25.08.2019Teadusuuringutes täpsete ja usaldusväärsete piltide jäädvustamisel sõltub andmete kvaliteet enamast kui ainult eraldusvõimest või sensori suurusest. Üks olulisemaid – kuid mõnikord tähelepanuta jäetud – mõõdikuid on signaali-müra suhe (SNR). Kujutlussüsteemides määrab SNR, kui selgelt on võimalik eristada tegelikku signaali (kasulikku teavet) soovimatust mürast.
Teaduslikes pildistamisrakendustes, nagu mikroskoopia, astronoomia ja spektroskoopia, võib halb signaali-müra suhe (SNR) tähendada erinevust nõrga sihtmärgi tuvastamise ja selle täieliku märkamata jätmise vahel. See artikkel uurib, kuidas signaali-müra suhe (SNR) on defineeritud, miks see on oluline, kuidas see mõjutab kontrasti ning kuidas valida ja optimeerida teaduskaamerat selle kriitilise mõõdiku põhjal.
Mis on signaali ja müra suhe ja kuidas seda defineeritakse?
Signaali ja müra suhe (SNR) on meie pildikvaliteedi kõige olulisem mõõt, pildi kontrastsuse alus ja sageli kõige kasulikum määrav tegur kaamera tundlikkuse määramisel teie rakenduse jaoks.
Kaamera tundlikkuse parandamise katsed keskenduvad nii kogutud signaali parandamisele:
● Kvantefektiivsuse parandamise või pikslite suuruse suurendamise kaudu
● Kaamerast sõltuvate müraallikate vähendamine
Müraallikad summeeruvad, kuid olenevalt asjaoludest võib üks domineerida ning signaali-müra suhte parandamisel tuleks sellele keskenduda – kas seadete või seadistuse optimeerimise või paremate valgusallikate, optika ja kaamerate kasutuselevõtu kaudu.
Pilte kirjeldatakse tavaliselt ühe signaali-müra suhtega, näiteks väites, et pildi signaali-müra suhe on '15'. Nagu nimestki näha, sõltub signaali-müra suhe aga signaalist, mis on loomulikult iga piksli puhul erinev. Sellest saamegi oma pildi.
Kujutise signaali-müra suhe (SNR) viitab tavaliselt pildil oleva huvipakkuva signaali tippintensiivsuse suhtele. Näiteks tumedal taustal olevate fluorestseeruvate rakkude kujutise SNR-i puhul kasutatakse rakus oleva huvipakkuva struktuuri pikslite signaali-müra tippintensiivsust.
Näiteks kogu pildi signaali-müra suhte (SNR) keskmise väärtuse võtmine ei ole representatiivne. Selliste tehnikate puhul nagu fluorestsentsmikroskoopia, kus tume taust ilma tuvastatud footoniteta võib olla tavaline, on nende nullsignaaliga pikslite signaali-müra suhe null. Seega sõltuks pildi keskmine väärtus sellest, kui palju taustapiksleid oli vaateväljas.
Miks on signaali-müra suhe teaduskaamerate puhul oluline?
Teaduslikus pildistamises mõjutab signaali-müra suhe otseselt seda, kui hästi saate tuvastada nõrku detaile, mõõta kvantitatiivseid andmeid ja tulemusi taasesitada.
●Pildi selgus– Kõrgem signaali-müra suhe vähendab teralisust ja muudab peened struktuurid nähtavaks.
●Andmete täpsus– Vähendab intensiivsuspõhiste katsete mõõtmisvigu.
●Hämaras toimivus– Hädavajalik fluorestsentsmikroskoopia, süvataeva astrofotograafia ja spektroskoopia jaoks, kus footonite arv on loomulikult madal.
Olenemata sellest, kas kasutatesCMOS-kaameraKiire pildistamise või jahutatud CCD-sensori puhul pika säriajaga rakenduste jaoks aitab signaali-müra suhte mõistmine teil jõudluse osas kompromisse leida.
