13/05/2022Ο θόρυβος ανάγνωσης είναι η αβεβαιότητα που ενυπάρχει στην ηλεκτρονική μέτρηση του αριθμού των φωτοηλεκτρονίων που έχει ανιχνεύσει η κάμερα. Συνήθως ορίζεται ως εξής:ηλεκτρόνια (e⁻ RMS)και εξαρτάται από την ταχύτητα ανάγνωσης, τη λειτουργία κέρδους/μετατροπής-κέρδους, τη διαμόρφωση ADC και την απόδοση επένδυσης (ROI)—επομένως είναι συγκρίσιμο μόνο όταν οι συνθήκες ταιριάζουν.
Σε φωτεινές σκηνές,θόρυβος πυροβολισμούσυνήθως κυριαρχεί και ο θόρυβος ανάγνωσης έχει μικρή επίδραση. Σε απεικόνιση χαμηλού φωτισμού — ασθενής φθορισμός, αστρονομία, εργασία υψηλής ταχύτητας με μικρή έκθεση — ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να περιορίσει σημαντικά το SNR, ακόμη και την ανιχνευσιμότητα.
Αυτός ο οδηγός δείχνει πώς να ερμηνεύετε τις προδιαγραφές θορύβου ανάγνωσης, πότε έχει σημασία, ποιες ρυθμίσεις τον αλλάζουν και πώς να τον μετράτε αξιόπιστα.
Τι είναι ο θόρυβος ανάγνωσης;
Θόρυβος ανάγνωσης (συχνά αποκαλείταιθόρυβος ανάγνωσης) είναι η τυχαία αβεβαιότητα που εισάγεται όταν μια κάμεραδιαβάζειμια εικόνα—δηλαδή, όταν το φορτίο που συλλέγεται σε κάθε pixel μετατρέπεται σε τάση και στη συνέχεια ψηφιοποιείται σε ψηφιακό αριθμό (DN). Ακόμα και με τέλεια οπτικά και μια σταθερή σκηνή, τα ηλεκτρονικά ανάγνωσης δεν είναι ποτέ τέλεια αθόρυβα: οι ενισχυτές, τα κυκλώματα επαναφοράς και δειγματοληψίας, οι διαδρομές αναλογικού σήματος και ο αναλογικός-ψηφιακός μετατροπέας (ADC) μπορούν όλα να συμβάλουν σε μικρές διακυμάνσεις. Το αποτέλεσμα είναι ένα τυχαίο σφάλμα ανά pixel, ανά καρέ που προστίθεται κατά την ανάγνωση.
Σχήμα 1: Εικόνα με περιορισμένο θόρυβο ανάγνωσης
Σε αυτό το καθεστώς εξαιρετικά χαμηλού φωτισμού, οι τιμές σήματος είναι συγκρίσιμες με τον θόρυβο ανάγνωσης, που σημαίνει ότι ο θόρυβος ανάγνωσης είναι ο κύριος περιοριστικός παράγοντας για το SNR.
Επειδή ο αισθητήρας τελικά μετρά το φως ωςηλεκτρόνια, ο θόρυβος ανάγνωσης ορίζεται συνήθως σεηλεκτρόνια (e⁻), συνήθως ωςe⁻ RMSΗ έκφραση θορύβου σε ηλεκτρόνια διευκολύνει τη σύγκριση της απόδοσης σε όλες τις ρυθμίσεις και τα μοντέλα της κάμερας. (Εάν ξεκινήσετε από DN, η μετατροπή σε e⁻ απαιτεί το κέρδος μετατροπής συστήματος,e⁻/DN.) Στις σύγχρονες επιστημονικές κάμερες, ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να είναι πολύ χαμηλός—συχνά στοΕπίπεδο RMS ~1–3 e⁻ σε λειτουργίες χαμηλού θορύβουγια απεικόνιση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού—αν και η ακριβής τιμή εξαρτάται από την ταχύτητα ανάγνωσης, τη λειτουργία κέρδους/μετατροπής-κέρδους, τη διαμόρφωση ADC, την απόδοση επένδυσης (ROI) και τη θερμοκρασία.
