25.09.11Igas mõõtesüsteemis – alates traadita sidest kuni digitaalfotograafiani – on signaali-müra suhe (SNR) kvaliteedi põhinäitaja. Olenemata sellest, kas analüüsite teleskoobi pilte, parandate mikrofoni salvestusi või otsite traadita ühenduse tõrkeid, näitab SNR teile, kui palju kasulikku teavet soovimatust taustamürast esile tõuseb.
Kuid signaali-müra suhtarvu (SNR) õige arvutamine pole alati lihtne. Sõltuvalt süsteemist võib olla vaja arvestada lisategureid, nagu tumevool, lugemismüra või pikslite liigitamine. See juhend tutvustab teooriat, põhivalemeid, levinud vigu, rakendusi ja praktilisi viise signaali-müra suhtarvu parandamiseks, tagades, et saate seda täpselt rakendada erinevates kontekstides.
Mis on signaali-müra suhe (SNR)?
Signaali ja müra suhe mõõdab oma olemuselt soovitud signaali tugevuse ja seda varjava taustamüra vahelist suhet.
● Signaal = oluline teave (nt hääl kõnes, täht teleskoobi pildil).
● Müra = juhuslikud, soovimatud kõikumised, mis moonutavad või peidavad signaali (nt staatiline müra, anduri müra, elektrilised häired).
Matemaatiliselt defineeritakse signaali ja müra suhet järgmiselt:
Kuna need suhted võivad varieeruda paljude suurusjärkude võrra, väljendatakse signaali-müra suhet tavaliselt detsibellides (dB):
● Kõrge signaali-müra suhe (nt 40 dB): signaal domineerib, mille tulemuseks on selge ja usaldusväärne teave.
● Madal signaali-müra suhe (nt 5 dB): müra koormab signaali üle, muutes selle tõlgendamise keeruliseks.
Kuidas signaali-müra suhet arvutada
Signaali ja müra suhte arvutamine saab toimuda erineva täpsusega, olenevalt sellest, millised müraallikad on kaasatud. Selles osas tutvustatakse kahte vormi: üks, mis arvestab tumevoolu, ja teine, mis eeldab, et seda saab eirata.
Märkus: Sõltumatute müraväärtuste liitmine nõuab nende liitmist kvadratuuris. Iga müraallikas ruudustatakse, summeeritakse ja võetakse koguväärtusest ruutjuur.
Signaali ja müra suhe tumeda voolu korral
Järgnev on võrrand, mida kasutada olukordades, kus tumevoolu müra on piisavalt suur, et see kaasataks:
Siin on terminite definitsioon:
Signaal (e-): See on fotoelektronite puhul huvipakkuv signaal, millest on lahutatud tumevoolu signaal.
Kogusignaal (e-) on uuritava piksli fotoelektronide arv – mitte piksli väärtus halltoonide ühikutes. Signaali (e-) teine eksemplar võrrandi lõpus on footonite müra.
Tumevool (DC):Selle piksli tumevoolu väärtus.
t: Säriaeg sekundites
σr:Loe müra kaamerarežiimis.
Signaali ja müra suhe tühise tumeda voolu korral
Lühikeste (< 1 sekund) säriaegade ja jahutatud ning suure jõudlusega kaamerate puhul on tumevoolu müra üldiselt lugemismürast tunduvalt madalam ja seda on ohutu ignoreerida.
Kus terminid on taas eespool määratletud, välja arvatud see, et tumevoolu signaali ei ole vaja arvutada ja signaalist lahutada, kuna see peaks olema võrdne nulliga.
Nende valemite piirangud ja puuduvad terminid
Vastas olevad valemid annavad õiged vastused ainult CCD jaCMOS-kaameradEMCCD ja intensiivistatud seadmed toovad kaasa täiendavaid müraallikaid, seega ei saa neid võrrandeid kasutada. Täielikuma signaali-müra suhte võrrandi jaoks, mis arvestab neid ja teisi panuseid.
Teine müratermin, mida signaali-müra suhte (SNR) võrrandites sageli kasutatakse (või varem kasutati), on fotovastuse ebaühtlus (PRNU), mida mõnikord nimetatakse ka fikseeritud mustri müraks (FPN). See tähistab võimenduse ja signaali vastuse ebaühtlust anduril, mis võib piisavalt suurte signaalide korral domineerivaks muutuda, vähendades signaali-müra suhet.
