25.08.2019.Kada je u pitanju snimanje preciznih i pouzdanih slika u naučnim istraživanjima, kvalitet vaših podataka zavisi od više od same rezolucije ili veličine senzora. Jedna od najvažnijih - ali ponekad zanemarenih - metrika je odnos signal-šum (SNR). U sistemima za snimanje, SNR određuje koliko jasno možete razlikovati stvarni signal (korisne informacije) od neželjenog šuma.
U naučnim primjenama snimanja poput mikroskopije, astronomije i spektroskopije, loš SNR može značiti razliku između detekcije slabog cilja i njegovog potpunog promašaja. Ovaj članak istražuje kako se SNR definira, zašto je važan, kako utječe na kontrast i kako odabrati i optimizirati naučnu kameru na osnovu ove ključne metrike.
Šta je odnos signal-šum i kako se definiše?
Odnos signala i šuma (SNR) je najvažnija mjera kvalitete slike, fundamentalna za kontrast slike i često najkorisniji faktor koji određuje je li kamera dovoljno osjetljiva za vašu primjenu.
Pokušaji poboljšanja osjetljivosti kamere vrte se oko poboljšanja prikupljenog signala:
● Kroz poboljšanja kvantne efikasnosti ili povećanje veličine piksela
● Smanjenje izvora šuma koji zavise od kamere
Izvori šuma se zbrajaju, ali ovisno o okolnostima, jedan može dominirati i na njega se treba fokusirati prilikom pokušaja poboljšanja odnosa signal-šum (SNR) - bilo optimizacijom postavki ili podešavanja, ili nadogradnjom na bolje izvore svjetlosti, optiku i kamere.
Uobičajena je skraćenica opisivati slike u smislu jednog odnosa signal-šum, na primjer, tvrdeći da slika ima SNR od '15'. Međutim, kao što je očigledno iz naziva, odnos signal-šum zavisi od signala, koji će naravno biti drugačiji za svaki piksel. To nam daje našu sliku.
SNR slike se obično odnosi na SNR vršnog signala od interesa unutar slike. Na primjer, SNR sa slike fluorescentnih ćelija na tamnoj pozadini koristio bi intenzitet vršnog signala iz piksela strukture od interesa unutar ćelije.
Nije reprezentativno uzeti, na primjer, srednju vrijednost za SNR cijele slike. U tehnikama kao što je fluorescentna mikroskopija, gdje tamna pozadina s nula detektovanih fotona može biti uobičajena, ovi pikseli s nultom signalnom vrijednošću imaju SNR od nula. Stoga bi svaki prosjek na slici ovisio o tome koliko je piksela pozadine bilo u vidnom polju.
Zašto je SNR važan za naučne kamere
U naučnom snimanju, SNR direktno utiče na to koliko dobro možete identifikovati slabe detalje, izmjeriti kvantitativne podatke i reprodukovati rezultate.
●Jasnoća slike– Veći SNR smanjuje zrnatost i čini fine strukture vidljivim.
●Tačnost podataka– Smanjuje greške u mjerenju u eksperimentima zasnovanim na intenzitetu.
●Performanse pri slabom osvjetljenju– Neophodan za fluorescentnu mikroskopiju, astrofotografiju dubokog svemira i spektroskopiju, gdje je broj fotona prirodno nizak.
Bez obzira da li koristitesCMOS kameraZa brzo snimanje ili hlađeni CCD za primjene s dugom ekspozicijom, razumijevanje odnosa signal-šum (SNR) pomaže vam da uravnotežite kompromise u performansama.
Kako SNR utiče na kontrast slike
Kontrast je relativna razlika u intenzitetu između svijetlih i tamnih područja slike. Za mnoge primjene, dobar kontrast slike unutar područja interesa je krajnji cilj.
Postoji mnogo faktora unutar objekta snimanja, optičkog sistema i uslova snimanja koji su primarni faktori koji određuju kontrast slike, kao što su kvalitet objektiva i količina pozadinskog svjetla.
●Visok signal-šum→ Jasno razdvajanje svijetlih i tamnih područja; rubovi izgledaju oštro; suptilni detalji ostaju vidljivi.
●Nizak signal-šum→ Tamna područja postaju svjetlija zbog šuma, svijetla područja postaju tamnija, a ukupni kontrast slike se izravnava.