Τυπικές τιμές και γιατί διαφέρουν
Για πολλούςκάμερες sCMOS, ο θόρυβος ανάγνωσης έχει μειωθεί αρκετά ώστε πολύ μικρά σήματα να μπορούν να μετρηθούν με καλή πιστότητα. Άλλες τεχνολογίες αισθητήρων και τρόποι λειτουργίας ενδέχεται να εμφανίζουν υψηλότερο θόρυβο ανάγνωσης, ειδικά όταν βελτιστοποιούνται για μέγιστο ρυθμό καρέ. Δείτε τον Πίνακα 1 για ορισμένες αντιπροσωπευτικές τιμές. Γι' αυτό είναι σημαντικό να συγκρίνετε τον θόρυβο ανάγνωσης μόνο υπό αντίστοιχες συνθήκες δοκιμής (λειτουργία, ταχύτητα ανάγνωσης, κέρδος, βάθος bit, απόδοση επένδυσης (ROI) κ.λπ.).
Πίνακας 1: Τυπικές τιμές θορύβου ανάγνωσης RMS για διαφορετικές τεχνολογίες επιστημονικών καμερών
* Τα EMCCD έχουν πρόσθετες πηγές θορύβου που μειώνουν την ευαισθησία τους
** Υψηλής ταχύτητας sCMOS όπως τοΚάμερα Tucsen Dhyana 2100 sCMOS
*** Υψηλής ταχύτηταςΚάμερες CMOSχρησιμοποιούνται τόσο στην επιστημονική απεικόνιση όσο και στο φιλμ για την καταγραφή κίνησης υψηλής ταχύτητας. Αυτές οι κάμερες δεν μπορούν συνήθως να χρησιμοποιηθούν σε απεικόνιση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού λόγω του υψηλού θορύβου που παράγουν, θάβοντας τα σήματα χαμηλού φωτισμού.
RMS vs Διάμεσος θόρυβος ανάγνωσης (και γιατί ορισμένα φύλλα δεδομένων εμφανίζουν δύο αριθμούς)
Στους αισθητήρες CMOS/sCMOS, ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να διαφέρει ελαφρώς από pixel σε pixel, επομένως μπορεί να είναι χρήσιμο να σκεφτόμαστε τον θόρυβο ανάγνωσης ως κατανομή και όχι ως μία μόνο τιμή. Ορισμένες κάμερες εμφανίζουν επίσης μια μικρή «ουρά» pixel υψηλότερου θορύβου, όπου φαινόμενα όπως ο τυχαίος τηλεγραφικός θόρυβος (RTN) μπορεί να είναι πιο έντονα.
Συνοψίζοντας αυτήν την κατανομή, οι κατασκευαστές ενδέχεται να αναφέρουν μια μέση (τυπική) τιμή θορύβου ανάγνωσης και, μερικές φορές, μια πρόσθετη τιμή RMS που είναι πιο ευαίσθητη σε pixel υψηλότερου θορύβου. Οι ορισμοί μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τον κατασκευαστή, επομένως η ασφαλέστερη προσέγγιση είναι να ελέγξετε τη δηλωμένη μέθοδο και τις συνθήκες μέτρησης, ειδικά όταν συγκρίνετε κάμερες ή επιλέγετε μια λειτουργία για εργασία σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
Πώς να διαβάσετε τις προδιαγραφές θορύβου ανάγνωσης;
Μια τιμή θορύβου ανάγνωσης έχει νόημα μόνο όταν συνδέεται με τον τρόπο λειτουργίας της κάμερας κατά τη μέτρηση. Η λειτουργία, το βάθος bit, η ταχύτητα ανάγνωσης, το κέρδος/κέρδος μετατροπής και η απόδοση επένδυσης (ROI) μπορούν να αλλάξουν τον αριθμό—επομένως, να συγκρίνετε πάντα τις προδιαγραφές υπό αντίστοιχες συνθήκες.
Οι συνθήκες δοκιμής έχουν σημασία
Ένας αριθμός θορύβου ανάγνωσης έχει νόημα μόνο όταν συνδέεται με τοσυνθήκες λειτουργίαςχρησιμοποιείται για τη μέτρησή του. Η ίδια κάμερα μπορεί να αναφέρει διαφορετικές τιμές ανάλογα με τη λειτουργία ανάγνωσης και τη διαμόρφωση, επομένως το "χαμηλότερο" δεν σημαίνει αυτόματα "καλύτερο", εκτός αν συγκρίνετε όμοιες τιμές. Πριν συγκρίνετε κάμερες—ή ακόμα και δύο λειτουργίες στην ίδια κάμερα—αναζητήστε αυτές τις συνθήκες στον πίνακα του φύλλου δεδομένων, στις υποσημειώσεις ή στα γραφήματα απόδοσης:
●Ταχύτητα ανάγνωσης / ρυθμός pixel (kHz–MHz):Η ταχύτερη ανάγνωση συνήθως αυξάνει τον θόρυβο ανάγνωσης.
