25/08/19O ran cipio delweddau manwl gywir a dibynadwy mewn ymchwil wyddonol, mae ansawdd eich data yn dibynnu ar fwy na dim ond datrysiad neu faint y synhwyrydd. Un o'r metrigau pwysicaf—ond weithiau'n cael ei anwybyddu—yw Cymhareb Signal-i-Sŵn (SNR). Mewn systemau delweddu, mae SNR yn pennu pa mor glir y gallwch chi wahaniaethu rhwng y signal gwirioneddol (gwybodaeth ddefnyddiol) a sŵn diangen.
Mewn cymwysiadau delweddu gwyddonol fel microsgopeg, seryddiaeth a sbectrosgopeg, gall SNR gwael olygu'r gwahaniaeth rhwng canfod targed gwan a'i fethu'n llwyr. Mae'r erthygl hon yn archwilio sut mae SNR yn cael ei ddiffinio, pam ei fod yn bwysig, sut mae'n effeithio ar gyferbyniad, a sut i ddewis ac optimeiddio camera wyddonol yn seiliedig ar y metrig hollbwysig hwn.
Beth yw Cymhareb Signal-i-Sŵn a Sut Mae'n Cael ei Diffinio?
Y Gymhareb Signal i Sŵn (SNR) yw'r mesur pwysicaf o ansawdd ein delwedd, yn hanfodol o ran cyferbyniad delwedd, ac yn aml y ffactor penderfynol mwyaf defnyddiol ynghylch a yw camera yn ddigon sensitif ar gyfer eich cymhwysiad.
Mae ymdrechion i wella sensitifrwydd camera yn ymwneud â gwella'r signal a gesglir:
● Trwy welliannau mewn effeithlonrwydd cwantwm neu gynnydd ym maint picsel
● Lleihau ffynonellau sŵn sy'n ddibynnol ar gamera
Mae ffynonellau sŵn yn adio at ei gilydd, ond yn dibynnu ar yr amgylchiadau gall un ddominyddu, a dylid canolbwyntio arno wrth geisio gwella SNR – naill ai trwy optimeiddio gosodiadau neu sefydlu, neu uwchraddio i ffynonellau golau, opteg a chamerâu gwell.
Mae'n fyr-law gyffredin disgrifio delweddau yn nhermau un gymhareb signal-i-sŵn, er enghraifft honni bod gan ddelwedd SNR o '15'. Fodd bynnag, fel sy'n amlwg o'r enw, mae'r gymhareb signal-i-sŵn yn dibynnu ar y signal, a fydd wrth gwrs yn wahanol ar gyfer pob picsel. Dyma sy'n rhoi ein delwedd i ni.
Mae SNR delwedd fel arfer yn cyfeirio at SNR y signal brig o ddiddordeb o fewn y ddelwedd. Er enghraifft, byddai SNR o ddelwedd o gelloedd fflwroleuol ar gefndir tywyll yn defnyddio dwyster y signal brig o bicseli strwythur o ddiddordeb o fewn y gell.
Nid yw'n gynrychioliadol cymryd, er enghraifft, gwerth cymedrig ar gyfer SNR y ddelwedd gyfan. Mewn technegau fel microsgopeg fflwroleuol lle gall cefndir tywyll gyda sero ffotonau wedi'u canfod fod yn gyffredin, mae gan y picseli signal sero hyn SNR o sero. Felly, byddai unrhyw gyfartaledd ar draws delwedd yn dibynnu ar faint o bicseli cefndir oedd i'w gweld.
Pam mae SNR yn Bwysig i Gamerâu Gwyddonol
Mewn delweddu gwyddonol, mae signal sŵn (SNR) yn effeithio'n uniongyrchol ar ba mor dda y gallwch chi adnabod manylion gwan, mesur data meintiol, ac atgynhyrchu canlyniadau.
●Eglurder Delwedd– Mae signal-sŵn (SNR) uwch yn lleihau graenedd ac yn gwneud strwythurau mân yn weladwy.
●Cywirdeb Data– Yn lleihau gwallau mesur mewn arbrofion sy'n seiliedig ar ddwyster.
