25/09/30Калі гаворка ідзе пра атрыманне дакладных і надзейных малюнкаў у навуковых даследаваннях, якасць вашых дадзеных залежыць не толькі ад раздзяляльнай здольнасці або памеру датчыка. Адным з найважнейшых, але часам ігнаруемых, паказчыкаў з'яўляецца стаўленне сігнал/шум (SNR). У сістэмах візуалізацыі SNR вызначае, наколькі выразна можна адрозніць фактычны сігнал (карысную інфармацыю) ад непажаданага шуму.
У навуковых візуалізацыях, такіх як мікраскапія, астраномія і спектраскапія, нізкае суадносіны сігнал/шум (SNR) можа азначаць розніцу паміж выяўленнем слабай цэлі і яе поўнай недасяжнасцю. У гэтым артыкуле разглядаецца, як вызначаецца SNR, чаму яно важнае, як яно ўплывае на кантраснасць і як выбраць і аптымізаваць навуковую камеру на аснове гэтага крытычна важнага паказчыка.
Што такое стаўленне сігнал/шум і як яно вызначаецца?
Суадносіны сігнал/шум (SNR) — найважнейшы паказчык якасці выявы, фундаментальны для кантраснасці выявы і часта найбольш карысны фактар, які вызначае, ці дастаткова адчувальная камера для вашага прымянення.
Спробы палепшыць адчувальнасць камеры сканцэнтраваны на паляпшэнні сабранага сігналу:
● Дзякуючы паляпшэнню квантавай эфектыўнасці або павелічэнню памеру пікселя
● Зніжэнне крыніц шуму, якія залежаць ад камеры
Крыніцы шуму складаюцца разам, але ў залежнасці ад абставін адна з іх можа дамінаваць, і на ёй варта засяродзіцца пры спробе палепшыць суадносіны сігнал/шум — альбо шляхам аптымізацыі налад або ўстаноўкі, альбо шляхам пераходу на лепшыя крыніцы святла, оптыку і камеры.
Звычайна выявы апісваюцца з пункту гледжання аднаго суадносін сігнал/шум, напрыклад, сцвярджаючы, што выява мае SNR «15». Аднак, як відаць з назвы, суадносіны сігнал/шум залежыць ад сігналу, які, вядома, будзе розным для кожнага пікселя. Менавіта гэта дае нам нашу выяву.
Суадносіны сігнал/шум выявы звычайна адносіцца да суадносін сігнал/шум пікавага сігналу, які нас цікавіць, на выяве. Напрыклад, суадносіны сігнал/шум выявы флуарэсцэнтных клетак на цёмным фоне выкарыстоўваюць інтэнсіўнасць пікавага сігналу ад пікселяў структуры, якая нас цікавіць, унутры клеткі.
Напрыклад, сярэдняе значэнне для SNR (суадносін сігнал/шум) усяго малюнка не з'яўляецца рэпрэзентатыўным. У такіх метадах, як флуарэсцэнтная мікраскапія, дзе звычайна сустракаецца цёмны фон з нулявым выяўленнем фатонаў, гэтыя пікселі з нулявым сігналам маюць SNR нуль. Такім чынам, любое сярэдняе значэнне па малюнку будзе залежаць ад таго, колькі пікселяў фону было ў полі зроку.
Чаму SNR мае значэнне для навуковых камер
У навуковай візуалізацыі суадносіны сігнал/шум непасрэдна ўплывае на тое, наколькі добра можна ідэнтыфікаваць цьмяныя дэталі, вымяраць колькасныя дадзеныя і прайграваць вынікі.
●Выразнасць выявы– Больш высокае суадносіны сігнал/шум (SNR) памяншае зярністасць і робіць бачнымі дробныя структуры.
●Дакладнасць дадзеных– Змяншае памылкі вымярэнняў у эксперыментах, заснаваных на інтэнсіўнасці.
