25/09/11Mewn unrhyw system fesur — o gyfathrebu diwifr i ffotograffiaeth ddigidol — mae'r gymhareb signal-i-sŵn (SNR) yn feincnod sylfaenol o ansawdd. P'un a ydych chi'n dadansoddi delweddau telesgop, yn gwella recordiadau meicroffon, neu'n datrys problemau cyswllt diwifr, mae SNR yn dweud wrthych faint o wybodaeth ddefnyddiol sy'n sefyll allan o sŵn cefndir diangen.
Ond nid yw cyfrifo SNR yn gywir bob amser yn syml. Yn dibynnu ar y system, efallai y bydd angen ystyried ffactorau ychwanegol fel cerrynt tywyll, sŵn darllen, neu binio picseli. Mae'r canllaw hwn yn eich tywys trwy'r ddamcaniaeth, fformwlâu craidd, camgymeriadau cyffredin, cymwysiadau, a ffyrdd ymarferol o wella SNR, gan sicrhau y gallwch ei gymhwyso'n gywir ar draws ystod eang o gyd-destunau.
Beth yw Cymhareb Signal-i-Sŵn (SNR)?
Yn ei hanfod, mae cymhareb signal-i-sŵn yn mesur y berthynas rhwng cryfder signal dymunol a'r sŵn cefndir sy'n ei guddio.
● Signal = y wybodaeth ystyrlon (e.e., llais mewn galwad, seren mewn delwedd telesgop).
● Sŵn = amrywiadau ar hap, digroeso sy'n ystumio neu'n cuddio'r signal (e.e., statig, sŵn synhwyrydd, ymyrraeth drydanol).
Yn fathemategol, diffinnir SNR fel:
Gan y gall y cymarebau hyn amrywio dros lawer o orchmynion maint, mae SNR fel arfer yn cael ei fynegi mewn desibelau (dB):
● SNR uchel (e.e., 40 dB): mae'r signal yn dominyddu, gan arwain at wybodaeth glir a dibynadwy.
● SNR isel (e.e., 5 dB): mae sŵn yn llethu'r signal, gan wneud dehongli'n anodd.
Sut i Gyfrifo SNR
Gellir cyfrifo'r gymhareb signal-i-sŵn gyda gwahanol lefelau o gywirdeb yn dibynnu ar ba ffynonellau sŵn sydd wedi'u cynnwys. Yn yr adran hon, cyflwynir dau ffurf: un sy'n ystyried cerrynt tywyll ac un sy'n tybio y gellir ei anwybyddu.
Nodyn: Mae ychwanegu gwerthoedd sŵn annibynnol yn gofyn am eu hadio mewn cwadratur. Mae pob ffynhonnell sŵn yn cael ei sgwario, ei chyfrifo, a chymerir gwreiddyn sgwâr y cyfanswm.
Cymhareb signal-i-sŵn gyda cherrynt tywyll
Dyma'r hafaliad i'w ddefnyddio mewn sefyllfaoedd lle mae sŵn cerrynt tywyll yn ddigon mawr i fod angen ei gynnwys:
Dyma ddiffiniad y termau:
Signal (e-): Dyma'r signal o ddiddordeb mewn ffotoelectronau, gyda'r signal cerrynt tywyll wedi'i dynnu.
Y signal Cyfanswm (e-) fydd cyfrif y ffotoelectronau yn y picsel dan sylw – nid gwerth y picsel mewn unedau o lefelau llwyd yn unig. Yr ail enghraifft o'r Signal (e-), ar waelod yr hafaliad, yw sŵn y ffotonergyd.
Cerrynt tywyll (DC):Y gwerth cerrynt tywyll ar gyfer y picsel hwnnw.
t: Amser amlygiad mewn eiliadau
σr:Darllenwch sŵn yn y modd camera.
Cymhareb signal-i-sŵn ar gyfer cerrynt tywyll dibwys
Mewn achosion o fyr (amseroedd amlygiad < 1 eiliad), ynghyd â chamerâu perfformiad uchel wedi'u hoeri, bydd sŵn cerrynt tywyll yn gyffredinol ymhell islaw sŵn darllen, a'i anwybyddu'n ddiogel.