Λειτουργία κέρδους / μετατροπής-κέρδους (π.χ., HCG/LCG): Αλλάζει το e⁻/DN και μπορεί να μετατοπίσει την αναφερόμενη τιμή θορύβου.
●Διαδρομή ADC / βάθος bit:Ορισμένες κάμερες προσφέρουν πολλαπλές λειτουργίες ADC που επηρεάζουν τη συμπεριφορά θορύβου και κβαντισμού.
●Απόδοση επένδυσης (ROI) και κανάλια ανάγνωσης:Η απόδοση επένδυσης (ROI) μπορεί να αλλάξει τον τρόπο ανάγνωσης του αισθητήρα και την απόδοση σε ορισμένες αρχιτεκτονικές.
●Θερμοκρασία (εάν αναφέρεται):Οι προδιαγραφές συχνά μετριούνται σε μια καθορισμένη θερμοκρασία αισθητήρα. Συγκρίνετε πάντα υπό παρόμοιες συνθήκες.
Εάν ένα σχήμα θορύβου ανάγνωσης τίτλου εμφανίζεται χωρίς τα συμφραζόμενα λειτουργίας/ταχύτητας, αντιμετωπίστε το ως ελλιπές και βρείτε τον λεπτομερή πίνακα ή γράφημα λειτουργίας.
Τυπική έναντι Μέγιστης / Διάμεσης έναντι RMS: γιατί μπορεί να δείτε δύο αριθμούς
Λόγω των παράλληλων αρχιτεκτονικών ανάγνωσης,οι περισσότεροι αισθητήρες CMOS/sCMOSδείχνουν κάποια διακύμανση από pixel σε pixel στον θόρυβο ανάγνωσης, επομένως μπορεί να είναι χρήσιμο να σκεφτείτε τον θόρυβο ανάγνωσης ως κατανομή και όχι ως μία μόνο τιμή. Γι' αυτό ορισμένα φύλλα προδιαγραφών αναφέρουν δύο αριθμούς.
A διάμεσοςΗ τιμή θορύβου ανάγνωσης υποδεικνύει ότι το 50% των pixel βρίσκονται στο ίδιο ή χαμηλότερο ποσοστό, κάτι που συχνά αντικατοπτρίζει την «τυπική» απόδοση. Μια επιπλέονRMSΤο σχήμα (όταν παρέχεται) είναι πιο ευαίσθητο στην εξάπλωση της κατανομής και μπορεί να αποτυπώσει καλύτερα την επίδραση των pixel υψηλότερου θορύβου στην ουρά. Δεδομένου ότι οι ορισμοί μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τον κατασκευαστή, ελέγχετε πάντα τις δηλωμένες συνθήκες μέτρησης και τη σύμβαση αναφοράς.
Οι αισθητήρες CMOS/sCMOS μπορούν να εμφανίσουνπαραλλαγή από pixel σε pixelστον θόρυβο ανάγνωσης, επομένως ο θόρυβος ανάγνωσης θεωρείται καλύτερα ωςδιανομήαντί για μία μόνο τιμή. Για να συνοψίσουν αυτήν την κατανομή, οι κατασκευαστές μπορούν να αναφέρουν:
●Τυπική / Διάμεση τιμή:Ένα «τυπικό pixel» που αντιπροσωπεύει την κοινή απόδοση σε αυτήν τη λειτουργία.
●RMS (ή μερικές φορές μια πιο συντηρητική φιγούρα):Ένα στατιστικό στοιχείο που μπορεί να είναι πιο ευαίσθητο σε pixel υψηλότερου θορύβου και να αντικατοπτρίζει καλύτερα τη συνολική εξάπλωση.
Δεν χρησιμοποιούν όλοι οι προμηθευτές αυτούς τους όρους με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, επομένως ελέγχετε πάντα τον ορισμό και τη μέθοδο μέτρησης που αναφέρονται. Σε περίπτωση αμφιβολίας, συγκρίνετε τις κάμερες χρησιμοποιώντας τις τιμές που αναφέρονται στοίδια στατιστικά στοιχεία και συνθήκες.
