25/08/19Όσον αφορά τη λήψη ακριβών και αξιόπιστων εικόνων στην επιστημονική έρευνα, η ποιότητα των δεδομένων σας εξαρτάται από κάτι περισσότερο από την ανάλυση ή το μέγεθος του αισθητήρα. Μία από τις πιο σημαντικές —αλλά μερικές φορές παραβλεπόμενες— μετρήσεις είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR). Στα συστήματα απεικόνισης, ο λόγος σήματος προς θόρυβο καθορίζει πόσο καθαρά μπορείτε να διακρίνετε το πραγματικό σήμα (χρήσιμες πληροφορίες) από τον ανεπιθύμητο θόρυβο.
Σε εφαρμογές επιστημονικής απεικόνισης όπως η μικροσκοπία, η αστρονομία και η φασματοσκοπία, ένα κακό SNR μπορεί να κάνει τη διαφορά μεταξύ της ανίχνευσης ενός αμυδρού στόχου και της πλήρους αστοχίας του. Αυτό το άρθρο εξερευνά πώς ορίζεται το SNR, γιατί έχει σημασία, πώς επηρεάζει την αντίθεση και πώς να επιλέξετε και να βελτιστοποιήσετε μια επιστημονική κάμερα με βάση αυτήν την κρίσιμη μέτρηση.
Τι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο και πώς ορίζεται;
Ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) είναι το πιο σημαντικό μέτρο της ποιότητας της εικόνας μας, θεμελιώδης για την αντίθεση της εικόνας και συχνά ο πιο χρήσιμος καθοριστικός παράγοντας για το αν μια κάμερα είναι αρκετά ευαίσθητη για την εφαρμογή σας.
Οι προσπάθειες βελτίωσης της ευαισθησίας της κάμερας περιστρέφονται γύρω από τη βελτίωση του συλλεγόμενου σήματος:
● Μέσω βελτιώσεων στην κβαντική απόδοση ή αύξησης του μεγέθους των pixel
● Μείωση των πηγών θορύβου που εξαρτώνται από την κάμερα
Οι πηγές θορύβου αθροίζονται, αλλά ανάλογα με τις περιστάσεις, μία μπορεί να κυριαρχήσει και θα πρέπει να εστιάσετε σε αυτήν όταν προσπαθείτε να βελτιώσετε το SNR - είτε μέσω βελτιστοποίησης των ρυθμίσεων ή της εγκατάστασης, είτε μέσω αναβάθμισης σε καλύτερες πηγές φωτός, οπτικά και κάμερες.
Είναι συνηθισμένη συντομογραφία να περιγράφουμε εικόνες με βάση έναν μόνο λόγο σήματος προς θόρυβο, για παράδειγμα, ισχυριζόμενοι ότι μια εικόνα έχει SNR '15'. Ωστόσο, όπως είναι προφανές από το όνομα, ο λόγος σήματος προς θόρυβο εξαρτάται από το σήμα, το οποίο φυσικά θα είναι διαφορετικό για κάθε pixel. Αυτό είναι που μας δίνει την εικόνα μας.
Το SNR μιας εικόνας συνήθως αναφέρεται στο SNR του μέγιστου σήματος ενδιαφέροντος μέσα στην εικόνα. Για παράδειγμα, το SNR από μια εικόνα φθοριζόντων κυττάρων σε σκούρο φόντο θα χρησιμοποιούσε την ένταση του μέγιστου σήματος από τα pixel μιας δομής ενδιαφέροντος μέσα στο κελί.
Δεν είναι αντιπροσωπευτικό να λαμβάνεται, για παράδειγμα, μια μέση τιμή για το SNR ολόκληρης της εικόνας. Σε τεχνικές όπως η μικροσκοπία φθορισμού, όπου ένα σκούρο φόντο με μηδενικά ανιχνευμένα φωτόνια μπορεί να είναι συνηθισμένο, αυτά τα εικονοστοιχεία μηδενικού σήματος έχουν SNR μηδέν. Επομένως, οποιοσδήποτε μέσος όρος σε μια εικόνα θα εξαρτιόταν από το πόσα εικονοστοιχεία φόντου ήταν ορατά.
