы візуалізацыі з недахопам фатонаў(напрыклад, вельмі цьмяныя кадры, нават калі вы плануеце пазней аб'яднаць/усредніць)
У якасці практычнай праверкі: калі ваш тыповы сігнал для кожнага пікселя знаходзіцца ўсотні і тысячы электронаўна кадр, шум зчытвання рэдка бывае дамінантным. Калі ён знаходзіцца ўдзясяткі электронаў ці меншШум зчытвання і выбар рэжыму могуць моцна паўплываць на якасць выявы.
Выснова
Шум счытвання залежыць ад рэжыму і абмежаваны ланцужком счытвання, таму адзіныя значныя параўнанні праводзяцца пры супастаўных умовах (рэжым, хуткасць счытвання, каэфіцыент узмацнення/пераўтварэння, АЦП/глыбіня ў разрад, ROI). У яркіх сцэнах ён часта нязначны, але пры візуалізацыі з нізкім узроўнем сігналу ён можа істотна абмяжоўваць SNR і выяўляльнасць.
Калі вы хочаце атрымаць рэкамендацыю для вашага эксперыменту, падзяліцеся падрабязнасцямі вашага прымянення (узровень сігналу, час экспазіцыі, частата кадраў, даўжыня хвалі і мэтавае суадносіны сігнал/шум). Нашы спецыялісты па візуалізацыі могуць прапанаваць...Камера Тусенаі найлепшы рэжым счытвання для балансу адчувальнасці, хуткасці і дынамічнага дыяпазону.