Lle mae termau unwaith eto fel y'u diffinnir uchod, ac eithrio nad oes angen cyfrifo'r signal cerrynt tywyll a'i dynnu o'r signal gan y dylai fod yn hafal i sero.
Cyfyngiadau'r fformwlâu hyn a thermau coll
Dim ond atebion cywir ar gyfer CCD a fydd yn cael eu darparu gan y fformiwlâu gyferbyn.Camerâu CMOSMae dyfeisiau EMCCD a dyfeisiau dwysáu yn cyflwyno ffynonellau sŵn ychwanegol, felly ni ellir defnyddio'r hafaliadau hyn. Ar gyfer hafaliad cymhareb signal-i-sŵn mwy cyflawn sy'n ystyried y rhain a chyfraniadau eraill.
Term sŵn arall sydd (neu a arferai fod) wedi'i gynnwys yn gyffredin mewn hafaliadau SNR yw'r anghysondeb ymateb-ffoto (PRNU), a elwir weithiau hefyd yn 'sŵn patrwm sefydlog' (FPN). Mae hyn yn cynrychioli anwastadrwydd ennill ac ymateb signal ar draws y synhwyrydd, a all ddod yn drech ar signalau uchel os ydynt yn ddigon mawr, gan leihau SNR.
Er bod gan gamerâu cynnar PRNU digon sylweddol i olygu bod angen ei gynnwys, y rhan fwyaf moderncamerâu gwyddonolbod â PRNU digon isel i wneud ei gyfraniad ymhell islaw sŵn ergyd ffoton, yn enwedig ar ôl cymhwyso cywiriadau ar y bwrdd. Felly, mae fel arfer yn cael ei esgeuluso mewn cyfrifiadau SNR. Fodd bynnag, mae PRNU yn dal yn bwysig ar gyfer rhai camerâu a chymwysiadau, ac mae wedi'i gynnwys yn yr hafaliad SNR mwy datblygedig er mwyn cyflawnrwydd. Mae hyn yn golygu bod yr hafaliadau a ddarperir yn ddefnyddiol ar gyfer y rhan fwyaf o systemau CCD/CMOS ond ni ddylid eu trin fel rhai sy'n berthnasol yn gyffredinol.
Mathau o Sŵn mewn Cyfrifiadau SNR
Nid yw cyfrifo SNR yn ymwneud â chymharu signal yn erbyn un gwerth sŵn yn unig. Yn ymarferol, mae sawl ffynhonnell sŵn annibynnol yn cyfrannu, ac mae eu deall yn hanfodol.
Sŵn Ergyd
● Tarddiad: dyfodiad ystadegol ffotonau neu electronau.
● Yn graddio gyda gwreiddyn sgwâr y signal.
● Yn drech mewn delweddu ffoton-gyfyngedig (seryddiaeth, microsgopeg fflwroleuol).
Sŵn Thermol
● Fe'i gelwir hefyd yn sŵn Johnson–Nyquist, a gynhyrchir gan symudiad electronau mewn gwrthyddion.
● Yn cynyddu gyda thymheredd a lled band.
● Pwysig mewn electroneg a chyfathrebu diwifr.
Sŵn Cerrynt Tywyll
● Amrywiad ar hap mewn cerrynt tywyll o fewn synwyryddion.
● Yn fwy arwyddocaol mewn amlygiadau hir neu synwyryddion cynnes.
● Wedi'i leihau trwy oeri'r synhwyrydd.
Darllen Sŵn
● Sŵn o fwyhaduron a throsi analog-i-ddigidol.
● Wedi'i sefydlogi fesul darlleniad, felly'n hanfodol mewn cyfundrefnau signal isel.
Sŵn Cwanteiddio
● Wedi'i gyflwyno drwy ddigideiddio (talgrynnu i lefelau arwahanol).
● Pwysig mewn systemau dyfnder-bit isel (e.e., sain 8-bit).
Sŵn Amgylcheddol/System
● EMI, croestalk, crychdonni cyflenwad pŵer.
● Gall ddominyddu os yw'r cysgodi/seilio yn wael.
Mae deall pa un o'r rhain sy'n drech yn helpu i ddewis y fformiwla a'r dull lliniaru cywir.
