25/08/19A la hora de capturar imágenes precisas y fiables en la investigación científica, la calidad de los datos depende de mucho más que la resolución o el tamaño del sensor. Una de las métricas más importantes, aunque a veces pasada por alto, es la relación señal-ruido (SNR). En los sistemas de imagen, la SNR determina la claridad con la que se puede distinguir la señal real (información útil) del ruido no deseado.
En aplicaciones de imágenes científicas como la microscopía, la astronomía y la espectroscopia, una relación señal-ruido (SNR) deficiente puede marcar la diferencia entre detectar un objetivo débil o no detectarlo por completo. Este artículo explora cómo se define la SNR, su importancia, cómo afecta al contraste y cómo seleccionar y optimizar una cámara científica basándose en esta métrica crucial.
¿Qué es la relación señal-ruido y cómo se define?
La relación señal/ruido (SNR) es la medida más importante de nuestra calidad de imagen, fundamental en el contraste de la imagen y, a menudo, el factor determinante más útil para saber si una cámara es lo suficientemente sensible para su aplicación.
Los intentos de mejorar la sensibilidad de la cámara giran en torno a mejorar la señal recogida:
● Mediante mejoras en la eficiencia cuántica o un aumento en el tamaño del píxel
● Reducción de las fuentes de ruido que dependen de la cámara
Las fuentes de ruido se suman, pero dependiendo de las circunstancias, una puede dominar y es en ella en lo que se debe concentrar el esfuerzo cuando se intenta mejorar la relación señal/ruido (SNR), ya sea optimizando la configuración o la configuración, o actualizando a mejores fuentes de luz, ópticas y cámaras.
Es común describir las imágenes en términos de una única relación señal-ruido; por ejemplo, se afirma que una imagen tiene una relación señal-ruido de 15. Sin embargo, como su nombre lo indica, la relación señal-ruido depende de la señal, que, por supuesto, será diferente para cada píxel. Esto es lo que nos da la imagen.
La relación señal-ruido (SNR) de una imagen se refiere típicamente a la relación señal-ruido (SNR) de la señal pico de interés dentro de la imagen. Por ejemplo, la relación señal-ruido (SNR) de una imagen de células fluorescentes sobre un fondo oscuro utilizaría la intensidad de la señal pico de los píxeles de una estructura de interés dentro de la célula.
No es representativo, por ejemplo, tomar un valor medio para la relación señal-ruido (SNR) de toda la imagen. En técnicas como la microscopía de fluorescencia, donde un fondo oscuro sin fotones detectados puede ser común, estos píxeles de señal cero tienen una relación señal-ruido (SNR) de cero. Por lo tanto, cualquier promedio de una imagen dependería de cuántos píxeles de fondo se vieran.
Por qué la relación señal/ruido (SNR) es importante para las cámaras científicas
En imágenes científicas, la relación señal/ruido (SNR) afecta directamente la capacidad para identificar detalles tenues, medir datos cuantitativos y reproducir resultados.
●Claridad de la imagen– Una relación señal/ruido (SNR) más alta reduce la granulosidad y hace visibles las estructuras finas.
●Precisión de los datos– Reduce los errores de medición en experimentos basados en la intensidad.
●Rendimiento con poca luz– Esencial para la microscopía de fluorescencia, la astrofotografía de cielo profundo y la espectroscopia, donde los recuentos de fotones son naturalmente bajos.
Ya sea que estés usando uncámara sCMOSPara imágenes de alta velocidad o un CCD refrigerado para aplicaciones de exposición prolongada, comprender la relación señal/ruido (SNR) le ayudará a equilibrar las compensaciones de rendimiento.
Cómo influye la relación señal/ruido (SNR) en el contraste de la imagen
El contraste es la diferencia relativa de intensidad entre las áreas claras y oscuras de una imagen. Para muchas aplicaciones, el objetivo final es un buen contraste de imagen dentro de las áreas de interés.
Hay muchos factores dentro del sujeto de la imagen, el sistema óptico y las condiciones de la imagen que son los principales factores determinantes del contraste de la imagen, como la calidad de la lente y la cantidad de luz de fondo.
●Alta relación señal-ruido (SNR)→ Separación clara entre regiones brillantes y oscuras; los bordes aparecen nítidos; los detalles sutiles permanecen visibles.
