25. 8. 2019Pokud jde o zachycení přesných a spolehlivých snímků ve vědeckém výzkumu, kvalita vašich dat závisí na více než jen rozlišení nebo velikosti snímače. Jednou z nejdůležitějších – ale někdy přehlížených – metrik je poměr signálu k šumu (SNR). V zobrazovacích systémech SNR určuje, jak jasně lze rozlišit skutečný signál (užitečné informace) od nežádoucího šumu.
Ve vědeckých zobrazovacích aplikacích, jako je mikroskopie, astronomie a spektroskopie, může špatný poměr signálu k šumu (SNR) znamenat rozdíl mezi detekcí slabého cíle a jeho úplným minutím. Tento článek se zabývá definicí SNR, proč je důležitý, jak ovlivňuje kontrast a jak vybrat a optimalizovat vědeckou kameru na základě této kritické metriky.
Co je poměr signálu k šumu a jak je definován?
Poměr signálu k šumu (SNR) je nejdůležitějším měřítkem kvality obrazu, základním prvkem pro kontrast obrazu a často nejužitečnějším určujícím faktorem, zda je kamera dostatečně citlivá pro vaši aplikaci.
Pokusy o zlepšení citlivosti fotoaparátu se točí kolem vylepšení snímaného signálu:
● Prostřednictvím zlepšení kvantové účinnosti nebo zvětšení velikosti pixelu
● Redukce zdrojů šumu závislých na fotoaparátu
Zdroje šumu se sčítají, ale v závislosti na okolnostech může jeden dominovat a na tento faktor by se mělo zaměřit při snaze o zlepšení poměru signálu k šumu (SNR) – buď optimalizací nastavení, nebo přechodem na lepší světelné zdroje, optiku a kamery.
Běžnou zkratkou je popisovat obrazy pomocí jediného poměru signálu k šumu, například tvrzením, že obraz má poměr signálu k šumu (SNR) „15“. Jak je však z názvu patrné, poměr signálu k šumu závisí na signálu, který se samozřejmě pro každý pixel liší. To je to, co nám dává náš obraz.
Poměr signálu k šumu (SNR) obrazu se obvykle vztahuje k poměru signálu k šumu (SNR) sledovaného vrcholového signálu v obrazu. Například SNR z obrazu fluorescenčních buněk na tmavém pozadí by použil intenzitu vrcholového signálu z pixelů sledované struktury v buňce.
Není reprezentativní brát například průměrnou hodnotu poměru signálu k šumu (SNR) celého obrazu. U technik, jako je fluorescenční mikroskopie, kde může být běžné tmavé pozadí s nulovými detekovanými fotony, mají tyto pixely s nulovým signálem poměr signálu k šumu (SNR) nulový. Proto by jakýkoli průměr napříč obrazem závisel na tom, kolik pixelů pozadí bylo v záběru.
Proč je poměr signálu k šumu (SNR) důležitý pro vědecké kamery
Ve vědeckém zobrazování má poměr signálu k šumu (SNR) přímý vliv na to, jak dobře lze identifikovat slabé detaily, měřit kvantitativní data a reprodukovat výsledky.
●Jasnost obrazu– Vyšší poměr signálu k šumu (SNR) snižuje zrnitost a zviditelňuje jemné struktury.
●Přesnost dat– Snižuje chyby měření v experimentech založených na intenzitě.
●Výkon za slabého osvětlení– Nezbytný pro fluorescenční mikroskopii, astrofotografii hlubokého vesmíru a spektroskopii, kde je počet fotonů přirozeně nízký.
Ať už používátesCMOS kameraPro vysokorychlostní zobrazování nebo chlazený CCD snímač pro aplikace s dlouhou expozicí vám pochopení poměru signálu k šumu pomůže vyvážit kompromisy ve výkonu.
Jak poměr signálu k šumu (SNR) ovlivňuje kontrast obrazu
Kontrast je relativní rozdíl v intenzitě mezi světlými a tmavými oblastmi obrazu. Pro mnoho aplikací je konečným cílem dobrý kontrast obrazu v oblastech zájmu.
V rámci snímaného objektu, optického systému a snímacích podmínek existuje mnoho faktorů, které jsou primárně určujícími faktory kontrastu obrazu, jako je kvalita objektivu a množství světla pozadí.
●Vysoký signál/šum (SNR)→ Výrazné oddělení světlých a tmavých oblastí; okraje se jeví ostře; jemné detaily zůstávají viditelné.