Camgymeriadau cyffredin wrth gyfrifo SNR
Mae'n hawdd dod o hyd i lawer o ddulliau 'llwybr byr' i amcangyfrif cymhareb signal-i-sŵn mewn delweddu. Mae'r rhain yn tueddu i fod naill ai'n llai cymhleth na'r hafaliadau gyferbyn, yn caniatáu deillio'n haws o ddelwedd ei hun yn hytrach na gofyn am wybodaeth am baramedrau camera fel sŵn darllen, neu'r ddau. Yn anffodus, mae'n debygol bod pob un o'r dulliau hyn yn anghywir, a byddant yn arwain at ganlyniadau camarweiniol a di-fudd. Argymhellir yn gryf y dylid defnyddio'r hafaliadau gyferbyn (neu'r fersiwn uwch) ym mhob achos.
Mae rhai o'r llwybrau byr ffug mwyaf cyffredin yn cynnwys:
1、Cymharu dwyster signal yn erbyn dwyster cefndir, mewn lefelau llwyd. Mae'r dull hwn yn ceisio barnu sensitifrwydd camera, cryfder signal neu gymhareb signal i sŵn trwy gymharu dwyster brig â dwyster cefndir. Mae'r dull hwn yn gwbl ddiffygiol gan y gall dylanwad gwrthbwyso camera osod dwyster y cefndir yn fympwyol, gall ennill osod dwyster signal yn fympwyol, ac ni ystyrir unrhyw gyfraniad sŵn naill ai yn y signal na'r cefndir.
2、Rhannu brigau signal â gwyriad safonol ardal o bicseli cefndir. Neu, cymharu gwerthoedd brig â'r sŵn gweledol yn y cefndir a ddatgelir gan broffil llinell. Gan dybio bod y gwrthbwyso wedi'i dynnu'n gywir o'r gwerthoedd cyn ei rannu, y perygl mwyaf arwyddocaol yn y dull hwn yw presenoldeb golau cefndir. Bydd unrhyw olau cefndir fel arfer yn dominyddu'r sŵn mewn picseli cefndir. Ymhellach, nid yw'r sŵn yn y signal o ddiddordeb, fel sŵn ergyd, yn cael ei ystyried o gwbl mewn gwirionedd.
3、Signal cymedrig mewn picseli o ddiddordeb vs gwyriad safonol gwerthoedd picsel: Mae cymharu neu arsylwi faint mae signal brig yn newid ar draws picseli cyfagos neu fframiau olynol yn agosach at fod yn gywir na dulliau llwybr byr eraill, ond mae'n annhebygol y bydd yn osgoi dylanwadau eraill sy'n ystumio gwerthoedd, fel newid yn y signal nad yw'n deillio o sŵn. Gall y dull hwn hefyd fod yn anghywir oherwydd cyfrifon picsel isel yn y gymhariaeth. Rhaid peidio ag anghofio tynnu gwerth gwrthbwyso chwaith.
4、Cyfrifo SNR heb drosi i unedau dwyster ffotoelectronau, neu heb gael gwared ar yr wrthbwyso: Gan mai sŵn ergyd ffoton yw'r ffynhonnell sŵn fwyaf fel arfer ac mae'n dibynnu ar wybodaeth am wrthbwyso ac enillion y camera ar gyfer mesur, nid yw'n bosibl osgoi cyfrifo yn ôl i ffotoelectronau ar gyfer cyfrifiadau SNR.
5、Barnu SNR yn ôl y llygad: Er y gall barnu neu gymharu SNR yn ôl y llygad fod yn ddefnyddiol mewn rhai amgylchiadau, mae yna beryglon annisgwyl hefyd. Gall barnu SNR mewn picseli gwerth uchel fod yn anoddach nag mewn picseli gwerth is neu gefndir. Gall effeithiau mwy cynnil chwarae rhan hefyd: Er enghraifft, gall gwahanol fonitorau cyfrifiadur rendro delweddau â chyferbyniad gwahanol iawn. Ymhellach, gall arddangos delweddau ar wahanol lefelau chwyddo mewn meddalwedd ddylanwadu'n sylweddol ar ymddangosiad gweledol sŵn. Mae hyn yn arbennig o broblematig os ceisir cymharu camerâu â gwahanol feintiau picsel gofod gwrthrych. Yn olaf, gall presenoldeb golau cefndir wneud unrhyw ymgais i farnu SNR yn weledol yn wag.
