13. 5. 2022Šum odečtu je nejistota spojená s elektronickým měřením počtu fotoelektronů detekovaných kamerou. Obvykle je specifikován velektrony (e⁻ RMS)a závisí na rychlosti čtení, režimu zesílení/konverze zesílení, konfiguraci ADC a návratnosti investic – takže je srovnatelný pouze za shodných podmínek.
V jasných scénách,hluk z výstřeluobvykle dominuje a šum při odečítání má malý vliv. Při zobrazování za slabého osvětlení – slabá fluorescence, astronomie, práce s krátkou expozicí a vysokou rychlostí – může šum při odečítání podstatně omezit poměr signálu k šumu (SNR) a dokonce i detekovatelnost.
Tato příručka ukazuje, jak interpretovat specifikace šumu při odečítání, kdy je důležitý, která nastavení jej mění a jak jej spolehlivě měřit.
Co je to šum při odečítání?
Šum při čtení (často nazývanýčtecí šum) je náhodná nejistota, která vzniká při použití kameryčte nahlasobraz – tj. když je náboj shromážděný v každém pixelu převeden na napětí a poté digitalizován do digitálního čísla (DN). I s perfektní optikou a stabilní scénou není elektronika pro čtení nikdy dokonale bez šumu: zesilovače, resetovací a vzorkovací obvody, analogové signálové cesty a analogově-digitální převodník (ADC) mohou přispívat malými fluktuacemi. Výsledkem je náhodná chyba na pixel a na snímek, která se při čtení přidává.
Obrázek 1: Čtení obrazu s omezeným šumem
V tomto režimu s velmi nízkým osvětlením jsou hodnoty signálu srovnatelné s čtecím šumem, což znamená, že čtecí šum je primárním omezujícím faktorem poměru signálu k šumu (SNR).
Protože senzor v konečném důsledku měří světlo jakoelektrony, šum při odečítání se nejčastěji specifikuje velektrony (e⁻), obvykle jakoe⁻ RMSVyjádření šumu v elektronech usnadňuje porovnání výkonu napříč nastaveními a modely fotoaparátů. (Pokud začnete s DN, převod na e⁻ vyžaduje systémový konverzní zisk,e⁻/DN.) U moderních vědeckých kamer může být šum při odečítání velmi nízký – často naÚroveň ~1–3 e⁻ RMS v režimech s nízkým šumempro zobrazování za slabého osvětlení – ačkoli přesná hodnota závisí na rychlosti čtení, režimu zesílení / konverze-zesílení, konfiguraci ADC, oblasti zájmu a teplotě.
Typické hodnoty a proč se liší
Pro mnohosCMOS kamery, šum při čtení se stal natolik nízkým, že lze s dobrou přesností měřit i velmi malé signály. Jiné technologie senzorů a provozní režimy mohou vykazovat vyšší šum při čtení, zejména pokud jsou optimalizovány pro maximální snímkovou frekvenci. Některé reprezentativní hodnoty naleznete v tabulce 1. Proto je nezbytné porovnávat šum při čtení pouze za shodných testovacích podmínek (režim, rychlost čtení, zisk, bitová hloubka, návratnost investic atd.).
Tabulka 1: Typické hodnoty šumu RMS pro různé technologie vědeckých kamer
* EMCCD mají další zdroje šumu, které snižují jejich citlivost
** Vysokorychlostní sCMOS tranzistory, jako napříkladCMOS kamera Tucsen Dhyana 2100
*** VysokorychlostníCMOS kameryPoužívají se jak ve vědeckém zobrazování, tak i na film pro vysokorychlostní snímání pohybu. Tyto kamery obvykle nelze použít pro zobrazování za slabého osvětlení kvůli vysokému šumu, který potlačuje signály ze slabého osvětlení.
RMS vs. mediánový šum při čtení (a proč některé datové listy zobrazují dvě čísla)
U senzorů CMOS/sCMOS se může čtecí šum mírně lišit pixel od pixelu, takže může být užitečné vnímat čtecí šum jako distribuci, nikoli jako jednu hodnotu. Některé fotoaparáty také vykazují malý „ocas“ pixelů s vyšším šumem, kde mohou být výraznější efekty, jako je náhodný telegrafní šum (RTN).
Abychom toto rozdělení shrnuli, výrobci mohou uvádět střední (typickou) hodnotu šumu při čtení a někdy i další hodnotu RMS, která je citlivější na pixely s vyšším šumem. Definice se mohou v závislosti na výrobci lišit, takže nejbezpečnějším přístupem je ověřit si uvedenou metodu a podmínky měření – zejména při porovnávání fotoaparátů nebo výběru režimu pro práci za slabého osvětlení.