●Perfformiad Golau Isel– Hanfodol ar gyfer microsgopeg fflwroleuol, astroffotograffiaeth awyr ddofn, a sbectrosgopeg, lle mae cyfrifiadau ffotonau yn naturiol isel.
P'un a ydych chi'n defnyddio acamera sCMOSar gyfer delweddu cyflym neu CCD wedi'i oeri ar gyfer cymwysiadau amlygiad hir, mae deall SNR yn eich helpu i gydbwyso cyfaddawdau perfformiad.
Sut mae signal sŵn (SNR) yn dylanwadu ar gyferbyniad delwedd
Cyferbyniad yw'r gwahaniaeth cymharol mewn dwyster rhwng ardaloedd golau a thywyll mewn delwedd. Ar gyfer llawer o gymwysiadau, cyferbyniad delwedd da o fewn ardaloedd o ddiddordeb yw'r nod terfynol yn y pen draw.
Mae yna lawer o ffactorau o fewn y pwnc delweddu, y system optegol a'r amodau delweddu sy'n brif ffactorau penderfynol o gyferbyniad delwedd, megis ansawdd y lens a faint o olau cefndir.
●SNR uchel→ Gwahaniad clir rhwng rhanbarthau llachar a thywyll; mae ymylon yn ymddangos yn glir; mae manylion cynnil yn parhau i fod yn weladwy.
●SNR isel→ Mae ardaloedd tywyll yn mynd yn fwy disglair oherwydd sŵn, mae ardaloedd llachar yn mynd yn pylu, ac mae cyferbyniad cyffredinol y ddelwedd yn gwastadu.
Er enghraifft, mewn microsgopeg fflwroleuol, gall SNR isel wneud i sampl fflwroleuol wan gymysgu â'r cefndir, gan wneud dadansoddiad meintiol yn annibynadwy. Mewn seryddiaeth, gall sêr neu alaethau gwan ddiflannu'n llwyr mewn data swnllyd.
Fodd bynnag, mae ffactorau hefyd o fewn y camera ei hun – y prif ffactor yw'r Gymhareb Signal i Sŵn. Ymhellach, ac yn enwedig mewn golau isel, mae graddio dwyster delwedd, sut mae'r ddelwedd yn cael ei harddangos ar y monitor, yn chwarae rhan fawr yn y cyferbyniad delwedd a ganfyddir. Gyda sŵn uchel mewn ardaloedd tywyll o'r ddelwedd, gall algorithmau graddio delwedd awtomatig gael eu terfyn isaf wedi'i osod yn rhy isel gan bicseli swnllyd gwerth isel, tra bod y terfyn uchel yn cael ei gynyddu gan sŵn mewn picseli signal uchel. Dyma achos ymddangosiad llwyd 'golchedig' nodweddiadol delweddau SNR isel. Gellir cael cyferbyniad gwell trwy osod y terfyn isaf i wrthbwyso'r camera.
Ffactorau sy'n Effeithio ar SNR mewn Camerâu Gwyddonol
Mae sawl paramedr dylunio a gweithredol yn dylanwadu ar SNR system gamera:
Technoleg Synhwyrydd
● sCMOS – Yn cyfuno sŵn darllen isel a chyfraddau ffrâm uchel, yn ddelfrydol ar gyfer delweddu deinamig.
● CCD – Yn hanesyddol yn cynnig sŵn isel mewn amlygiadau hir, ond yn arafach na dyluniadau CMOS modern.
● EMCCD – Yn defnyddio mwyhadur ar y sglodion i hybu signalau gwan, ond gall gyflwyno sŵn lluosog.
Maint Picsel a Ffactor Llenwi
Mae picseli mwy yn casglu mwy o ffotonau, gan gynyddu'r signal ac felly'r SNR.
Effeithlonrwydd Cwantwm (QE)
Mae QE uwch yn golygu bod mwy o ffotonau sy'n dod i mewn yn cael eu trosi'n electronau, gan wella SNR.
Amser cysylltiad
Mae amlygiadau hirach yn casglu mwy o ffotonau, gan gynyddu'r signal, ond gallant hefyd gynyddu sŵn cerrynt tywyll.