Kuigi varajastel kaameratel oli PRNU piisavalt märkimisväärne, et selle lisamist vajada, siis enamikul tänapäevastelteaduskaameradomama piisavalt madalat PRNU-d, et selle panus oleks tunduvalt väiksem kui footonite müra, eriti pärast sisseehitatud korrektsioonide rakendamist. Seetõttu jäetakse see nüüd signaali-müra arvutustes tavaliselt tähelepanuta. PRNU on aga mõnede kaamerate ja rakenduste jaoks endiselt oluline ning on terviklikkuse huvides lisatud keerukamasse signaali-müra võrrandisse. See tähendab, et esitatud võrrandid on kasulikud enamiku CCD/CMOS-süsteemide jaoks, kuid neid ei tohiks käsitleda universaalselt rakendatavatena.
Müra tüübid signaali-müra suhte arvutustes
Signaali-müra suhte arvutamine ei seisne ainult signaali võrdlemises ühe müraväärtusega. Praktikas on kaasatud mitu sõltumatut müraallikat ja nende mõistmine on oluline.
Laskmüra
● Päritolu: footonite või elektronide statistiline saabumine.
● Skaalatakse signaali ruutjuurega.
● Domineeriv footonpiiratud pildistamisel (astronoomia, fluorestsentsmikroskoopia).
Termiline müra
● Seda nimetatakse ka Johnson-Nyquisti müraks ja see tekib elektronide liikumisel takistites.
● Suureneb temperatuuri ja ribalaiusega.
● Oluline elektroonikas ja traadita sides.
Tumevoolu müra
● Andurite tumevoolu juhuslik varieerumine.
● Olulisem pikkade säriaegade või soojadetektorite korral.
● Vähendatakse anduri jahutamise teel.
Loe müra
● Võimendite ja analoog-digitaalmuundamise müra.
● Fikseeritud näidu kohta, mis on madala signaali korral kriitilise tähtsusega.
Kvantimise müra
● Kasutusele võetud digiteerimise teel (ümardamine diskreetsetele tasemetele).
● Oluline madala bitisügavusega süsteemides (nt 8-bitine heli).
Keskkonna-/süsteemimüra
● Elektromagnetiline häire, läbikoste, toitepinge pulsatsioon.
● Võib domineerida, kui varjestus/maandus on halb.
Arusaamine, milline neist on domineeriv, aitab valida õige valemi ja leevendusmeetodi.
SNR-i arvutamise tavalised vead
Pildistamisel on signaali-müra suhte hindamiseks lihtne leida palju otsetee-meetodeid. Need on kas vähem keerukad kui vastasvõrrandid, võimaldavad pildist endast hõlpsamat tuletamist, ilma et see nõuaks kaamera parameetrite (nt lugemismüra) tundmist, või mõlemat. Kahjuks on tõenäoline, et igaüks neist meetoditest on vale ning viib moonutatud ja kasutute tulemusteni. Kõigil juhtudel on tungivalt soovitatav kasutada vastasvõrrandeid (või nende täiustatud versiooni).
Mõned kõige levinumad valed otseteed on järgmised:
1. Signaali intensiivsuse ja tausta intensiivsuse võrdlemine hallides toonides. See lähenemisviis püüab hinnata kaamera tundlikkust, signaali tugevust või signaali ja müra suhet, võrreldes tippintensiivsust tausta intensiivsusega. See lähenemisviis on sügavalt vigane, kuna kaamera nihke mõju võib tausta intensiivsust suvaliselt määrata, võimendus võib signaali intensiivsust suvaliselt määrata ning müra panust ei signaalis ega taustas ei arvestata.
2. Signaalitippude jagamine taustapikslite ala standardhälbega. Või tippväärtuste võrdlemine taustal oleva visuaalse müraga, mida näitab joonprofiil. Eeldades, et nihe on enne jagamist väärtustest õigesti lahutatud, on selle lähenemisviisi suurim oht taustavalguse olemasolu. Igasugune taustavalgus domineerib tavaliselt taustapikslite müra üle. Lisaks ei arvestata tegelikult üldse huvipakkuva signaali müra, näiteks kaadri müra.
3. Keskmine signaal huvipakkuvates pikslites vs piksliväärtuste standardhälve: Tippsignaali muutuse võrdlemine või jälgimine naaberpikslite või järjestikuste kaadrite lõikes on õigsem kui muud otseteed, kuid tõenäoliselt ei väldi see muid väärtusi moonutavaid mõjureid, näiteks signaali muutust, mis ei tulene mürast. See meetod võib olla ebatäpne ka võrdluses esineva väikese pikslite arvu tõttu. Samuti ei tohi unustada nihke väärtuse lahutamist.
4. Signaali-müra suhtarvu (SNR) arvutamine ilma fotoelektronide intensiivsusühikuteks teisendamiseta või nihet eemaldamata: kuna footonilöögi müra on tavaliselt suurim müraallikas ja selle mõõtmine sõltub kaamera nihke ja võimenduse tundmisest, ei ole signaali-müra arvutamisel võimalik vältida fotoelektronideni tagasiarvutamist.