Jak číst specifikace šumu na displeji?
Hodnota šumu při odečítání má smysl pouze tehdy, je-li spojena s tím, jak byla kamera během měření používána. Režim, bitová hloubka, rychlost odečítání, zisk/konverzní zisk a oblast investice – to vše může číslo změnit – proto vždy porovnávejte specifikace za stejných podmínek.
Záleží na zkušebních podmínkách
Číslo šumu při odečítání má smysl pouze tehdy, je-li spojeno sprovozní podmínkypoužívá se k jeho měření. Stejná kamera může hlásit různé hodnoty v závislosti na režimu odečtu a konfiguraci, takže „nižší“ neznamená automaticky „lepší“, pokud neporovnáváte stejné kamery. Než porovnáte kamery – nebo dokonce dva režimy na stejné kameře – hledejte tyto podmínky v tabulce datového listu, poznámkách pod čarou nebo grafech výkonu:
●Rychlost čtení / pixelová frekvence (kHz–MHz):Rychlejší čtení obvykle zvyšuje šum při čtení.
Režim zesílení / konverze zesílení (např. HCG/LCG): Mění e⁻/DN a může posunout hlášenou hodnotu šumu.
●Cesta ADC / bitová hloubka:Některé kamery nabízejí více režimů ADC, které ovlivňují šum a kvantizační chování.
●ROI a odečítací kanály:Oblast investice (ROI) může změnit způsob čtení dat ze senzoru a v některých architekturách může ovlivnit výkon.
●Teplota (pokud je uvedena):Specifikace se často měří při definované teplotě senzoru; vždy je porovnávejte za podobných podmínek.
Pokud se v titulkovém obrázku šumu zobrazí kontextový údaj o módu/rychlosti, považujte ho za neúplný a vyhledejte podrobnou tabulku nebo graf módů.
Typické vs. maximum / medián vs. efektivní hodnota (RMS): proč se mohou zobrazit dvě čísla
Kvůli architekturám paralelního čtení,většina CMOS/sCMOS senzorůvykazují určité rozdíly v šumu při čtení mezi jednotlivými pixely, takže může být užitečné vnímat šum při čtení jako distribuci, nikoli jako jednu hodnotu. Proto některé specifikační listy uvádějí dvě čísla.
A mediánHodnota šumu při čtení ukazuje, že 50 % pixelů je na této hodnotě nebo pod ní, což často odráží „typický“ výkon. DalšíRMSObrázek (pokud je k dispozici) je citlivější na rozptyl distribuce a dokáže lépe zachytit vliv pixelů s vyšším šumem v ocasní části. Vzhledem k tomu, že definice se mohou v závislosti na výrobci lišit, vždy zkontrolujte uvedené podmínky měření a konvenci pro vykazování.
CMOS/sCMOS senzory mohou zobrazovatvariace mezi pixelyv šumu při čtení, takže šum při čtení je lepší chápat jakorozděleníspíše než jednu hodnotu. Abychom toto rozdělení shrnuli, výrobci mohou uvádět:
●Typické / Medián:„Typický pixel“, který představuje běžný výkon v daném režimu.
●RMS (nebo někdy konzervativnější údaj):Statistika, která může být citlivější na pixely s vyšším šumem a lépe odráží celkové rozptyl.
Ne každý prodejce používá tyto termíny úplně stejným způsobem, proto si vždy ověřte uvedenou definici a metodu měření. V případě pochybností porovnejte kamery s použitím hodnot uvedených v částistejné statistiky a podmínky.
Příklady režimů fotoaparátu (proč má jeden fotoaparát více specifikací šumu při čtení)
Abychom to konkretizovali, zvažteTucsen Aries 6510 sCMOS kamera s maximální citlivostíV datovém listu je šum při čtení uveden pro více režimů čtení – protože kamera může být provozována s různými bitovými hloubkami a čtecími kanály a každý z nich má jinou hladinu šumu:
Obrázek 2: Hluk při odečtu Aries 6510
Jak to interpretovat: tato čísla si nejsou protichůdná – popisujírůzné provozní bodystejné kamery. Vyšší rychlost zpracování (zde režim Rychlost) obvykle upřednostňuje propustnost a může vykazovat vyšší šum při odečítání, zatímco kanály s optimalizovanou citlivostí mohou snížit spodní hranici šumu při odečítání. Právě proto by se specifikace šumu při odečítání měly vždy číst.spolu s názvem režimu a uvedenou bitovou hloubkouPři porovnávání fotoaparátů (nebo porovnávání fotoaparátu s publikovanou hodnotou) se ujistěte, že porovnávátestejný režim, nejen nejnižší číslo v titulku.