●Nízký signál/šum→ Tmavé oblasti se kvůli šumu zesvětlí, světlé oblasti ztmavnou a celkový kontrast obrazu se zploští.
Například ve fluorescenční mikroskopii může nízký poměr signálu k šumu (SNR) způsobit, že slabě fluorescenční vzorek splyne s pozadím, což činí kvantitativní analýzu nespolehlivou. V astronomii mohou slabé hvězdy nebo galaxie v zašumených datech zcela zmizet.
Existují však i faktory uvnitř samotné kamery – primárním faktorem je poměr signálu k šumu. Dále, a zejména při slabém osvětlení, hraje velkou roli ve vnímaném kontrastu obrazu škálování intenzity obrazu, tedy způsob zobrazení obrazu na monitoru. Při vysokém šumu v tmavých oblastech obrazu mohou mít algoritmy automatického škálování obrazu nastavenou dolní hranici příliš nízko v důsledku nízko zašumených pixelů, zatímco horní hranici zvyšuje šum v pixelech s vysokým signálem. To je příčinou charakteristického „vybledlého“ šedého vzhledu snímků s nízkým poměrem signálu k šumu. Lepšího kontrastu lze dosáhnout nastavením dolní hranice na posun kamery.
Faktory ovlivňující poměr signálu k šumu (SNR) u vědeckých kamer
Poměr signálu k šumu (SNR) kamerového systému ovlivňuje několik konstrukčních a provozních parametrů:
Technologie senzorů
● sCMOS – Kombinuje nízký čtecí šum a vysokou snímkovou frekvenci, ideální pro dynamické zobrazování.
● CCD – Historicky nabízí nízký šum při dlouhých expozicích, ale je pomalejší než moderní CMOS snímače.
● EMCCD – Používá integrované zesílení pro zesílení slabých signálů, ale může způsobit multiplikativní šum.
Velikost pixelu a faktor výplně
Větší pixely shromažďují více fotonů, čímž se zvyšuje signál a tím i poměr signálu k šumu (SNR).
Kvantová účinnost (QE)
Vyšší kvantová účinnost (QE) znamená, že více příchozích fotonů je přeměněno na elektrony, což zlepšuje poměr signálu k šumu (SNR).
Doba vystavení
Delší expozice shromažďují více fotonů, čímž zvyšují signál, ale mohou také zvýšit šum temného proudu.
Chladicí systémy
Chlazení snižuje temný proud, což výrazně zlepšuje poměr signálu k šumu (SNR) pro dlouhé expozice.
Optika a osvětlení
Vysoce kvalitní čočky a stabilní osvětlení maximalizují zachycení signálu a minimalizují variabilitu.
Příklady různých hodnot špičkového poměru signálu k šumu (SNR)
V zobrazování se PSNR často vztahuje k teoretickému maximu vzhledem k saturaci pixelů. Navzdory rozdílům v snímaných objektech, snímacích podmínkách a technologii fotoaparátu mohou mít u konvenčních vědeckých fotoaparátů snímky se stejným poměrem signálu k šumu podobnosti. Stupeň „zrnitosti“, variace mezi snímky a do jisté míry i kontrast mohou být v těchto různých podmínkách podobné. Proto je možné z reprezentativních snímků, jako jsou ty uvedené v tabulce, porozumět hodnotám SNR a různým podmínkám a problémům, které s sebou nese.
POZNÁMKA: Hodnoty vrcholového signálu ve fotoelektronech pro každý řádek jsou uvedeny modře. Všechny snímky jsou zobrazeny s automatickým škálováním histogramu, ignorujíc (saturujíc) 0,35 % nejjasnějších a nejtmavších pixelů. Levé dva sloupce snímku: Snímek testovacího cíle pomocí čočky. Pravé čtyři sloupce: Škrkavka zachycená ve fluorescenci s 10násobným mikroskopickým objektivem. Pro ilustraci změn hodnot pixelů mezi jednotlivými snímky při nižším poměru signálu k šumu jsou uvedeny tři po sobě jdoucí snímky.
Je zobrazen snímek testovacího terče pořízený čočkou spolu se snímkem z fluorescenční mikroskopie a také zvětšený pohled na fluorescenční snímek zobrazující změnu ve 3 po sobě jdoucích snímcích. Je také uveden maximální počet fotoelektronů na každé úrovni signálu.
Následující obrázek ukazuje plné verze těchto vzorových obrázků pro referenci.
