Deall Samplu Nyquist: Cydbwyso Datrysiad Optegol a Chamera |

Mewn delweddu digidol, mae'n hawdd tybio bod cydraniad uwch yn awtomatig yn golygu lluniau gwell. Yn aml, mae gweithgynhyrchwyr camerâu yn marchnata systemau yn seiliedig ar gyfrifon megapixel, tra bod gwneuthurwyr lensys yn tynnu sylw at bŵer datrys a miniogrwydd. Ac eto, yn ymarferol, mae ansawdd delwedd yn dibynnu nid yn unig ar fanylebau'r lens neu'r synhwyrydd yn unigol ond hefyd ar ba mor dda y maent yn cydweddu.

Dyma lle mae samplu Nyquist yn dod i rym. Yn wreiddiol yn egwyddor o brosesu signalau, mae maen prawf Nyquist yn gosod y fframwaith damcaniaethol ar gyfer cipio manylion yn gywir. Mewn delweddu, mae'n sicrhau bod y datrysiad optegol a ddarperir gan lens a datrysiad digidol synhwyrydd camera yn gweithio gyda'i gilydd yn gytûn.

Mae'r erthygl hon yn dadansoddi samplu Nyquist yng nghyd-destun delweddu, yn egluro'r cydbwysedd rhwng datrysiad optegol a chamera, ac yn darparu canllawiau ymarferol ar gyfer cymwysiadau sy'n amrywio o ffotograffiaeth i ddelweddu gwyddonol.

Beth yw Samplu Nyquist?

Ffigur 1: Theorem samplu Nyquist

Top:Mae signal sinwsoidaidd (cyan) yn cael ei fesur, neu ei samplu, mewn sawl pwynt. Mae'r llinell lwyd hir-doredig yn cynrychioli 1 mesuriad fesul cylchred o'r signal sinwsoidaidd, gan ddal copaon y signal yn unig, gan guddio gwir natur y signal yn llwyr. Mae'r gromlin goch mân-doredig yn dal 1.1 mesuriad fesul sampl, gan ddatgelu sinwsoid ond camliwio ei amledd. Mae hyn yn debyg i batrwm Moiré.

Gwaelod:Dim ond pan gymerir 2 sampl fesul cylchred (llinell ddotiog borffor) y mae gwir natur y signal yn dechrau cael ei dal.

Mae theorem samplu Nyquist yn egwyddor sy'n gyffredin ar draws prosesu signalau mewn electroneg, prosesu sain, delweddu a meysydd eraill. Mae'r theorem yn egluro, er mwyn ail-greu amledd penodol mewn signal, fod yn rhaid gwneud mesuriadau o leiaf ddwywaith yr amledd hwnnw, a ddangosir yn Ffigur 1. Yng nghyd-destun ein datrysiad optegol, mae hyn yn golygu bod yn rhaid i faint picsel ein gofod gwrthrych fod ar y mwyaf yn hanner y manylyn lleiaf yr ydym yn ceisio ei gipio, neu, yn achos microsgop, hanner datrysiad y microsgop.

Ffigur 2: Samplu Nyquist gyda picseli sgwâr: mae cyfeiriadedd yn bwysig

Gan ddefnyddio camera gyda grid o bicseli sgwâr, dim ond manylion sydd wedi'u halinio'n berffaith â'r grid picsel y bydd ffactor samplu 2x theorem Nyquist yn eu dal yn gywir. Os ceisir datrys strwythurau ar ongl i'r grid picsel, mae maint effeithiol y picsel yn fwy, hyd at √2 gwaith yn fwy ar y groeslin. Felly, rhaid i'r gyfradd samplu fod yn 2√2 gwaith yr amledd gofodol a ddymunir i ddal manylion ar 45o i'r grid picsel.

Mae'r rheswm am hyn yn amlwg drwy ystyried Ffigur 2 (hanner uchaf). Dychmygwch fod maint y picsel wedi'i osod i'r datrysiad optegol, gan roi picsel ei hun i gopaon dau ffynhonnell bwynt gyfagos, neu unrhyw fanylyn yr ydym yn ceisio ei ddatrys. Er bod y rhain wedyn yn cael eu canfod ar wahân, nid oes unrhyw arwydd yn y mesuriadau sy'n deillio o hyn eu bod yn ddau gopa ar wahân - ac unwaith eto nid yw ein diffiniad o "ddatrys" yn cael ei fodloni. Mae angen picsel rhyngddynt, gan ddal cafn o'r signal. Cyflawnir hyn trwy o leiaf ddyblu'r gyfradd samplu gofodol, h.y. haneru maint picsel gofod y gwrthrych.