●Baja relación señal-ruido (SNR)→ Las áreas oscuras se vuelven más brillantes debido al ruido, las áreas brillantes se vuelven más tenues y el contraste general de la imagen se aplana.
Por ejemplo, en microscopía de fluorescencia, una baja relación señal-ruido (SNR) puede hacer que una muestra débilmente fluorescente se mezcle con el fondo, lo que hace que el análisis cuantitativo sea poco fiable. En astronomía, las estrellas o galaxias tenues pueden desaparecer por completo en datos con ruido.
Sin embargo, también existen factores dentro de la propia cámara, siendo el principal la relación señal-ruido. Además, y especialmente con poca luz, el escalado de intensidad de la imagen (la forma en que se muestra la imagen en el monitor) influye considerablemente en el contraste percibido. Con mucho ruido en las zonas oscuras de la imagen, los algoritmos de escalado automático pueden tener su límite inferior demasiado bajo debido a píxeles ruidosos de bajo valor, mientras que el límite superior aumenta debido al ruido en píxeles de alta señal. Esta es la causa del característico aspecto gris "descolorido" de las imágenes con baja relación señal-ruido. Se puede obtener un mejor contraste ajustando el límite inferior al desplazamiento de la cámara.
Factores que afectan la relación señal/ruido (SNR) en cámaras científicas
Varios parámetros de diseño y funcionamiento influyen en la relación señal/ruido (SNR) de un sistema de cámara:
Tecnología de sensores
● sCMOS: combina bajo ruido de lectura y altas velocidades de cuadro, ideal para imágenes dinámicas.
● CCD: históricamente ofrece bajo ruido en exposiciones prolongadas, pero más lento que los diseños CMOS modernos.
● EMCCD: utiliza amplificación en chip para potenciar señales débiles, pero puede introducir ruido multiplicativo.
Tamaño de píxel y factor de relleno
Los píxeles más grandes recogen más fotones, lo que aumenta la señal y, por tanto, la relación señal/ruido (SNR).
Eficiencia cuántica (QE)
Un QE más alto significa que más fotones entrantes se convierten en electrones, lo que mejora la relación señal/ruido (SNR).
Tiempo de exposición
Las exposiciones más prolongadas recogen más fotones, lo que aumenta la señal, pero también pueden incrementar el ruido de la corriente oscura.
Sistemas de refrigeración
El enfriamiento reduce la corriente oscura, lo que mejora significativamente la relación señal/ruido (SNR) para exposiciones prolongadas.
Óptica e Iluminación
Las lentes de alta calidad y la iluminación estable maximizan la captura de señal y minimizan la variabilidad.
Ejemplos de diferentes valores pico de SNR
En el campo de la imagen, la PSNR suele referirse a un máximo teórico relativo a la saturación de píxeles. A pesar de las diferencias en los sujetos, las condiciones de imagen y la tecnología de la cámara, en las cámaras científicas convencionales, las imágenes con la misma relación señal-ruido pueden presentar similitudes. El grado de granulosidad, la variación entre fotogramas y, en cierta medida, el contraste, pueden ser similares en estas diferentes condiciones. Por lo tanto, es posible comprender los valores de la SNR y las diferentes condiciones y desafíos que conllevan a partir de imágenes representativas, como las que se muestran en la tabla.
NOTA: Los valores pico de la señal en fotoelectrones de cada fila se muestran en azul. Todas las imágenes se muestran con escalado automático de histograma, ignorando (saturando) el 0,35 % de los píxeles más brillantes y más oscuros. Dos columnas de imágenes a la izquierda: Imágenes obtenidas con una lente de un objetivo de prueba. Cuatro columnas a la derecha: Áscaris capturados en fluorescencia con un objetivo de microscopio de 10x. Para ilustrar las variaciones fotograma a fotograma en los valores de los píxeles con una relación señal/ruido (SNR) menor, se muestran tres fotogramas consecutivos.
Se muestran una imagen de un objetivo de prueba, una imagen de microscopía de fluorescencia y una vista ampliada de la imagen fluorescente que muestra la variación en tres fotogramas sucesivos. También se indica el recuento máximo de fotoelectrones en cada nivel de señal.
La siguiente figura muestra las versiones completas de estas imágenes de ejemplo como referencia.