Systemau Oeri
Mae oeri yn lleihau cerrynt tywyll, gan wella SNR yn sylweddol ar gyfer amlygiadau hir.
Opteg a Goleuo
Mae lensys o ansawdd uchel a goleuo sefydlog yn gwneud y mwyaf o ddal signal ac yn lleihau amrywioldeb.
Enghreifftiau o Werthoedd SNR Uchaf Gwahanol
Mewn delweddu, mae PSNR yn aml yn cyfeirio at uchafswm damcaniaethol o'i gymharu â dirlawnder picsel. Er gwaethaf gwahaniaethau mewn pynciau delweddu, amodau delweddu a thechnoleg camera, ar gyfer camerâu gwyddonol confensiynol, gall delweddau gyda'r un gymhareb signal-i-sŵn fod â thebygrwyddau. Gall graddfa'r 'graenogrwydd', amrywiad o ffrâm i ffrâm, ac i ryw raddau'r cyferbyniad, i gyd fod yn debyg ar draws yr amodau gwahanol hyn. Felly, mae'n bosibl cael dealltwriaeth o werthoedd SNR a'r gwahanol amodau a'r heriau y maent yn eu hawgrymu o ddelweddau cynrychioliadol, fel y rhai a ddangosir yn y tabl.
NODYN: Rhoddir gwerthoedd signal brig mewn ffotoelectronau ar gyfer pob rhes mewn glas. Dangosir pob delwedd gyda graddfa histogram awtomatig, gan anwybyddu (dirlawnu) 0.35% o'r picseli mwyaf disglair a thywyll. Dwy golofn delwedd chwith: Delweddu targed prawf delweddu wedi'i seilio ar lens. Pedair colofn dde: Ascaris wedi'i ddal mewn fflwroleuedd gydag amcan microsgop 10x. I ddangos yr amrywiadau o ffrâm i ffrâm mewn gwerthoedd picsel ar SNR is, darperir tair ffrâm olynol.
Dangosir delwedd o darged prawf sy'n seiliedig ar lens, ynghyd â delwedd microsgopeg fflwroleuol, ynghyd â golygfa wedi'i chwyddo o'r ddelwedd fflwroleuol sy'n dangos yr amrywiad o fewn 3 ffrâm olynol. Rhoddir y cyfrif ffoto-electron brig ar bob lefel signal hefyd.
Mae'r ffigur canlynol yn dangos fersiynau llawn o'r delweddau enghreifftiol hyn i gyfeirio atynt.
Delweddau maint llawn a ddefnyddir ar gyfer tabl enghreifftiau cymhareb signal-i-sŵn
ChwithTarged prawf delweddu wedi'i ffotograffio â lens.
DdeSampl o adran mwydyn nematod Ascaris wedi'i gweld gyda microsgopeg fflwroleuol ar chwyddiad 10x.
SNR mewn Cymwysiadau
Mae SNR yn hollbwysig i'r genhadaeth ar draws amrywiol feysydd:
● Microsgopeg – Mae canfod fflwroleuedd gwan mewn samplau biolegol angen SNR uchel er mwyn osgoi negatifau ffug.
● Seryddiaeth – Mae adnabod galaethau neu blanedau pell yn gofyn am amlygiadau hir gyda sŵn lleiaf posibl.
● Spectrosgopeg – Mae signal sŵn uchel yn sicrhau mesuriadau dwyster brig cywir mewn dadansoddiad cemegol.
● Arolygu Diwydiannol – Mewn llinellau cydosod golau isel, mae signal sŵn uchel yn helpu i ganfod diffygion yn ddibynadwy.
Dewis Camera Gwyddonol gyda'r SNR Cywir
Wrth werthuso camera wyddonol newydd:
●Gwiriwch y Manylebau SNR– Cymharwch werthoedd dB o dan amodau tebyg i'ch cymhwysiad.
●Cydbwysedd Metrigau Eraill– Ystyriwch effeithlonrwydd cwantwm, ystod ddeinamig, a chyfradd ffrâm.