Datrysiad Optegol yn erbyn Datrysiad Camera

Er mwyn deall sut mae samplu Nyquist yn gweithio mewn delweddu, mae angen i ni wahaniaethu rhwng dau fath o benderfyniad:

● Datrysiad Optegol: Wedi'i bennu gan y lens, mae datrysiad optegol yn cyfeirio at ei allu i atgynhyrchu manylion mân. Mae ffactorau fel ansawdd y lens, agorfa, a diffractiad yn gosod y terfyn hwn. Defnyddir y swyddogaeth trosglwyddo modiwleiddio (MTF) yn aml i fesur pa mor dda y mae lens yn trosglwyddo cyferbyniad ar wahanol amleddau gofodol.

● Datrysiad y Camera: Wedi'i bennu gan y synhwyrydd, mae datrysiad y camera yn dibynnu ar faint y picsel, traw'r picsel, a dimensiynau cyffredinol y synhwyrydd. Mae traw picselCamera CMOSyn diffinio ei amledd Nyquist yn uniongyrchol, sy'n pennu'r manylion mwyaf y gall y synhwyrydd eu dal.

Pan nad yw'r ddau hyn wedi'u halinio, mae problemau'n codi. Mae lens sy'n fwy na phŵer datrys y synhwyrydd yn cael ei "wastraffu" i bob pwrpas, gan na all y synhwyrydd ddal yr holl fanylion. I'r gwrthwyneb, mae synhwyrydd cydraniad uchel wedi'i baru â lens o ansawdd isel yn arwain at ddelweddau nad ydynt yn gwella er gwaethaf mwy o megapixels.

Sut i Gydbwyso Datrysiad Optegol a Chamera

Mae cydbwyso opteg a synwyryddion yn golygu paru amledd Nyquist y synhwyrydd ag amledd torri optegol y lens.

● Cyfrifir amledd Nyquist synhwyrydd camera fel 1 / (2 × traw picsel). Mae hyn yn diffinio'r amledd gofodol uchaf y gall y synhwyrydd ei samplu heb aliasio.
● Mae'r amledd torri optegol yn dibynnu ar nodweddion y lens a diffractiad.

I gael y canlyniadau gorau, dylai amledd Nyquist y synhwyrydd gyd-fynd â gallu datrys y lens neu fod ychydig yn fwy na hynny. Yn ymarferol, rheol gyffredinol dda yw sicrhau bod traw'r picsel tua hanner maint nodwedd datrysadwy lleiaf y lens.

Er enghraifft, os gall lens ddatrys manylion i lawr i 4 micromedr, yna bydd synhwyrydd â meintiau picsel o ~2 micromedr yn cydbwyso'r system yn dda.

Cysylltu Nyquist â Datrysiad Camera a Her Picseli Sgwâr

Y cyfaddawd gyda maint picsel gofod gwrthrych sy'n lleihau yw gallu casglu golau llai. Felly mae'n bwysig cydbwyso'r angen am benderfyniad ac am gasglu golau. Yn ogystal, mae meintiau picsel gofod gwrthrych mwy yn tueddu i gyfleu maes golygfa mwy o'r gwrthrych sy'n cael ei ddelweddu. Ar gyfer cymwysiadau sydd angen rhywfaint o benderfyniad manwl, dywedir bod cydbwysedd gorau posibl 'rheol gyffredinol' yn cael ei daro fel a ganlyn: Dylai maint picsel gofod gwrthrych, pan gaiff ei luosi â rhyw ffactor i ystyried Nyquist, fod yn hafal i'r datrysiad optegol. Gelwir y maint hwn yn ddatrysiad camera.

Yn aml, mae cydbwyso opteg a synwyryddion yn dibynnu ar sicrhau bod datrysiad samplu effeithiol y camera yn cyfateb i derfyn datrysiad optegol y lens. Dywedir bod system yn "cyfateb i Nyquist" pan:

Datrysiad camera = Datrysiad optegol

Lle rhoddir datrysiad y camera gan:

Y ffactor i ystyried Nyquist sy'n aml yn cael ei argymell yw 2.3, nid 2. Y rheswm am hyn yw fel a ganlyn.