Na primjer, u fluorescentnoj mikroskopiji, nizak SNR može uzrokovati da se slabo fluorescentni uzorak stopi s pozadinom, što kvantitativnu analizu čini nepouzdanom. U astronomiji, slabe zvijezde ili galaksije mogu potpuno nestati u podacima s šumom.
Međutim, postoje i faktori unutar same kamere – primarni faktor je odnos signala i šuma. Nadalje, a posebno pri slabom osvjetljenju, skaliranje intenziteta slike, način na koji se slika prikazuje na monitoru, igra veliku ulogu u percipiranom kontrastu slike. S visokim šumom u tamnim područjima slike, algoritmi za automatsko skaliranje slike mogu imati donju granicu postavljenu prenisko zbog piksela s niskom vrijednošću šuma, dok je gornja granica povećana zbog šuma u pikselima s visokim signalom. To je uzrok karakterističnog 'ispranog' sivog izgleda slika s niskim omjerom signal-šum. Bolji kontrast se može postići postavljanjem donje granice na pomak kamere.
Faktori koji utiču na odnos signal-šum (SNR) kod naučnih kamera
Nekoliko parametara dizajna i rada utiče na odnos signal-šum (SNR) sistema kamere:
Tehnologija senzora
● sCMOS – Kombinuje nizak šum pri čitanju i visoku brzinu kadrova, idealno za dinamičko snimanje.
● CCD – Historijski gledano, nudi nizak šum pri dugim ekspozicijama, ali je sporiji od modernih CMOS dizajna.
● EMCCD – Koristi pojačanje na čipu za pojačavanje slabih signala, ali može unijeti multiplikativni šum.
Veličina piksela i faktor popunjavanja
Veći pikseli sakupljaju više fotona, povećavajući signal i time SNR.
Kvantna efikasnost (QE)
Veći QE znači da se više dolaznih fotona pretvara u elektrone, što poboljšava SNR.
Vrijeme izloženosti
Duže ekspozicije prikupljaju više fotona, povećavajući signal, ali mogu povećati i šum tamne struje.
Sistemi za hlađenje
Hlađenje smanjuje tamnu struju, značajno poboljšavajući SNR (omjer signal-šum) pri dugim ekspozicijama.
Optika i osvjetljenje
Visokokvalitetne leće i stabilno osvjetljenje maksimiziraju snimanje signala i minimiziraju varijabilnost.
Primjeri različitih vršnih vrijednosti SNR-a
U obradi slika, PSNR se često odnosi na teorijski maksimum u odnosu na zasićenost piksela. Uprkos razlikama u subjektima snimanja, uslovima snimanja i tehnologiji kamere, kod konvencionalnih naučnih kamera, slike sa istim odnosom signal-šum mogu imati sličnosti. Stepen 'zrnatosti', varijacije od kadra do kadra i donekle kontrast, mogu biti slični u ovim različitim uslovima. Stoga je moguće steći razumijevanje vrijednosti SNR-a i različitih uslova i izazova koje oni podrazumijevaju iz reprezentativnih slika, kao što su one prikazane u tabeli.
NAPOMENA: Vršne vrijednosti signala u fotoelektronima za svaki red su prikazane plavom bojom. Sve slike su prikazane s automatskim skaliranjem histograma, zanemarujući (zasićujući) 0,35% najsvjetlijih i najtamnijih piksela. Lijeva dva stupca slike: Snimanje testne mete snimanja zasnovano na sočivu. Desna četiri stupca: Ascaris snimljen u fluorescenciji s mikroskopskim objektivom od 10x. Da bi se ilustrovale varijacije vrijednosti piksela od kadra do kadra pri nižem SNR-u, data su tri uzastopna kadra.
Prikazana je slika testne mete snimljena sočivom, zajedno sa slikom fluorescentne mikroskopije, zajedno sa uvećanim prikazom fluorescentne slike koji pokazuje varijaciju unutar 3 uzastopna kadra. Također je dat vršni broj fotoelektrona na svakom nivou signala.
Sljedeća slika prikazuje pune verzije ovih primjera slika kao referencu.
Slike pune veličine korištene za tabelu primjera odnosa signal-šum
LijevoMeta za testiranje slike fotografisana objektivom.