5. Signaali-müra suhte (SNR) silmapõhine hindamine: Kuigi mõnel juhul võib SNR-i silmapõhine hindamine või võrdlemine olla kasulik, on sellega ka ootamatuid lõkse. SNR-i hindamine kõrge väärtusega pikslites võib olla keerulisem kui madala väärtusega või taustapikslites. Samuti võivad rolli mängida peenemad efektid: näiteks võivad erinevad arvutimonitorid renderdada pilte väga erineva kontrastsusega. Lisaks võib piltide kuvamine tarkvaras erinevatel suumitasemetel oluliselt mõjutada müra visuaalset väljanägemist. See on eriti problemaatiline, kui püütakse võrrelda kaameraid erineva objektiruumi pikslisuurusega. Lõpuks võib taustvalguse olemasolu tühistada igasuguse katse SNR-i visuaalselt hinnata.
SNR-i rakendused
SNR on universaalne mõõdik, millel on lai valik rakendusi:
● Heli ja muusika salvestamine: Määrab salvestiste selguse, dünaamilise ulatuse ja täpsuse.
● Traadita side: signaali ja müra suhe (SNR) on otseselt seotud bitivea määrade (BER) ja andmeedastuskiirusega.
● Teaduslik pildistamine: Astronoomias nõuab nõrkade tähtede tuvastamine taustal kumavas taevas kõrget signaali-müra suhet.
● Meditsiiniseadmed: EKG, MRI ja KT uuringud tuginevad signaalide eristamiseks füsioloogilisest mürast kõrgele signaali-müra suhtele.
● Kaamerad ja fotograafia: Nii tarbekaamerad kui ka teaduslikud CMOS-sensorid kasutavad signaali-müra suhet (SNR) hämaras valguses toimivuse hindamiseks.
Signaali-müra suhte parandamine
Kuna signaali-müra suhe (SNR) on nii kriitilise tähtsusega mõõt, tehakse selle täiustamiseks märkimisväärseid pingutusi. Strateegiad hõlmavad järgmist:
Riistvara lähenemisviisid
● Kasutage paremaid andureid, millel on väiksem tumevool.
● Elektromagnetiliste häirete vähendamiseks rakendage varjestust ja maandust.
● Jahutage detektoreid termilise müra summutamiseks.
Tarkvara lähenemisviisid
● Soovimatute sageduste eemaldamiseks rakendage digitaalseid filtreid.
● Kasutage mitme kaadri keskmistamist.
● Kasutage pildistamisel või heli töötlemisel mürasummutusalgoritme.
Pikslite lahtrisse jaotamine ja selle mõju signaali-mürale (SNR)
Pööratud jagamise mõju signaali-müra suhtele sõltub kaamera tehnoloogiast ja andurite käitumisest, kuna pöördvõrranditega ja pöördvõrranditeta kaamerate müratase võib oluliselt erineda.
CCD-kaamerad suudavad külgnevate pikslite laengut kiibil summeerida. Lugemismüra tekib ainult üks kord, kuigi ka iga piksli tumevoolu signaal summeeritakse.
Enamik CMOS-kaameraid teostab kiibil põhinevat liigitamist, mis tähendab, et esmalt mõõdetakse väärtused (tekitatakse lugemismüra) ja seejärel summeeritakse digitaalselt. Selliste summeerimiste lugemismüra suureneb summeeritud pikslite arvu ruutjuurega korrutamise teel, st 2x2 liigitamise korral kahekordseks.
Kuna andurite müra käitumine võib olla keeruline, on kvantitatiivsete rakenduste puhul soovitatav mõõta kaamera nihet, võimendust ja lugemismüra lahterdatud režiimis ning kasutada neid väärtusi signaali-müra suhte võrrandi jaoks.
Kokkuvõte
Signaali-müra suhe (SNR) on üks olulisemaid mõõdikuid teaduses, inseneriteaduses ja tehnoloogias. Alates telefonikõnede selguse määratlemisest kuni kaugete galaktikate avastamise võimaldamiseni on SNR mõõtmis- ja sidesüsteemide kvaliteedi alus. SNR-i valdamine ei seisne ainult valemite meeldejätmises – see hõlmab eelduste, piirangute ja reaalsete kompromisside mõistmist. Sellest vaatenurgast saavad insenerid ja teadlased teha usaldusväärsemaid mõõtmisi ja kujundada süsteeme, mis annavad olulist teavet isegi mürarikastes tingimustes.
Kas soovite rohkem teada saada? Vaadake seotud artikleid:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kõik õigused kaitstud. Tsiteerides palun viidake allikale:www.tucsen.com