Γιατί το SNR έχει σημασία για τις επιστημονικές κάμερες
Στην επιστημονική απεικόνιση, το SNR επηρεάζει άμεσα το πόσο καλά μπορείτε να εντοπίσετε αμυδρές λεπτομέρειες, να μετρήσετε ποσοτικά δεδομένα και να αναπαράγετε αποτελέσματα.
●Ευκρίνεια εικόνας– Το υψηλότερο SNR μειώνει την κοκκοποίηση και κάνει ορατές τις λεπτές δομές.
●Ακρίβεια δεδομένων– Μειώνει τα σφάλματα μέτρησης σε πειράματα που βασίζονται στην ένταση.
●Απόδοση σε χαμηλό φωτισμό– Απαραίτητο για τη φθορίζουσα μικροσκοπία, την αστροφωτογραφία βαθέος ουρανού και τη φασματοσκοπία, όπου ο αριθμός των φωτονίων είναι φυσικά χαμηλός.
Είτε χρησιμοποιείτε ένακάμερα sCMOSΓια απεικόνιση υψηλής ταχύτητας ή για ψυχόμενο CCD για εφαρμογές μακράς έκθεσης, η κατανόηση του SNR σάς βοηθά να εξισορροπήσετε τους συμβιβασμούς στην απόδοση.
Πώς επηρεάζει το SNR την αντίθεση εικόνας
Η αντίθεση είναι η σχετική διαφορά στην ένταση μεταξύ των φωτεινών και των σκοτεινών περιοχών μιας εικόνας. Για πολλές εφαρμογές, η καλή αντίθεση εικόνας εντός των περιοχών ενδιαφέροντος είναι ο τελικός στόχος.
Υπάρχουν πολλοί παράγοντες εντός του θέματος απεικόνισης, του οπτικού συστήματος και των συνθηκών απεικόνισης που είναι οι κύριοι καθοριστικοί παράγοντες της αντίθεσης της εικόνας, όπως η ποιότητα του φακού και η ποσότητα φωτός φόντου.
●Υψηλό SNR→ Διακριτός διαχωρισμός μεταξύ φωτεινών και σκοτεινών περιοχών· οι άκρες εμφανίζονται καθαρές· οι ανεπαίσθητες λεπτομέρειες παραμένουν ορατές.
●Χαμηλό SNR→ Οι σκοτεινές περιοχές γίνονται πιο φωτεινές λόγω θορύβου, οι φωτεινές περιοχές γίνονται πιο αμυδρές και η συνολική αντίθεση της εικόνας γίνεται πιο επίπεδη.
Για παράδειγμα, στη μικροσκοπία φθορισμού, το χαμηλό SNR μπορεί να κάνει ένα ασθενώς φθορίζον δείγμα να αναμειχθεί με το φόντο, καθιστώντας την ποσοτική ανάλυση αναξιόπιστη. Στην αστρονομία, αμυδρά αστέρια ή γαλαξίες μπορούν να εξαφανιστούν εντελώς σε θορυβώδη δεδομένα.
Ωστόσο, υπάρχουν και παράγοντες εντός της ίδιας της κάμερας – ο κύριος παράγοντας είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο. Επιπλέον, και ειδικά σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, η κλιμάκωση της έντασης της εικόνας, ο τρόπος με τον οποίο εμφανίζεται η εικόνα στην οθόνη, παίζει μεγάλο ρόλο στην αντιληπτή αντίθεση της εικόνας. Με υψηλό θόρυβο σε σκοτεινές περιοχές της εικόνας, οι αλγόριθμοι αυτόματης κλιμάκωσης εικόνας μπορεί να έχουν το κατώτερο όριο που έχουν οριστεί πολύ χαμηλά από τα pixel με θόρυβο χαμηλής τιμής, ενώ το υψηλό όριο αυξάνεται από τον θόρυβο στα pixel υψηλού σήματος. Αυτή είναι η αιτία της χαρακτηριστικής «ξεθωριασμένης» γκρίζας εμφάνισης των εικόνων χαμηλού SNR. Καλύτερη αντίθεση μπορεί να επιτευχθεί ορίζοντας το κατώτερο όριο στην μετατόπιση της κάμερας.