Παραδείγματα λειτουργίας κάμερας (γιατί μία κάμερα έχει πολλαπλές προδιαγραφές θορύβου ανάγνωσης)
Για να το κάνετε αυτό συγκεκριμένο, λάβετε υπόψη τοΚάμερα sCMOS Tucsen Aries 6510 Ultimate SensitivityΣτο φύλλο δεδομένων της, ο θόρυβος ανάγνωσης αναφέρεται για πολλαπλές λειτουργίες ανάγνωσης—επειδή η κάμερα μπορεί να λειτουργήσει σε διαφορετικά βάθη bit και αγωγούς ανάγνωσης, και η καθεμία έχει διαφορετικό επίπεδο θορύβου:
Σχήμα 2: Θόρυβος ένδειξης Aries 6510
Πώς να το ερμηνεύσετε αυτό: αυτοί οι αριθμοί δεν είναι αντιφατικοί—περιγράφουνδιαφορετικά σημεία λειτουργίαςτης ίδιας κάμερας. Ένας αγωγός υψηλότερης ταχύτητας (εδώ, η λειτουργία Ταχύτητας) συνήθως δίνει προτεραιότητα στην απόδοση και μπορεί να εμφανίσει υψηλότερο θόρυβο ανάγνωσης, ενώ οι αγωγοί βελτιστοποιημένοι ως προς την ευαισθησία μπορούν να μειώσουν το κατώτατο όριο θορύβου ανάγνωσης. Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος για τον οποίο οι προδιαγραφές θορύβου ανάγνωσης θα πρέπει πάντα να διαβάζονταιμαζί με το όνομα της λειτουργίας και το δηλωμένο βάθος bitΌταν συγκρίνετε κάμερες (ή συγκρίνετε μια κάμερα με μια δημοσιευμένη τιμή), βεβαιωθείτε ότι συγκρίνετε τηνίδια λειτουργία, όχι μόνο ο χαμηλότερος αριθμός τίτλου.
Πότε ο θόρυβος ανάγνωσης έχει σημασία;
Ο θόρυβος ανάγνωσης δεν περιορίζει κάθε πείραμα. Το αν έχει σημασία εξαρτάται από ένα απλό ερώτημα: αποτελεί ο θόρυβος ανάγνωσης ένα σημαντικό μέρος του συνολικού προϋπολογισμού θορύβου σας στο επίπεδο σήματος με το οποίο εργάζεστε; Σε φωτεινές συνθήκες, ο θόρυβος φωτονίων (βολών) συνήθως κυριαρχεί. Σε συνθήκες χαμηλού σήματος, ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να γίνει ο όρος που καθορίζει το SNR - και μερικές φορές το αν είναι ορατή καθόλου μια αμυδρή δομή.
Θόρυβος ανάγνωσης έναντι θορύβου λήψης: ένας σύντομος εμπειρικός κανόνας
Ο θόρυβος της λήψης αυξάνεται με το σήμα καθώς√Ν(όπου N είναι ο αριθμός των ανιχνευμένων φωτοηλεκτρονίων). Ο θόρυβος ανάγνωσης είναι περίπου ένασταθερά ανά pixel ανά καρέγια μια δεδομένη λειτουργία. Αυτό σημαίνει:
● Στουψηλό Ν, το √N είναι μεγάλο και ο θόρυβος ανάγνωσης συμβάλλει ελάχιστα.
● Στοχαμηλό Ν, το √N είναι μικρό και ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να κυριαρχήσει.
Ένα πρακτικό σημείο διασταύρωσης είναι ότανθόρυβος βολής ≈ θόρυβος ανάγνωσης, δηλαδή όταν√N ≈ RΑυτό αντιστοιχεί σεN ≈ R².
Για παράδειγμα, αν μια λειτουργία έχειR = 2 e⁻ RMS,Ο θόρυβος ανάγνωσης γίνεται σημαντικός όταν το σήμα είναι της τάξης των μερικών ηλεκτρονίων έως μερικών δεκάδων ηλεκτρονίων ανά pixel (αφού το R2=4). ΕάνR = 10 e⁻, η διασταύρωση μετατοπίζεται σε περίπου 102=100 ηλεκτρόνια ανά εικονοστοιχείο.
Ένα συγκεκριμένο παράδειγμα SNR (γιατί είναι αμελητέο σε φωτεινές σκηνές)
Ας υποθέσουμε ότι ένα εικονοστοιχείο περιέχει2.000 e⁻σήματος. Ο θόρυβος της βολής είναι√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Εάν ο θόρυβος ανάγνωσης είναι10 ε⁻, ο συνολικός θόρυβος (RMS) είναι:
Έτσι, το SNR αλλάζει από 2000/44,7≈44,7 σε 2000/45,8≈43,7—μια μικρή διαφορά. Με άλλα λόγια, σε υψηλά επίπεδα σήματος, η μείωση του θορύβου ανάγνωσης σπάνια αλλάζει αυτό που μπορείτε να δείτε.