●Прадукцыйнасць пры слабым асвятленні– Неабходны для флуарэсцэнтнай мікраскапіі, астрафатаграфіі глыбокага космасу і спектраскапіі, дзе колькасць фатонаў натуральна нізкая.
Незалежна ад таго, ці выкарыстоўваеце выsCMOS-камераДля хуткаснай візуалізацыі або астуджанай ПЗС-матрыцы для прымянення з доўгай вытрымкай разуменне суадносін сігнал/шум дапамагае знайсці кампрамісы паміж прадукцыйнасцю.
Як SNR уплывае на кантраснасць выявы
Кантраст — гэта адносная розніца ў інтэнсіўнасці паміж светлымі і цёмнымі абласцямі выявы. Для многіх прыкладанняў добрая кантраснасць выявы ў абласцях цікавасці з'яўляецца канчатковай мэтай.
Існуе мноства фактараў, якія ўплываюць на кантраст выявы, у тым ліку якасць аб'ектыва і колькасць фонавага святла, у тым ліку аб'ект візуалізацыі, аптычная сістэма і ўмовы візуалізацыі.
●Высокі сігнал/шум→ Выразнае аддзяленне светлых і цёмных абласцей; краю выглядаюць выразнымі; тонкія дэталі застаюцца бачнымі.
●Нізкі сігнал/шум→ Цёмныя ўчасткі становяцца ярчэйшымі з-за шуму, светлыя ўчасткі — цямнейшымі, а агульная кантраснасць выявы памяншаецца.
Напрыклад, у флуарэсцэнтнай мікраскапіі нізкае суадносіны сігнал/шум можа прывесці да таго, што слаба флуарэсцэнтны ўзор зліваецца з фонам, што робіць колькасны аналіз ненадзейным. У астраноміі цьмяныя зоркі або галактыкі могуць цалкам знікаць у зашумленых дадзеных.
Аднак ёсць і фактары ўнутры самой камеры, асноўным з якіх з'яўляецца суадносіны сігнал/шум. Акрамя таго, асабліва пры слабым асвятленні, маштабаванне інтэнсіўнасці выявы, тое, як выява адлюстроўваецца на маніторы, адыгрывае вялікую ролю ва ўспрыманым кантрасце выявы. Пры высокім узроўні шуму ў цёмных абласцях выявы алгарытмы аўтаматычнага маштабавання выявы могуць мець занадта нізкую ніжнюю мяжу з-за нізкага ўзроўню шуму ў пікселях, у той час як верхняя мяжа павялічваецца з-за шуму ў пікселях з высокім узроўнем сігналу. Гэта з'яўляецца прычынай характэрнага «вымытага» шэрага колеру выяваў з нізкім суадносінамі сігнал/шум. Лепшага кантрасту можна дасягнуць, усталяваўшы ніжнюю мяжу на зрушэнне камеры.
Фактары, якія ўплываюць на суадносіны сігнал/шум (SNR) у навуковых камерах
На суадносіны сігнал/шум (SNR) сістэмы камеры ўплываюць некалькі канструктыўных і эксплуатацыйных параметраў:
Тэхналогія датчыкаў
● sCMOS – спалучае нізкі ўзровень шуму чытання і высокую частату кадраў, ідэальна падыходзіць для дынамічнай візуалізацыі.
● CCD – Гістарычна забяспечвае нізкі ўзровень шуму пры працяглых вытрымках, але павольнейшы за сучасныя CMOS-матрыцы.
● EMCCD – выкарыстоўвае ўзмацненне на чыпе для ўзмацнення слабых сігналаў, але можа прыводзіць да мультыплікатыўнага шуму.
Памер пікселя і каэфіцыент запаўнення
Большыя пікселі збіраюць больш фатонаў, павялічваючы сігнал і, такім чынам, суадносіны сігнал/шум.
Квантавая эфектыўнасць (КЭ)
Больш высокая эфектыўнасць квантавання (QE) азначае, што больш уваходных фатонаў пераўтвараецца ў электроны, што паляпшае суадносіны сігнал/шум.