Παράγοντες που επηρεάζουν το SNR σε επιστημονικές κάμερες
Αρκετές παράμετροι σχεδιασμού και λειτουργίας επηρεάζουν το SNR ενός συστήματος κάμερας:
Τεχνολογία αισθητήρων
● sCMOS – Συνδυάζει χαμηλό θόρυβο ανάγνωσης και υψηλούς ρυθμούς καρέ, ιδανικό για δυναμική απεικόνιση.
● CCD – Ιστορικά προσφέρει χαμηλό θόρυβο σε μεγάλες εκθέσεις, αλλά πιο αργό από τα σύγχρονα σχέδια CMOS.
● EMCCD – Χρησιμοποιεί ενίσχυση ενσωματωμένη στο τσιπ για την ενίσχυση ασθενών σημάτων, αλλά μπορεί να εισαγάγει πολλαπλασιαστικό θόρυβο.
Μέγεθος εικονοστοιχείων και συντελεστής πλήρωσης
Τα μεγαλύτερα pixel συλλέγουν περισσότερα φωτόνια, αυξάνοντας το σήμα και άρα το SNR.
Κβαντική Απόδοση (QE)
Υψηλότερο QE σημαίνει ότι περισσότερα εισερχόμενα φωτόνια μετατρέπονται σε ηλεκτρόνια, βελτιώνοντας το SNR.
Χρόνος έκθεσης
Οι μεγαλύτερες εκθέσεις συγκεντρώνουν περισσότερα φωτόνια, αυξάνοντας το σήμα, αλλά μπορεί επίσης να αυξήσουν τον θόρυβο του σκοτεινού ρεύματος.
Συστήματα Ψύξης
Η ψύξη μειώνει το σκοτεινό ρεύμα, βελτιώνοντας σημαντικά το SNR για μεγάλες εκθέσεις.
Οπτική και φωτισμός
Οι φακοί υψηλής ποιότητας και ο σταθερός φωτισμός μεγιστοποιούν τη λήψη σήματος και ελαχιστοποιούν τη μεταβλητότητα.
Παραδείγματα διαφορετικών τιμών μέγιστου SNR
Στην απεικόνιση, το PSNR αναφέρεται συχνά σε ένα θεωρητικό μέγιστο σε σχέση με τον κορεσμό των pixel. Παρά τις διαφορές στα θέματα απεικόνισης, τις συνθήκες απεικόνισης και την τεχνολογία της κάμερας, για τις συμβατικές επιστημονικές κάμερες, οι εικόνες με τον ίδιο λόγο σήματος προς θόρυβο μπορεί να έχουν ομοιότητες. Ο βαθμός «κοκκώδους υφής», η διακύμανση από καρέ σε καρέ και, σε κάποιο βαθμό, η αντίθεση, μπορεί να είναι παρόμοιες σε αυτές τις διαφορετικές συνθήκες. Επομένως, είναι δυνατό να κατανοήσουμε τις τιμές SNR και τις διαφορετικές συνθήκες και προκλήσεις που συνεπάγονται από αντιπροσωπευτικές εικόνες, όπως αυτές που φαίνονται στον πίνακα.