Mae picseli camera (fel arfer) yn sgwâr, ac wedi'u trefnu ar grid 2-D. Mae maint y picsel fel y'i diffinnir i'w ddefnyddio yn yr hafaliad gyferbyn yn cynrychioli lled y picseli ar hyd echelinau'r grid hwn. Os bydd y nodweddion yr ydym yn ceisio eu datrys yn gorwedd ar unrhyw ongl ac eithrio lluosrif perffaith o 90° o'i gymharu â'r grid hwn, bydd maint effeithiol y picsel yn fwy, hyd at √2 ≈ 1.41 gwaith maint y picsel ar 45°. Dangosir hyn yn Ffigur 2 (hanner gwaelod).

Felly, y ffactor a argymhellir yn ôl maen prawf Nyquist ym mhob cyfeiriadedd fyddai 2√2 ≈ 2.82. Fodd bynnag, oherwydd y cyfaddawd a grybwyllwyd yn flaenorol rhwng datrysiad a chasglu golau, argymhellir gwerth cyfaddawd o 2.3 fel rheol gyffredinol.

Rôl Samplu Nyquist mewn Delweddu

Samplu Nyquist yw ceidwad ffyddlondeb delweddau. Pan fydd y gyfradd samplu yn gostwng islaw terfyn Nyquist:

● Tan-samplu → yn achosi aliasing: manylion ffug, ymylon danheddog, neu batrymau moiré.

● Gor-samplu → yn cipio mwy o ddata nag y gall yr opteg ei ddarparu, gan arwain at elw sy'n lleihau: ffeiliau mwy a gofynion prosesu uwch heb welliannau gweladwy.

Mae samplu cywir yn sicrhau bod delweddau'n finiog ac yn wir i'r realiti. Mae'n darparu'r cydbwysedd rhwng mewnbwn optegol a chipio digidol, gan osgoi datrysiad gwastraffus ar un ochr neu arteffactau camarweiniol ar y llall.

Cymwysiadau Ymarferol

Nid dim ond damcaniaeth yw samplu Nyquist — mae ganddo gymwysiadau hanfodol ar draws disgyblaethau delweddu:

● Microsgopeg:Rhaid i ymchwilwyr ddewis synwyryddion sy'n samplu o leiaf ddwywaith y manylion lleiaf y gellir eu datrys gan y lens amcan. Dewis yr un cywircamera microsgopegyn hanfodol, gan fod yn rhaid i faint y picsel gyd-fynd â datrysiad cyfyngedig diffractiad amcan y microsgop. Yn aml, mae labordai modern yn well ganddyntcamerâu sCMOS, sy'n darparu cydbwysedd o sensitifrwydd, ystod ddeinamig, a strwythurau picsel mân ar gyfer delweddu biolegol perfformiad uchel.

● Ffotograffiaeth:Mae paru synwyryddion megapixel uchel â lensys na allant ddatrys manylion cystal yn aml yn arwain at welliannau dibwys o ran miniogrwydd. Mae ffotograffwyr proffesiynol yn cydbwyso lensys a chamerâu i osgoi gwastraffu datrysiad.

● Gweledigaeth Peirianyddol aCamerâu GwyddonolMewn rheoli ansawdd ac arolygu diwydiannol, gallai colli nodweddion bach oherwydd samplu rhy isel olygu nad yw rhannau diffygiol yn cael eu canfod. Gellir defnyddio samplu gormodol yn fwriadol ar gyfer chwyddo digidol neu brosesu gwell.

Pryd i Gyfateb Nyquist: Gor-samplu a Than-samplu

Mae samplu Nyquist yn cynrychioli'r cydbwysedd delfrydol, ond yn ymarferol, gall systemau delweddu or-samplu neu dan-samplu'n fwriadol yn dibynnu ar y cymhwysiad.

Beth yw Is-samplu

Yn achos cymwysiadau lle mae sensitifrwydd yn bwysicach na datrys y manylion mân lleiaf, gall defnyddio maint picsel gofod gwrthrych sy'n fwy na gofynion Nyquist arwain at fanteision sylweddol o ran casglu golau. Gelwir hyn yn dan-samplu.

Mae hyn yn aberthu manylion mân, ond gall fod yn fanteisiol pan:

● Mae sensitifrwydd yn hanfodol: mae picseli mwy yn casglu mwy o olau, gan wella'r gymhareb signal-i-sŵn mewn delweddu golau isel.
● Mae cyflymder yn bwysig: mae llai o bicseli yn lleihau amser darllen, gan alluogi caffael cyflymach.
● Mae angen effeithlonrwydd data: mae meintiau ffeiliau llai yn well mewn systemau cyfyngedig o ran lled band.

Enghraifft: Mewn delweddu calsiwm neu foltedd, mae signalau'n aml yn cael eu cyfartaleddu dros ranbarthau o ddiddordeb, felly mae tan-samplu yn gwella casglu golau heb beryglu'r canlyniad gwyddonol.