Час уздзеяння
Больш працяглыя экспазіцыі збіраюць больш фатонаў, павялічваючы сігнал, але таксама могуць павялічыць шум цёмнага току.
Сістэмы астуджэння
Астуджэнне памяншае цёмны ток, значна паляпшаючы суадносіны сігнал/шум (SNR) пры працяглых вытрымках.
Оптыка і асвятленне
Высокаякасныя лінзы і стабільнае асвятленне максімізуюць захоп сігналу і мінімізуюць зменлівасць.
Прыклады розных пікавых значэнняў SNR
У візуалізацыі PSNR часта азначае тэарэтычны максімум адносна насычанасці пікселяў. Нягледзячы на адрозненні ў аб'ектах візуалізацыі, умовах візуалізацыі і тэхналогіі камеры, для звычайных навуковых камер выявы з аднолькавым суадносінамі сігнал/шум могуць мець падабенства. Ступень «зярністасці», варыяцыі ад кадра да кадра і ў пэўнай ступені кантраснасць могуць быць падобнымі ў гэтых розных умовах. Такім чынам, можна атрымаць уяўленне аб значэннях SNR, а таксама аб розных умовах і праблемах, якія яны ўяўляюць, з рэпрэзентатыўных выяў, такіх як паказаныя ў табліцы.
ЗАЎВАГА:Пікавыя значэнні сігналу ў фотаэлектронах для кожнага радка пазначаны сінім колерам. Усе выявы адлюстроўваюцца з аўтаматычным маштабаваннем гістаграмы, ігнаруючы (насычаючы) 0,35% самых яркіх і самых цёмных пікселяў. Два левыя слупкі выявы: выява тэставай мішэні на аснове лінзы. Чатыры правыя слупкі: аскарыда, захопленая ў флуарэсцэнцыі з дапамогай 10-кратнага аб'ектыва мікраскопа. Для ілюстрацыі змяненняў значэнняў пікселяў ад кадра да кадра пры ніжэйшым суадносінах сігнал/шум прадстаўлены тры паслядоўныя кадры.
Паказаны выява тэставай мішэні, атрыманая з дапамогай лінзы, і выява флуарэсцэнтнай мікраскапіі, а таксама павялічаны выгляд флуарэсцэнтнай выявы, які паказвае змены на працягу 3 паслядоўных кадраў. Таксама паказана пікавая колькасць фотаэлектронаў на кожным узроўні сігналу.
На наступным малюнку паказаны поўныя версіі гэтых прыкладаў малюнкаў для даведкі.
Злева:Тэставая мішэнь для візуалізацыі, сфатаграфаваная аб'ектывам.
Справа:Узор зрэзу нематоды аскарыды, прагледжаны пад флуарэсцэнтнай мікраскапіяй пры 10-кратным павелічэнні.
| | | |  | |  |
SNR у прыкладаннях
SNR мае вырашальнае значэнне ў розных галінах:
●Мікраскапія– Выяўленне слабай флуарэсцэнцыі ў біялагічных узорах патрабуе высокага суадносін сігнал/шум, каб пазбегнуць ілжываадмоўных вынікаў.
●Астраномія– Вызначэнне аддаленых галактык або экзапланет патрабуе працяглых вытрымак з мінімальным шумам.
●Спектраскапія– Высокае суадносіны сігнал/шум забяспечвае дакладныя вымярэнні інтэнсіўнасці пікаў пры хімічным аналізе.
●Прамысловая інспекцыя– На зборачных лініях пры слабым асвятленні высокае суадносіны сігнал/шум дапамагае надзейна выяўляць дэфекты.
Выбар навуковай камеры з правільным суадносінамі сігнал/шум
Пры ацэнцы новай навуковай камеры:
●Праверце характарыстыкі SNR– Параўнайце значэнні ў дБ ва ўмовах, падобных да вашых умоў прымянення.