ΣΗΜΕΙΩΜΑ: Οι μέγιστες τιμές σήματος σε φωτοηλεκτρόνια για κάθε σειρά δίνονται με μπλε χρώμα. Όλες οι εικόνες εμφανίζονται με αυτόματη κλιμάκωση ιστογράμματος, αγνοώντας (κορεσμό) το 0,35% των φωτεινότερων και σκοτεινότερων pixel. Αριστερά δύο στήλες εικόνας: Απεικόνιση με βάση τον φακό ενός στόχου δοκιμής απεικόνισης. Δεξιά τέσσερις στήλες: Ασκαρίδες που καταγράφηκαν με φθορισμό με αντικειμενικό μικροσκόπιο 10x. Για την απεικόνιση των διακυμάνσεων από καρέ σε καρέ στις τιμές pixel σε χαμηλότερο SNR, παρέχονται τρία διαδοχικά καρέ.
Εμφανίζονται μια εικόνα ενός δοκιμαστικού στόχου με βάση τον φακό, μαζί με μια εικόνα μικροσκοπίας φθορισμού, μαζί με μια μεγεθυμένη προβολή της φθορίζουσας εικόνας που δείχνει την απόκλιση εντός 3 διαδοχικών καρέ. Δίνεται επίσης ο μέγιστος αριθμός φωτοηλεκτρονίων σε κάθε επίπεδο σήματος.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει τις πλήρεις εκδόσεις αυτών των παραδειγματικών εικόνων για αναφορά.
Εικόνες πλήρους μεγέθους που χρησιμοποιούνται για τον πίνακα παραδειγμάτων αναλογίας σήματος προς θόρυβο
Αριστερά: Ένας στόχος απεικόνισης που φωτογραφήθηκε με φακό.
ΔικαίωμαΔείγμα τομής νηματώδους σκώληκα Ascaris όπως παρατηρήθηκε με μικροσκοπία φθορισμού σε μεγέθυνση 10x.
SNR σε εφαρμογές
Το SNR είναι κρίσιμο για την επίτευξη των στόχων σε διάφορους τομείς:
● Μικροσκοπία – Η ανίχνευση αμυδρής φθορισμού σε βιολογικά δείγματα απαιτεί υψηλό SNR για την αποφυγή ψευδώς αρνητικών αποτελεσμάτων.
● Αστρονομία – Ο εντοπισμός μακρινών γαλαξιών ή εξωπλανητών απαιτεί μεγάλες εκθέσεις με ελάχιστο θόρυβο.
● Φασματοσκοπία – Το υψηλό SNR διασφαλίζει ακριβείς μετρήσεις έντασης κορυφής σε χημική ανάλυση.
● Βιομηχανική Επιθεώρηση – Σε γραμμές συναρμολόγησης με χαμηλό φωτισμό, το υψηλό SNR βοηθά στην αξιόπιστη ανίχνευση ελαττωμάτων.
Επιλέγοντας μια επιστημονική κάμερα με το σωστό SNR
Κατά την αξιολόγηση μιας νέας επιστημονικής κάμερας:
●Ελέγξτε τις προδιαγραφές SNR– Συγκρίνετε τιμές dB υπό συνθήκες παρόμοιες με την εφαρμογή σας.
●Ισορροπία Άλλων Μετρήσεων– Λάβετε υπόψη την κβαντική απόδοση, το δυναμικό εύρος και τον ρυθμό καρέ.
●Αντιστοίχιση τεχνολογίας με περίπτωση χρήσης– Για δυναμικές σκηνές υψηλής ταχύτητας, μια κάμερα sCMOS μπορεί να είναι ιδανική. Για στατικά θέματα με εξαιρετικά χαμηλό φωτισμό, μια ψυχόμενη CCD ή EMCCD μπορεί να έχει καλύτερη απόδοση.
●Συνδεσιμότητα για Αποδοτικότητα Ροής Εργασίας– Αν και δεν επηρεάζουν άμεσα το SNR, λειτουργίες όπως η έξοδος HDMI μπορούν να επιτρέψουν την ανασκόπηση εικόνας σε πραγματικό χρόνο, βοηθώντας σας να επαληθεύσετε γρήγορα ότι οι ρυθμίσεις λήψης σας επιτυγχάνουν το επιθυμητό SNR.