Obrázky v plné velikosti použité pro tabulku s příklady poměru signálu k šumu
Vlevo: Zkušební cíl pro zobrazování vyfotografovaný objektivem.
PrávoVzorek řezu hlístice Ascaris zobrazený fluorescenční mikroskopií při 10násobném zvětšení.
SNR v aplikacích
SNR je klíčový v různých oblastech:
● Mikroskopie – Detekce slabé fluorescence v biologických vzorcích vyžaduje vysoký poměr signálu k šumu (SNR), aby se zabránilo falešně negativním výsledkům.
● Astronomie – Identifikace vzdálených galaxií nebo exoplanet vyžaduje dlouhé expozice s minimálním šumem.
● Spektroskopie – Vysoký poměr signálu k šumu (SNR) zajišťuje přesná měření intenzity píků v chemické analýze.
● Průmyslová inspekce – V montážních linkách se slabým osvětlením pomáhá vysoký poměr signálu k šumu spolehlivě detekovat vady.
Výběr vědecké kamery se správným poměrem signálu k šumu (SNR)
Při hodnocení nové vědecké kamery:
●Zkontrolujte specifikace SNR– Porovnejte hodnoty dB za podmínek podobných vaší aplikaci.
●Vyvážit další metriky– Zvažte kvantovou účinnost, dynamický rozsah a snímkovou frekvenci.
●Přizpůsobení technologie případu použití– Pro vysokorychlostní dynamické scény může být ideální sCMOS kamera; pro statické objekty s velmi slabým osvětlením může lépe fungovat chlazený CCD nebo EMCCD.
●Konektivita pro efektivitu pracovních postupů– I když to přímo neovlivňuje poměr signálu k šumu (SNR), funkce jako HDMI výstup umožňují kontrolu obrazu v reálném čase a pomáhají vám rychle ověřit, zda vaše nastavení snímání dosahují požadovaného poměru signálu k šumu (SNR).
Závěr
Poměr signálu k šumu (SNR) je klíčová výkonnostní metrika, která přímo ovlivňuje jasnost a spolehlivost vědeckých obrazů. Pochopení definice SNR, faktorů, které jej ovlivňují, a důsledků různých hodnot SNR umožňuje výzkumníkům a technickým uživatelům efektivněji hodnotit zobrazovací systémy. Uplatněním těchto znalostí – ať už při výběru nového…vědecká kameranebo optimalizací stávajícího nastavení – můžete zajistit, aby váš pracovní postup zpracování obrazu zachycoval data s úrovní přesnosti požadovanou pro vaši konkrétní aplikaci.
Často kladené otázky
Co se považuje za „dobrý“ poměr signálu k šumu (SNR) u vědeckých kamer?
Ideální poměr signálu k šumu (SNR) závisí na aplikaci. Pro vysoce náročné kvantitativní práce – jako je fluorescenční mikroskopie nebo astronomie – se obecně doporučuje poměr signálu k šumu nad 40 dB, protože vytváří snímky s minimálním viditelným šumem a zachovává jemné detaily. Pro běžné laboratorní použití nebo průmyslovou kontrolu může stačit 35–40 dB. Cokoli pod 30 dB obvykle vykazuje viditelné zrnění a může ohrozit přesnost, zejména v situacích s nízkým kontrastem.
Jak kvantová účinnost (QE) ovlivňuje poměr signálu k šumu (SNR)?
Kvantová účinnost měří, jak efektivně senzor převádí přicházející fotony na elektrony. Vyšší kvantová účinnost (QE) znamená, že více dostupného světla je zachyceno jako signál, což zvyšuje čitatel v rovnici SNR. To je obzvláště důležité v situacích se slabým osvětlením, kde se počítá každý foton. Například sCMOS kamera s QE 80 % dosáhne vyššího SNR za stejných podmínek ve srovnání se senzorem s QE 50 %, jednoduše proto, že zachytí více použitelného signálu.
Jaký je rozdíl mezi poměrem signálu k šumu (SNR) a poměrem kontrastu k šumu (CNR)?
Zatímco SNR měří celkovou sílu signálu v porovnání s šumem, CNR se zaměřuje na viditelnost konkrétního prvku na pozadí. Ve vědeckém zobrazování jsou důležité oba parametry: SNR udává, jak „čistý“ je obraz celkově, zatímco CNR určuje, zda konkrétní objekt zájmu dostatečně vyniká pro detekci nebo měření.
Chcete se dozvědět více? Podívejte se na související články：
Kvantová účinnost ve vědeckých kamerách: Průvodce pro začátečníky
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