Tabla de ejemplos de relación señal-ruido con imágenes de tamaño completo utilizadas
Izquierda:Un objetivo de prueba de imágenes fotografiado con una lente.
Bien:Una muestra de una sección del gusano nematodo Ascaris observada con microscopía de fluorescencia con un aumento de 10x.
SNR en aplicaciones
La relación señal-ruido (SNR) es fundamental en diversos campos:
● Microscopía: la detección de fluorescencia tenue en muestras biológicas requiere una relación señal-ruido (SNR) alta para evitar falsos negativos.
● Astronomía: la identificación de galaxias distantes o exoplanetas requiere exposiciones prolongadas con un ruido mínimo.
● Espectroscopía: una alta relación señal-ruido (SNR) garantiza mediciones precisas de intensidad de pico en el análisis químico.
● Inspección industrial: en líneas de montaje con poca luz, una relación señal-ruido (SNR) alta ayuda a detectar defectos de manera confiable.
Cómo elegir una cámara científica con la relación señal/ruido adecuada
Al evaluar una nueva cámara científica:
●Consulte las especificaciones SNR– Compare los valores de dB en condiciones similares a su aplicación.
●Equilibrar otras métricas– Considere la eficiencia cuántica, el rango dinámico y la velocidad de cuadros.
●Adaptar la tecnología al caso de uso– Para escenas dinámicas de alta velocidad, una cámara sCMOS puede ser ideal; para sujetos estáticos con luz ultrabaja, un CCD refrigerado o un EMCCD pueden funcionar mejor.
●Conectividad para la eficiencia del flujo de trabajo– Si bien no afectan directamente la relación señal-ruido (SNR), las funciones como la salida HDMI pueden permitir la revisión de imágenes en tiempo real, lo que le ayuda a verificar rápidamente que sus configuraciones de adquisición logren la relación señal-ruido (SNR) deseada.
Conclusión
La relación señal-ruido (SNR) es una métrica clave de rendimiento que influye directamente en la claridad y la fiabilidad de las imágenes científicas. Comprender cómo se define la SNR, los factores que la afectan y las implicaciones de los diferentes valores de la SNR permite a investigadores y usuarios técnicos evaluar los sistemas de imágenes con mayor eficacia. Al aplicar este conocimiento, ya sea al seleccionar un nuevo...cámara científicao bien optimizar una configuración existente: puede asegurarse de que su flujo de trabajo de imágenes capture datos con el nivel de precisión requerido para su aplicación específica.
Preguntas frecuentes
¿Qué se considera una relación señal/ruido (SNR) “buena” para las cámaras científicas?
La relación señal-ruido (SNR) ideal depende de la aplicación. Para trabajos cuantitativos altamente exigentes, como la microscopía de fluorescencia o la astronomía, generalmente se recomienda una relación señal-ruido (SNR) superior a 40 dB, ya que produce imágenes con mínimo ruido visible y conserva los detalles finos. Para uso general en laboratorios o inspecciones industriales, entre 35 y 40 dB puede ser suficiente. Cualquier valor inferior a 30 dB suele mostrar grano visible y puede comprometer la precisión, especialmente en situaciones de bajo contraste.
¿Cómo afecta la eficiencia cuántica (QE) a la relación señal-ruido (SNR)?
La eficiencia cuántica mide la eficacia con la que un sensor convierte los fotones entrantes en electrones. Una QE más alta significa que una mayor cantidad de luz disponible se captura como señal, lo que aumenta el numerador en la ecuación de la relación señal-ruido (SNR). Esto es especialmente importante en condiciones de poca luz, donde cada fotón cuenta. Por ejemplo, una cámara sCMOS con una QE del 80 % alcanzará una SNR más alta en condiciones idénticas que un sensor con una QE del 50 %, simplemente porque captura una señal más útil.
¿Cuál es la diferencia entre SNR y relación contraste-ruido (CNR)?
Mientras que la relación señal-ruido (SNR) mide la intensidad general de la señal en relación con el ruido, la relación señal-ruido (CNR) se centra en la visibilidad de una característica específica respecto a su fondo. En la imagen científica, ambos son importantes: la relación señal-ruido (SNR) indica la nitidez general de la imagen, mientras que la relación señal-ruido (CNR) determina si un objeto de interés en particular destaca lo suficiente para su detección o medición.
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