25/08/19Quan es tracta de capturar imatges precises i fiables en la investigació científica, la qualitat de les dades depèn de més que la resolució o la mida del sensor. Una de les mètriques més importants, però de vegades passa per alt, és la relació senyal-soroll (SNR). En els sistemes d'imatge, la SNR determina la claredat amb què es pot distingir el senyal real (informació útil) del soroll no desitjat.
En aplicacions d'imatge científica com la microscòpia, l'astronomia i l'espectroscòpia, una relació senyal-soroll (SNR) deficient pot significar la diferència entre detectar un objectiu feble i passar-lo per alt completament. Aquest article explora com es defineix la SNR, per què és important, com afecta el contrast i com seleccionar i optimitzar una càmera científica basant-se en aquesta mètrica crítica.
Què és la relació senyal-soroll i com es defineix?
La relació senyal-soroll (SNR) és la mesura més important de la qualitat de la nostra imatge, fonamental en el contrast de la imatge i sovint el factor determinant més útil per determinar si una càmera és prou sensible per a la vostra aplicació.
Els intents de millorar la sensibilitat de la càmera giren al voltant de la millora del senyal recollit:
● Mitjançant millores en l'eficiència quàntica o un augment de la mida dels píxels
● Reducció de les fonts de soroll dependents de la càmera
Les fonts de soroll s'acumulen, però depenent de les circumstàncies, es pot dominar i s'ha de centrar en l'intent de millorar la relació senyal-soroll (SNR), ja sigui optimitzant la configuració o la configuració, o actualitzant a millors fonts de llum, òptiques i càmeres.
És una abreviatura habitual descriure les imatges en termes d'una única relació senyal-soroll, per exemple, afirmant que una imatge té una relació senyal-soroll de '15'. Tanmateix, com es desprèn del nom, la relació senyal-soroll depèn del senyal, que naturalment serà diferent per a cada píxel. Això és el que ens dóna la nostra imatge.
La relació senyal-soroll (SNR) d'una imatge normalment fa referència a la SNR del senyal màxim d'interès dins de la imatge. Per exemple, la SNR d'una imatge de cèl·lules fluorescents sobre un fons fosc utilitzaria la intensitat màxima del senyal dels píxels d'una estructura d'interès dins de la cèl·lula.
No és representatiu prendre, per exemple, un valor mitjà per a la relació senyal-soroll (SNR) de tota la imatge. En tècniques com la microscòpia de fluorescència, on pot ser habitual un fons fosc amb zero fotons detectats, aquests píxels de senyal zero tenen una SNR de zero. Per tant, qualsevol mitjana en una imatge dependria de quants píxels de fons hi hagués a la vista.
Per què la relació senyal-soroll (SNR) és important per a les càmeres científiques
En la imatge científica, la relació senyal-soroll (SNR) influeix directament en la capacitat d'identificar detalls febles, mesurar dades quantitatives i reproduir resultats.
●Claredat de la imatge– Una relació senyal-soroll (SNR) més alta redueix la granulositat i fa visibles les estructures fines.
●Precisió de les dades– Redueix els errors de mesura en experiments basats en la intensitat.
●Rendiment amb poca llum– Essencial per a la microscòpia de fluorescència, l'astrofotografia de cel profund i l'espectroscòpia, on el recompte de fotons és naturalment baix.
Tant si esteu utilitzant uncàmera sCMOSPer a imatges d'alta velocitat o un CCD refrigerat per a aplicacions de llarga exposició, entendre la relació senyal-soroll (SNR) us ajuda a equilibrar els compromisos de rendiment.
Com influeix la relació senyal-soroll (SNR) en el contrast de la imatge
El contrast és la diferència relativa d'intensitat entre les zones clares i les zones fosques d'una imatge. Per a moltes aplicacions, l'objectiu final és un bon contrast d'imatge dins de les zones d'interès.
Hi ha molts factors dins del subjecte d'imatge, el sistema òptic i les condicions d'imatge que són els principals factors determinants del contrast de la imatge, com ara la qualitat de la lent i la quantitat de llum de fons.
●Alta relació senyal-soroll (SNR)→ Separació nítida entre les regions brillants i fosques; les vores apareixen nítides; els detalls subtils romanen visibles.
