25.08.19Калі 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 шумных 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.
Поўнапамерныя выявы, якія выкарыстоўваюцца для табліцы прыкладаў суадносін сігнал/шум
Злева: Тэставая мішэнь для візуалізацыі, сфатаграфаваная аб'ектывам.
ПраваУзор зрэзу нематоды Ascaris, 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.
● Прамысловы кантроль – на зборачных лініях з нізкім узроўнем асвятлення 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