Beth yw Gor-samplu

I'r gwrthwyneb, mae llawer o gymwysiadau lle mae datrys manylion mân yn allweddol, neu gymwysiadau sy'n defnyddio dulliau dadansoddi ôl-gaffael i adfer gwybodaeth ychwanegol y tu hwnt i'r terfyn diffraction, angen picseli delweddu llai nag y mae Nyquist yn ei fynnu, a elwir yn orsamplu.

Er nad yw hyn yn cynyddu datrysiad optegol gwirioneddol, gall ddarparu manteision:

● Yn galluogi chwyddo digidol gyda llai o golled ansawdd.
● Yn gwella ôl-brosesu (e.e., dadgydffurfiad, dad-sŵn, uwch-ddatrysiad).
● Yn lleihau aliasing gweladwy pan gaiff delweddau eu samplu i lawr yn ddiweddarach.

Enghraifft: Mewn microsgopeg, gall camera sCMOS cydraniad uchel or-samplu strwythurau cellog fel y gall algorithmau cyfrifiadurol echdynnu manylion mân y tu hwnt i'r terfyn diffractiad.

Camdybiaethau Cyffredin

1. Mae mwy o megapixels bob amser yn golygu delweddau mwy miniog.
Ddim yn wir. Mae miniogrwydd yn dibynnu ar bŵer datrys y lens ac a yw'r synhwyrydd yn samplu'n briodol.

2. Mae unrhyw lens da yn gweithio'n dda gydag unrhyw synhwyrydd cydraniad uchel.
Bydd cyfatebiaeth wael rhwng datrysiad y lens a thrawiad y picsel yn cyfyngu ar berfformiad.

3、Dim ond mewn prosesu signalau y mae samplu Nyquist yn berthnasol, nid mewn delweddu.
I'r gwrthwyneb, mae delweddu digidol yn broses samplu yn ei hanfod, ac mae Nyquist yr un mor berthnasol yma ag mewn sain neu gyfathrebu.

Casgliad

Mae samplu Nyquist yn fwy na haniaeth fathemategol — dyma'r egwyddor sy'n sicrhau bod datrysiad optegol a digidol yn gweithio gyda'i gilydd. Drwy alinio pŵer datrys lensys â galluoedd samplu synwyryddion, mae systemau delweddu'n cyflawni'r eglurder mwyaf heb arteffactau na gwastraffu capasiti.

I weithwyr proffesiynol mewn meysydd mor amrywiol â microsgopeg, seryddiaeth, ffotograffiaeth a gweledigaeth beiriannol, mae deall samplu Nyquist yn allweddol i ddylunio neu ddewis systemau delweddu sy'n darparu canlyniadau dibynadwy. Yn y pen draw, nid o wthio un fanyleb i'r eithaf y daw ansawdd delwedd ond o gyflawni cydbwysedd.

Cwestiynau Cyffredin

Beth sy'n digwydd os nad yw samplu Nyquist yn cael ei fodloni mewn camera?
Pan fydd y gyfradd samplu yn disgyn islaw terfyn Nyquist, ni all y synhwyrydd gynrychioli manylion mân yn gywir. Mae hyn yn arwain at aliasing, sy'n ymddangos fel ymylon danheddog, patrymau moiré, neu weadau ffug nad ydynt yn bodoli yn yr olygfa go iawn.

Sut mae maint picsel yn effeithio ar samplu Nyquist?
Mae picseli llai yn cynyddu amledd Nyquist, sy'n golygu y gall y synhwyrydd ddatrys manylion mwy manwl yn ddamcaniaethol. Ond os na all y lens ddarparu'r lefel honno o benderfyniad, nid yw'r picseli ychwanegol yn ychwanegu llawer o werth a gallant gynyddu sŵn.

A yw samplu Nyquist yn wahanol ar gyfer synwyryddion monocrom vs. lliw?
Ydw. Mewn synhwyrydd monocrom, mae pob picsel yn samplu disgleirdeb yn uniongyrchol, felly mae amledd effeithiol Nyquist yn cyfateb i draw'r picsel. Mewn synhwyrydd lliw gyda hidlydd Bayer, mae pob sianel lliw yn cael ei than-samplu, felly mae'r datrysiad effeithiol ar ôl demosaio ychydig yn is.

Tucsen Photonics Co., Ltd. Cedwir pob hawl. Wrth ddyfynnu, cydnabyddwch y ffynhonnell:www.tucsen.com