●SNR baix→ Les zones fosques es tornen més brillants a causa del soroll, les zones brillants es tornen més tènues i el contrast general de la imatge s'aplana.
Per exemple, en microscòpia de fluorescència, una baixa relació senyal-soroll (SNR) pot fer que una mostra feblement fluorescent es barregi amb el fons, fent que l'anàlisi quantitativa no sigui fiable. En astronomia, les estrelles o galàxies febles poden desaparèixer completament en dades sorolloses.
Tanmateix, també hi ha factors dins de la mateixa càmera, el principal dels quals és la relació senyal-soroll. A més, i especialment amb poca llum, l'escalat de la intensitat de la imatge, és a dir, com es mostra la imatge al monitor, juga un paper important en el contrast percebut de la imatge. Amb un soroll elevat a les zones fosques de la imatge, els algoritmes d'escalat automàtic d'imatges poden tenir el seu límit inferior massa baix a causa de píxels sorollosos de baix valor, mentre que el límit superior augmenta a causa del soroll als píxels de senyal alt. Aquesta és la causa de l'aspecte gris "rentat" característic de les imatges amb baixa relació senyal-soroll. Es pot obtenir un millor contrast establint el límit inferior a l'offset de la càmera.
Factors que afecten la relació senyal-soroll (SNR) en càmeres científiques
Diversos paràmetres de disseny i funcionament influeixen en la relació senyal-soroll (SNR) d'un sistema de càmera:
Tecnologia de sensors
● sCMOS: combina un baix soroll de lectura i altes freqüències de fotogrames, ideal per a imatges dinàmiques.
● CCD: històricament ofereix poc soroll en exposicions llargues, però més lent que els dissenys CMOS moderns.
● EMCCD: utilitza l'amplificació en el xip per augmentar els senyals febles, però pot introduir soroll multiplicatiu.
Mida del píxel i factor d'ompliment
Els píxels més grans recullen més fotons, augmentant el senyal i, per tant, la relació senyal-soroll (SNR).
Eficiència quàntica (QE)
Un QE més alt significa que més fotons entrants es converteixen en electrons, millorant la relació senyal-soroll (SNR).
Temps d'exposició
Les exposicions més llargues recullen més fotons, augmentant el senyal, però també poden augmentar el soroll del corrent fosc.
Sistemes de refrigeració
El refredament redueix el corrent fosc, millorant significativament la relació senyal-soroll (SNR) per a exposicions llargues.
Òptica i Il·luminació
Les lents d'alta qualitat i la il·luminació estable maximitzen la captura del senyal i minimitzen la variabilitat.
Exemples de diferents valors màxims de SNR
En imatges, la PSNR sovint es refereix a un màxim teòric relatiu a la saturació de píxels. Malgrat les diferències en els subjectes d'imatge, les condicions d'imatge i la tecnologia de les càmeres, per a les càmeres científiques convencionals, les imatges amb la mateixa relació senyal-soroll poden tenir similituds. El grau de "granulació", la variació d'un fotograma a un altre i, fins a cert punt, el contrast, poden ser similars en aquestes diferents condicions. Per tant, és possible comprendre els valors de senyal-soroll (SNR) i les diferents condicions i reptes que impliquen a partir d'imatges representatives, com les que es mostren a la taula.
NOTA: Els valors màxims del senyal en fotoelectrons per a cada fila es donen en blau. Totes les imatges es mostren amb escala automàtica d'histograma, ignorant (saturant) el 0,35% dels píxels més brillants i més foscos. Dues columnes d'imatge a l'esquerra: Imatges basades en lent d'un objectiu de prova d'imatge. Quatre columnes a la dreta: Àscaris capturats en fluorescència amb un objectiu de microscopi de 10x. Per il·lustrar les variacions fotograma a fotograma en els valors dels píxels a una SNR més baixa, es proporcionen tres fotogrames successius.
Es mostra una imatge d'una diana de prova basada en una lent, juntament amb una imatge de microscòpia de fluorescència, juntament amb una vista ampliada de la imatge fluorescent que mostra la variació dins de 3 fotogrames successius. També es proporciona el recompte màxim de fotoelectrons a cada nivell de senyal.
La figura següent mostra les versions completes d'aquestes imatges d'exemple com a referència.
Imatges de mida completa utilitzades per a la taula d'exemples de relació senyal-soroll
EsquerraUn objectiu de prova d'imatge fotografiat amb una lent.