Kdy je důležitý šum při odečtu?
Šum odečtu neomezuje každý experiment. Zda je důležitý, závisí na jednoduché otázce: je šum odečtu významnou součástí vašeho celkového šumového rozpočtu na úrovni signálu, se kterou pracujete? Za jasného osvětlení obvykle dominuje fotonový (výstřelový) šum. Za podmínek slabého signálu se šum odečtu může stát faktorem, který určuje poměr signálu k šumu (SNR) – a někdy i to, zda je slabá struktura vůbec viditelná.
Čtecí šum vs. střelový šum: rychlé pravidlo
Šum výstřelu roste se signálem, jak√N(kde N je počet detekovaných fotoelektronů). Šum odečtu je zhrubakonstanta na pixel na snímekpro daný režim. To znamená:
● Vvysoké N, √N je velké a šum odečtu přispívá jen málo.
● Vnízký N, √N je malé a šum odečtu může dominovat.
Praktickým bodem křížení je okamžik, kdyšum výstřelu ≈ šum odečtu, tj. když√N ≈ RTo odpovídáN ≈ R².
Například pokud má režimR = 2 e⁻ efektivní hodnota,Šum při čtení se stává významným, když je signál řádově od několika elektronů do několika desítek elektronů na pixel (protože R2=4). PokudR = 10 e⁻, přechod se posouvá na přibližně 102 = 100 elektronů na pixel.
Konkrétní příklad poměru signálu k šumu (proč je zanedbatelný v jasných scénách)
Předpokládejme, že pixel obsahuje2 000 e⁻signálu. Výstřelový šum je√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Pokud je šum při čtení10 e⁻, celkový šum (RMS) je:
Takže poměr signálu k šumu (SNR) se změní z 2000/44,7≈44,7 na 2000/45,8≈43,7 – což je malý rozdíl. Jinými slovy, při vysokých úrovních signálu snížení šumu při odečítání jen zřídka ovlivní to, co vidíte.
Ve scénách s vysokým světlem, kde každý pixel shromažďuje tisíce fotoelektronů, se šum čtení stává v celkovém šumovém rozpočtu jen malou položkou. Například při signálu 2 000 e⁻ se přidáním 10 e⁻ šumu čtení změní poměr signálu k šumu (SNR) pouze o několik procent – často nepostřehnutelně – zatímco při desítkách elektronů na pixel může šum čtení podstatně omezit SNR a viditelné detaily.
Když se šum při odečítání stane skutečným omezovačem
Šum při odečítání je nejdůležitější, když je váš experiment omezen signálem na snímek – což znamená, že každý pixel shromažďuje v jedné expozici pouze malý počet fotoelektronů. V tomto režimu může šum při odečítání dominovat šumovému rozpočtu, snižovat poměr signálu k šumu (SNR) a zakrývat slabou strukturu.
Mezi běžné aplikační signály patří:
●Slabá fluorescence / nízká hustota značení, zejména u krátkých expozic nebo rychlého časosběrného snímání
●Fluorescence jedné molekulya superrozlišení založené na lokalizaci, kde signály mohou být pouze několik fotonů na emitor a snímek
●Chemiluminiscenční zobrazování, kde jsou fotonové rozpočty inherentně nízké a může dominovat šum při čtení
●Vysokorychlostní funkční zobrazování (napěťový / membránový potenciál, rychlé zobrazování vápníku), kde krátké expozice snižují počet fotonů na snímek
●Pracovní postupy zobrazování s nedostatkem fotonů(např. velmi tmavé snímky, i když plánujete později skládat/průměrovat)
Jako praktická kontrola: pokud je váš typický signál na pixel vstovky až tisíce elektronůna snímek je šum při čtení zřídka dominantní. Pokud je vdesítky elektronů nebo méněŠum při odečítání a volba režimu mohou silně ovlivnit kvalitu obrazu.
Závěr
Šum při čtení je pojem závislý na režimu a omezený řetězcem čtení – takže jediná smysluplná srovnání se provádějí za shodných podmínek (režim, rychlost čtení, zesílení/konverzní zisk, ADC/bitová hloubka, ROI). V jasných scénách je často zanedbatelný, ale při zobrazování s nízkým signálem může podstatně omezit poměr signálu k šumu (SNR) a detekovatelnost.
Pokud byste chtěli doporučení pro váš experiment, sdělte nám podrobnosti o vaší aplikaci (úroveň signálu, expoziční čas, snímková frekvence, vlnová délka a cílový poměr signálu k šumu). Naši specialisté na zobrazování vám mohou navrhnout...Tucsenův fotoaparáta nejlepší režim odečtu pro vyvážení citlivosti, rychlosti a dynamického rozsahu.