DesnoUzorak presjeka crva nematode Ascaris pregledan fluorescentnom mikroskopijom pri uvećanju od 10x.
SNR u primjenama
SNR je ključan za misiju u raznim oblastima:
● Mikroskopija – Detekcija slabe fluorescencije u biološkim uzorcima zahtijeva visok SNR kako bi se izbjegli lažno negativni rezultati.
● Astronomija – Identifikacija udaljenih galaksija ili egzoplaneta zahtijeva duge ekspozicije s minimalnim šumom.
● Spektroskopija – Visok odnos signal-šum (SNR) osigurava precizna mjerenja intenziteta vrhova u hemijskim analizama.
● Industrijska inspekcija – Na montažnim linijama sa slabim osvjetljenjem, visok SNR pomaže u pouzdanom otkrivanju nedostataka.
Odabir naučne kamere s pravim odnosom signal-šum (SNR)
Prilikom procjene nove naučne kamere:
●Provjerite specifikacije SNR-a– Uporedite dB vrijednosti pod uslovima sličnim vašim uslovima primjene.
●Uravnotežite ostale metrike– Uzmite u obzir kvantnu efikasnost, dinamički raspon i brzinu kadrova.
●Uskladite tehnologiju sa slučajem upotrebe– Za dinamičke scene velike brzine, sCMOS kamera može biti idealna; za statične subjekte s ultra-slabim osvjetljenjem, hlađeni CCD ili EMCCD mogu postići bolje rezultate.
●Povezivanje za efikasnost radnog procesa– Iako ne utiču direktno na odnos signal-šum (SNR), funkcije poput HDMI izlaza mogu omogućiti pregled slike u realnom vremenu, pomažući vam da brzo provjerite da li vaše postavke akvizicije postižu željeni SNR.
Zaključak
Odnos signal-šum (SNR) je ključna metrika performansi koja direktno utiče na jasnoću i pouzdanost naučnih slika. Razumijevanje definicije SNR-a, faktora koji utiču na njega i implikacija različitih SNR vrijednosti omogućava istraživačima i tehničkim korisnicima da efikasnije procijene sisteme snimanja. Primjenom ovog znanja - bilo da se radi o odabiru novog...naučna kameraili optimizacijom postojeće postavke - možete osigurati da vaš tijek rada sa slikama snima podatke s nivoom preciznosti potrebnim za vašu specifičnu primjenu.
Često postavljana pitanja
Šta se smatra "dobrim" odnosom signal-šum (SNR) za naučne kamere?
Idealni SNR zavisi od primjene. Za visoko zahtjevan, kvantitativni rad - kao što su fluorescentna mikroskopija ili astronomija - generalno se preporučuje SNR iznad 40 dB, jer proizvodi slike sa minimalnim vidljivim šumom i čuva fine detalje. Za opštu laboratorijsku upotrebu ili industrijski pregled, 35-40 dB može biti dovoljno. Sve ispod 30 dB obično će pokazati vidljivo zrno i može ugroziti tačnost, posebno u situacijama niskog kontrasta.
Kako kvantna efikasnost (QE) utiče na odnos signal-šum (SNR)?
Kvantna efikasnost mjeri koliko efikasno senzor pretvara dolazne fotone u elektrone. Veći kvantni efekat (QE) znači da se više dostupne svjetlosti hvata kao signal, što povećava brojnik u jednačini odnosa signal-šum (SNR). Ovo je posebno važno u uslovima slabog osvjetljenja, gdje je svaki foton važan. Na primjer, sCMOS kamera sa QE od 80% će postići veći SNR pod identičnim uslovima u poređenju sa senzorom sa QE od 50%, jednostavno zato što hvata više upotrebljivog signala.
Koja je razlika između odnosa signal-šum (SNR) i odnosa kontrast-šum (CNR)?
Dok SNR mjeri ukupnu jačinu signala u odnosu na šum, CNR se fokusira na vidljivost određene karakteristike u odnosu na njenu pozadinu. U naučnom snimanju, oba su važna: SNR vam govori koliko je slika ukupno "čista", dok CNR određuje da li se određeni objekat od interesa dovoljno ističe za detekciju ili mjerenje.
Želite saznati više? Pogledajte povezane članke：
Kvantna efikasnost u naučnim kamerama: Vodič za početnike
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