DretaUna mostra d'una secció de cuc nematode Ascaris vista amb microscòpia de fluorescència amb un augment de 10x.
SNR en aplicacions
L'SNR és de missió crítica en diversos camps:
● Microscòpia: la detecció d'una fluorescència feble en mostres biològiques requereix una relació senyal-soroll (SNR) elevada per evitar falsos negatius.
● Astronomia: la identificació de galàxies o exoplanetes distants requereix exposicions llargues amb un soroll mínim.
● Espectroscòpia: una alta relació senyal-soroll (SNR) garanteix mesures precises de la intensitat màxima en l'anàlisi química.
● Inspecció industrial: en línies de muntatge amb poca llum, una alta relació senyal-soroll (SNR) ajuda a detectar defectes de manera fiable.
Triar una càmera científica amb la relació senyal-soroll adequada
A l'hora d'avaluar una nova càmera científica:
●Comproveu les especificacions de SNR– Compareu els valors de dB en condicions similars a les de la vostra aplicació.
●Balanç Altres mètriques– Tingueu en compte l'eficiència quàntica, el rang dinàmic i la freqüència d'imatges.
●Adaptar la tecnologia al cas d'ús– Per a escenes dinàmiques d'alta velocitat, una càmera sCMOS pot ser ideal; per a subjectes estàtics amb molt poca llum, un CCD o EMCCD refrigerat pot tenir un millor rendiment.
●Connectivitat per a l'eficiència del flux de treball– Tot i que no afecten directament la relació senyal-soroll (SNR), funcions com la sortida HDMI poden permetre la revisió d'imatges en temps real, cosa que us ajuda a verificar ràpidament que la configuració d'adquisició aconsegueix la relació senyal-soroll desitjada.
Conclusió
La relació senyal-soroll (SNR) és una mètrica clau de rendiment que influeix directament en la claredat i la fiabilitat de les imatges científiques. Comprendre com es defineix la SNR, els factors que l'afecten i les implicacions dels diferents valors de SNR permet als investigadors i als usuaris tècnics avaluar els sistemes d'imatge de manera més eficaç. Aplicant aquest coneixement, ja sigui en la selecció d'un noucàmera científicao optimitzant una configuració existent: podeu assegurar-vos que el vostre flux de treball d'imatges captura dades amb el nivell de precisió necessari per a la vostra aplicació específica.
Preguntes freqüents
Què es considera una bona relació senyal-soroll (SNR) per a càmeres científiques?
La relació senyal-soroll (SNR) ideal depèn de l'aplicació. Per a treballs quantitatius molt exigents, com ara la microscòpia de fluorescència o l'astronomia, generalment es recomana una SNR superior a 40 dB, ja que produeix imatges amb un soroll visible mínim i conserva els detalls fins. Per a ús general de laboratori o inspecció industrial, 35–40 dB pot ser suficient. Qualsevol valor inferior a 30 dB normalment mostrarà un gra visible i pot comprometre la precisió, especialment en situacions de baix contrast.
Com afecta l'eficiència quàntica (QE) a la relació senyal-soroll (SNR)?
L'eficiència quàntica mesura l'eficàcia amb què un sensor converteix els fotons entrants en electrons. Un QE més alt significa que es captura més llum disponible com a senyal, cosa que augmenta el numerador en l'equació SNR. Això és especialment important en escenaris de poca llum, on cada fotó compta. Per exemple, una càmera sCMOS amb un QE del 80% aconseguirà un SNR més alt en condicions idèntiques en comparació amb un sensor amb un QE del 50%, simplement perquè captura un senyal més utilitzable.
Quina diferència hi ha entre la relació senyal-soroll (SNR) i la relació contrast-soroll (CNR)?
Mentre que la relació senyal-soroll (SNR) mesura la intensitat general del senyal en relació amb el soroll, la CNR se centra en la visibilitat d'una característica específica respecte al seu fons. En la imatge científica, ambdues són importants: la SNR indica com de "neta" és la imatge en general, mentre que la CNR determina si un objecte d'interès concret destaca prou per a la detecció o la mesura.
Voleu saber-ne més? Doneu un cop d'ull a articles relacionats:
Eficiència quàntica en càmeres científiques: una guia per a principiants
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