Σε σκηνές με έντονο φωτισμό όπου κάθε pixel συλλέγει χιλιάδες φωτοηλεκτρόνια, ο θόρυβος ανάγνωσης γίνεται ένας μικρός όρος στο συνολικό προϋπολογισμό θορύβου. Για παράδειγμα, στα 2.000 e⁻ σήματος, η προσθήκη 10 e⁻ θορύβου ανάγνωσης αλλάζει το SNR μόνο κατά λίγα τοις εκατό - συχνά ανεπαίσθητο - ενώ σε δεκάδες ηλεκτρόνια ανά pixel, ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να περιορίσει σημαντικά το SNR και την ορατή λεπτομέρεια.
Όταν ο θόρυβος ανάγνωσης γίνεται πραγματικός περιοριστής
Ο θόρυβος ανάγνωσης έχει τη μεγαλύτερη σημασία όταν το πείραμά σας περιορίζεται σε σήμα ανά καρέ, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε εικονοστοιχείο συλλέγει μόνο έναν μικρό αριθμό φωτοηλεκτρονίων σε μία μόνο έκθεση. Σε αυτό το καθεστώς, ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να κυριαρχήσει στον προϋπολογισμό θορύβου, να μειώσει το SNR και να αποκρύψει την αμυδρή δομή.
Τα συνηθισμένα σημεία εφαρμογής περιλαμβάνουν:
●Ασθενής φθορισμός / χαμηλή πυκνότητα σήμανσης, ειδικά με σύντομες εκθέσεις ή γρήγορο time-lapse
●Φθορισμός ενός μορίουκαι υπερ-ανάλυση βασισμένη στην τοπική προσαρμογή, όπου τα σήματα μπορούν να είναι μόνο μερικά φωτόνια ανά πομπό ανά καρέ
●Απεικόνιση χημειοφωταύγειας, όπου οι προϋπολογισμοί φωτονίων είναι εγγενώς χαμηλοί και ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί να κυριαρχήσει
●Λειτουργική απεικόνιση υψηλής ταχύτητας (τάση / δυναμικό μεμβράνης, γρήγορη απεικόνιση ασβεστίου), όπου οι σύντομες εκθέσεις μειώνουν τον αριθμό φωτονίων ανά καρέ
●Ροές εργασίας απεικόνισης με έλλειψη φωτονίων(π.χ., πολύ αμυδρά πλαίσια ακόμα κι αν σκοπεύετε να τα στοιβάζετε/να τα υπολογίζετε ως μέσο όρο αργότερα)
Ως πρακτικός έλεγχος: εάν το τυπικό σήμα ανά pixel είναι στοεκατοντάδες έως χιλιάδες ηλεκτρόνιαανά καρέ, ο θόρυβος ανάγνωσης σπάνια κυριαρχεί. Εάν βρίσκεται στοδεκάδες ηλεκτρόνια ή λιγότερα, ο θόρυβος ανάγνωσης και η επιλογή λειτουργίας μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την ποιότητα της εικόνας.
Σύναψη
Ο θόρυβος ανάγνωσης είναι ένας όρος που εξαρτάται από την κατάσταση λειτουργίας και περιορίζεται στην αλυσίδα ανάγνωσης — επομένως οι μόνες ουσιαστικές συγκρίσεις γίνονται υπό αντίστοιχες συνθήκες (κατάσταση λειτουργίας, ταχύτητα ανάγνωσης, κέρδος/μετατροπής, βάθος ADC/bit, ROI). Σε φωτεινές σκηνές είναι συχνά αμελητέος, αλλά σε απεικόνιση χαμηλού σήματος μπορεί να περιορίσει σημαντικά το SNR και την ανιχνευσιμότητα.
Αν θέλετε μια σύσταση για το πείραμά σας, μοιραστείτε τις λεπτομέρειες της εφαρμογής σας (επίπεδο σήματος, χρόνος έκθεσης, ρυθμός καρέ, μήκος κύματος και SNR-στόχος). Οι ειδικοί μας στην απεικόνιση μπορούν να σας προτείνουν έναΚάμερα Τουσένκαι την καλύτερη λειτουργία ανάγνωσης για την εξισορρόπηση της ευαισθησίας, της ταχύτητας και του δυναμικού εύρους.