●Збалансаваць іншыя паказчыкі– Улічвайце квантавую эфектыўнасць, дынамічны дыяпазон і частату кадраў.
●Падбярыце тэхналогію да варыянту выкарыстання– Для дынамічных сцэн з высокай хуткасцю ідэальна падыходзіць sCMOS-камера; для статычных аб'ектаў з ультранізкім асвятленнем лепш могуць працаваць астуджаныя CCD або EMCCD.
●Падключэнне для павышэння эфектыўнасці працоўнага працэсу– Нягледзячы на тое, што такія функцыі, як выхад HDMI, не ўплываюць непасрэдна на суадносіны сігнал/шум, яны дазваляюць праглядаць выявы ў рэжыме рэальнага часу, дапамагаючы хутка праверыць, ці дасягаюць вашы налады здымкі патрэбнага суадносін сігнал/шум.
Выснова
Суадносіны сігнал/шум (SNR) — гэта ключавы паказчык прадукцыйнасці, які непасрэдна ўплывае на выразнасць і надзейнасць навуковых выяў. Разуменне таго, як вызначаецца SNR, фактараў, якія на яго ўплываюць, і наступстваў розных значэнняў SNR дазваляе даследчыкам і тэхнічным карыстальнікам больш эфектыўна ацэньваць сістэмы візуалізацыі. Ужываючы гэтыя веды — няхай гэта будзе выбар новага...навуковая камераабо аптымізацыя існуючай налады — вы можаце гарантаваць, што ваш працоўны працэс апрацоўкі візуалізацыі будзе фіксаваць дадзеныя з узроўнем дакладнасці, неабходным для вашага канкрэтнага прымянення.
Часта задаваныя пытанні
Што лічыцца «добрым» суадносінамі сігнал/шум (SNR) для навуковых камер?
Ідэальнае суадносіны сігнал/шум (SNR) залежыць ад прымянення. Для вельмі патрабавальных колькасных работ, такіх як флуарэсцэнтная мікраскапія або астраномія, звычайна рэкамендуецца SNR вышэй за 40 дБ, бо гэта дазваляе атрымліваць выявы з мінімальным бачным шумам і захоўваць дробныя дэталі. Для агульнага лабараторнага выкарыстання або прамысловага кантролю можа быць дастаткова 35–40 дБ. Усё, што ніжэй за 30 дБ, звычайна прывядзе да бачнай зерністасці і можа пагоршыць дакладнасць, асабліва ў сітуацыях з нізкай кантраснасцю.
Як квантавая эфектыўнасць (КЭ) уплывае на суадносіны сігнал/шум?
Квантавая эфектыўнасць вымярае, наколькі эфектыўна датчык пераўтварае ўваходныя фатоны ў электроны. Больш высокая квантавая эфектыўнасць (КК) азначае, што больш даступнага святла захопліваецца ў выглядзе сігналу, што павялічвае лічнік у раўнанні SNR. Гэта асабліва важна ў умовах нізкай асветленасці, дзе кожны фатон мае значэнне. Напрыклад, sCMOS-камера з КК 80% дасягне больш высокага SNR пры аднолькавых умовах у параўнанні з датчыкам з КК 50%, проста таму, што яна захоплівае больш карыснага сігналу.
У чым розніца паміж SNR і суадносінамі кантраснасці і шуму (CNR)?
У той час як SNR вымярае агульную сілу сігналу ў параўнанні з шумам, CNR факусуецца на бачнасці пэўнага аб'екта на яго фоне. У навуковай візуалізацыі важныя абодва паказчыкі: SNR паказвае, наколькі «чысты» малюнак у цэлым, а CNR вызначае, ці дастаткова вылучаецца пэўны аб'ект цікавасці для выяўлення або вымярэння.
Хочаце даведацца больш? Азнаёмцеся з падобнымі артыкуламі:
Квантавая эфектыўнасць у навуковых камерах: кіраўніцтва для пачаткоўцаў
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