Cymwysiadau SNR
Mae SNR yn fetrig cyffredinol gyda chymwysiadau eang:
● Recordio Sain a Cherddoriaeth: Yn pennu eglurder, ystod ddeinamig, a ffyddlondeb recordiadau.
● Cyfathrebu Di-wifr: Mae SNR yn ymwneud yn uniongyrchol â chyfraddau gwallau bit (BER) a thrwybwn data.
● Delweddu Gwyddonol: Mewn seryddiaeth, mae canfod sêr gwan yn erbyn llewyrch yr awyr yn y cefndir yn gofyn am SNR uchel.
● Offer Meddygol: Mae sganiau ECG, MRI, a CT yn dibynnu ar signal sŵn uchel i wahaniaethu rhwng signalau a sŵn ffisiolegol.
● Camerâu a Ffotograffiaeth: Mae camerâu defnyddwyr a synwyryddion CMOS gwyddonol ill dau yn defnyddio signal sŵn (SNR) i feincnodi perfformiad mewn golau isel.
Gwella SNR
Gan fod SNR yn fesur mor hanfodol, mae ymdrech sylweddol yn cael ei gwneud i'w wella. Mae strategaethau'n cynnwys:
Dulliau Caledwedd
● Defnyddiwch synwyryddion gwell gyda cherrynt tywyll is.
● Defnyddiwch amddiffyniad a sylfaen i leihau EMI.
● Synwyryddion oer i atal sŵn thermol.
Dulliau Meddalwedd
● Defnyddiwch hidlwyr digidol i gael gwared ar amleddau diangen.
● Defnyddiwch gyfartaleddu ar draws sawl ffram.
● Defnyddio algorithmau lleihau sŵn mewn prosesu delweddu neu sain.
Cywasgu Picseli a'i Effaith ar SNR
Mae effaith binio ar y gymhareb signal-i-sŵn yn dibynnu ar dechnoleg camera ac ymddygiad synhwyrydd, gan y gall perfformiad sŵn camerâu wedi'u binio a chamerâu heb eu binio amrywio'n sylweddol.
Gall camerâu CCD gyfuno gwefr picseli cyfagos 'ar y sglodion'. Dim ond unwaith y bydd y sŵn darllen yn digwydd, er y bydd y signal cerrynt tywyll o bob picsel hefyd yn cael ei gyfuno.
Mae'r rhan fwyaf o gamerâu CMOS yn perfformio binio oddi ar y sglodion, sy'n golygu bod gwerthoedd yn cael eu mesur yn gyntaf (a sŵn darllen yn cael ei gyflwyno), ac yna'n cael eu crynhoi'n ddigidol. Mae'r sŵn darllen ar gyfer crynodiadau o'r fath yn cynyddu trwy luosi â gwreiddyn sgwâr nifer y picseli a grynhoir, h.y. gan ffactor o 2 ar gyfer binio 2x2.
Gan y gall ymddygiad sŵn synwyryddion fod yn gymhleth, ar gyfer cymwysiadau meintiol, mae'n ddoeth mesur sŵn gwrthbwyso, ennill a darllen y camera yn y modd bin, a defnyddio'r gwerthoedd hyn ar gyfer yr hafaliad cymhareb signal-i-sŵn.
Casgliad
Mae'r gymhareb signal-i-sŵn (SNR) yn un o'r metrigau pwysicaf mewn gwyddoniaeth, peirianneg a thechnoleg. O ddiffinio eglurder mewn galwadau ffôn i alluogi canfod galaethau pell, mae SNR yn sail i ansawdd systemau mesur a chyfathrebu. Nid yw meistroli SNR yn ymwneud â chofio fformwlâu yn unig - mae'n ymwneud â deall rhagdybiaethau, cyfyngiadau a chyfaddawdau yn y byd go iawn. O'r safbwynt hwn, gall peirianwyr ac ymchwilwyr wneud mesuriadau mwy dibynadwy a dylunio systemau sy'n echdynnu mewnwelediadau ystyrlon hyd yn oed mewn amodau swnllyd.
Eisiau dysgu mwy? Cymerwch olwg ar erthyglau cysylltiedig:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Cedwir pob hawl. Wrth ddyfynnu, cydnabyddwch y ffynhonnell:www.tucsen.com