●Cyfateb Technoleg i Achos Defnydd– Ar gyfer golygfeydd deinamig cyflym, gall camera sCMOS fod yn ddelfrydol; ar gyfer pynciau statig golau isel iawn, gall CCD neu EMCCD wedi'i oeri berfformio'n well.
●Cysylltedd ar gyfer Effeithlonrwydd Llif Gwaith– Er nad ydynt yn effeithio ar SNR yn uniongyrchol, gall nodweddion fel allbwn HDMI alluogi adolygiad delwedd amser real, gan eich helpu i wirio'n gyflym bod eich gosodiadau caffael yn cyflawni'r SNR a ddymunir.
Casgliad
Mae Cymhareb Signal-i-Sŵn (SNR) yn fetrig perfformiad allweddol sy'n dylanwadu'n uniongyrchol ar eglurder a dibynadwyedd delweddau gwyddonol. Mae deall sut mae SNR yn cael ei ddiffinio, y ffactorau sy'n effeithio arno, a goblygiadau gwahanol werthoedd SNR yn caniatáu i ymchwilwyr a defnyddwyr technegol werthuso systemau delweddu yn fwy effeithiol. Drwy gymhwyso'r wybodaeth hon—boed wrth ddewis un newydd...camera gwyddonolneu optimeiddio gosodiad presennol—gallwch sicrhau bod eich llif gwaith delweddu yn cipio data gyda'r lefel o gywirdeb sydd ei hangen ar gyfer eich cymhwysiad penodol.
Cwestiynau Cyffredin
Beth sy'n cael ei ystyried yn signal sŵn (SNR) "da" ar gyfer camerâu gwyddonol?
Mae'r SNR delfrydol yn dibynnu ar y cymhwysiad. Ar gyfer gwaith meintiol, heriol iawn—megis microsgopeg fflwroleuol neu seryddiaeth—argymhellir SNR uwchlaw 40 dB yn gyffredinol, gan ei fod yn cynhyrchu delweddau gyda sŵn gweladwy lleiaf ac yn cadw manylion mân. Ar gyfer defnydd labordy cyffredinol neu archwiliad diwydiannol, gall 35–40 dB fod yn ddigonol. Bydd unrhyw beth islaw 30 dB fel arfer yn dangos graen gweladwy a gall beryglu cywirdeb, yn enwedig mewn sefyllfaoedd cyferbyniad isel.
Sut mae effeithlonrwydd cwantwm (QE) yn effeithio ar SNR?
Mae effeithlonrwydd cwantwm yn mesur pa mor effeithiol y mae synhwyrydd yn trosi ffotonau sy'n dod i mewn yn electronau. Mae QE uwch yn golygu bod mwy o'r golau sydd ar gael yn cael ei ddal fel signal, gan roi hwb i'r rhifiadur yn yr hafaliad SNR. Mae hyn yn arbennig o bwysig mewn senarios golau isel, lle mae pob ffoton yn cyfrif. Er enghraifft, bydd camera sCMOS gyda QE o 80% yn cyflawni SNR uwch o dan amodau union yr un fath o'i gymharu â synhwyrydd gyda 50% QE, oherwydd ei fod yn dal signal mwy defnyddiadwy.
Beth yw'r gwahaniaeth rhwng SNR a Chymhareb Cyferbyniad-i-Sŵn (CNR)?
Er bod SNR yn mesur cryfder cyffredinol y signal o'i gymharu â sŵn, mae CNR yn canolbwyntio ar welededd nodwedd benodol yn erbyn ei chefndir. Mewn delweddu gwyddonol, mae'r ddau yn bwysig: mae SNR yn dweud wrthych pa mor "lân" yw'r ddelwedd yn gyffredinol, tra bod CNR yn pennu a yw gwrthrych penodol o ddiddordeb yn sefyll allan yn ddigon i'w ganfod neu ei fesur.
Eisiau dysgu mwy? Cymerwch olwg ar erthyglau cysylltiedig:
Effeithlonrwydd Cwantwm mewn Camerâu Gwyddonol: Canllaw i Ddechreuwyr
Tucsen Photonics Co., Ltd. Cedwir pob hawl. Wrth ddyfynnu, cydnabyddwch y ffynhonnell:www.tucsen.com