Σύναψη
Ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) είναι ένα βασικό μέτρο απόδοσης που επηρεάζει άμεσα την ευκρίνεια και την αξιοπιστία των επιστημονικών εικόνων. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ορίζεται το SNR, οι παράγοντες που το επηρεάζουν και οι επιπτώσεις των διαφορετικών τιμών SNR επιτρέπει στους ερευνητές και τους τεχνικούς χρήστες να αξιολογούν τα συστήματα απεικόνισης πιο αποτελεσματικά. Εφαρμόζοντας αυτή τη γνώση - είτε στην επιλογή ενός νέου...επιστημονική κάμεραή βελτιστοποιώντας μια υπάρχουσα ρύθμιση—μπορείτε να διασφαλίσετε ότι η ροή εργασίας απεικόνισης καταγράφει δεδομένα με το επίπεδο ακρίβειας που απαιτείται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή σας.
Συχνές ερωτήσεις
Τι θεωρείται «καλό» SNR για επιστημονικές κάμερες;
Το ιδανικό SNR εξαρτάται από την εφαρμογή. Για ιδιαίτερα απαιτητική, ποσοτική εργασία — όπως η μικροσκοπία φθορισμού ή η αστρονομία — συνιστάται γενικά ένα SNR άνω των 40 dB, καθώς παράγει εικόνες με ελάχιστο ορατό θόρυβο και διατηρεί τις μικρές λεπτομέρειες. Για γενική εργαστηριακή χρήση ή βιομηχανική επιθεώρηση, τα 35–40 dB μπορεί να είναι επαρκή. Οτιδήποτε κάτω από 30 dB συνήθως εμφανίζει ορατά κόκκους και μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ακρίβεια, ειδικά σε καταστάσεις χαμηλής αντίθεσης.
Πώς επηρεάζει η κβαντική απόδοση (QE) το SNR;
Η κβαντική απόδοση μετρά πόσο αποτελεσματικά ένας αισθητήρας μετατρέπει τα εισερχόμενα φωτόνια σε ηλεκτρόνια. Ένα υψηλότερο QE σημαίνει ότι περισσότερο από το διαθέσιμο φως συλλαμβάνεται ως σήμα, ενισχύοντας τον αριθμητή στην εξίσωση SNR. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε σενάρια χαμηλού φωτισμού, όπου κάθε φωτόνιο μετράει. Για παράδειγμα, μια κάμερα sCMOS με QE 80% θα επιτύχει υψηλότερο SNR υπό πανομοιότυπες συνθήκες σε σύγκριση με έναν αισθητήρα με 50% QE, απλώς επειδή συλλαμβάνει περισσότερο χρησιμοποιήσιμο σήμα.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ SNR και λόγου αντίθεσης προς θόρυβο (CNR);
Ενώ το SNR μετρά τη συνολική ισχύ του σήματος σε σχέση με τον θόρυβο, το CNR εστιάζει στην ορατότητα ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού σε σχέση με το φόντο του. Στην επιστημονική απεικόνιση, και τα δύο είναι σημαντικά: το SNR σας λέει πόσο «καθαρή» είναι η εικόνα συνολικά, ενώ το CNR καθορίζει εάν ένα συγκεκριμένο αντικείμενο ενδιαφέροντος ξεχωρίζει αρκετά για ανίχνευση ή μέτρηση.
Θέλετε να μάθετε περισσότερα; Ρίξτε μια ματιά σε σχετικά άρθρα:
Κβαντική Απόδοση σε Επιστημονικές Κάμερες: Οδηγός για Αρχάριους
Tucsen Photonics Co., Ltd. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Κατά την αναφορά, παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή:www.tucsen.com