Kuidas signaali-müra suhe mõjutab pildi kontrastsust
Kontrastsus on pildi heledate ja tumedate alade intensiivsuse suhteline erinevus. Paljude rakenduste puhul on lõppeesmärk hea pildi kontrast huvipakkuvates piirkondades.
Kujutise kontrastsuse peamisteks määravateks teguriteks on pildistamisobjekt, optiline süsteem ja pildistamistingimused, näiteks objektiivi kvaliteet ja taustavalguse hulk.
●Kõrge signaali-müra→ Heledate ja tumedate alade selge eristus; servad on teravad; peened detailid jäävad nähtavaks.
●Madal signaali-müra→ Müra tõttu muutuvad tumedad alad heledamaks, heledad alad tuhmimaks ja pildi üldine kontrastsus lameneb.
Näiteks fluorestsentsmikroskoopias võib madal signaali-müra suhe panna nõrgalt fluorestseeruva proovi taustaga sulanduma, muutes kvantitatiivse analüüsi ebausaldusväärseks. Astronoomias võivad nõrgad tähed või galaktikad mürarikastes andmetes täielikult kaduda.
Siiski on ka kaameras endas tegureid – peamine tegur on signaali ja müra suhe. Lisaks, ja eriti hämaras, mängib pildi intensiivsuse skaleerimine ehk see, kuidas pilti monitoril kuvatakse, suurt rolli tajutava pildi kontrastsuse kujunemisel. Kui pildi tumedates piirkondades on palju müra, võivad automaatse pildi skaleerimise algoritmid madala väärtusega müraga pikslite tõttu seada alumise piiri liiga madalale, samas kui kõrge signaaliga pikslite müra suurendab ülemist piiri. See on madala signaali ja müra suhtega piltide iseloomuliku „pleekinud” halli välimuse põhjus. Parema kontrasti saab, kui alumine piir määratakse kaamera nihke järgi.
Teaduskaamerate signaali-müra suhet mõjutavad tegurid
Kaamerasüsteemi signaali-müra suhet mõjutavad mitmed konstruktsiooni- ja tööparameetrid:
Andurite tehnoloogia
● sCMOS – Ühendab madala lugemismüra ja kõrge kaadrisageduse, ideaalne dünaamiliseks pildistamiseks.
● CCD – pakub ajalooliselt pikkade säriaegadega vähe müra, kuid aeglasem kui tänapäevased CMOS-disainid.
● EMCCD – Kasutab nõrkade signaalide võimendamiseks kiibil võimendamist, kuid võib tekitada multiplikatiivset müra.
Piksli suurus ja täitetegur
Suuremad pikslid koguvad rohkem footoneid, suurendades signaali ja seega ka signaali-müra suhet.
Kvantefektiivsus (QE)
Kõrgem QE tähendab, et rohkem sissetulevaid footoneid muundatakse elektronideks, parandades signaali-müra suhet.
Kokkupuute aeg
Pikemad säritused koguvad rohkem footoneid, suurendades signaali, kuid võivad suurendada ka tumevoolu müra.
Jahutussüsteemid
Jahutus vähendab tumevoolu, parandades oluliselt signaali-müra suhet pikkade säriaegade korral.
Optika ja valgustus
Kvaliteetsed läätsed ja stabiilne valgustus maksimeerivad signaali jäädvustamist ja minimeerivad varieeruvust.
Erinevate tipp-SNR väärtuste näited
Pildistamisel viitab PSNR sageli pikslite küllastuse suhtes teoreetilisele maksimumile. Vaatamata pildistamisobjektide, pildistamistingimuste ja kaameratehnoloogia erinevustele võivad tavapäraste teaduskaamerate puhul sama signaali-müra suhtega piltidel olla sarnasusi. Teralisuse aste, kaadritevaheline varieeruvus ja teatud määral ka kontrastsus võivad kõik nendes erinevates tingimustes olla sarnased. Seetõttu on võimalik saada aru signaali-müra suhte väärtustest ning nendega kaasnevatest erinevatest tingimustest ja väljakutsetest representatiivsete piltide, näiteks tabelis näidatud piltide põhjal.
MÄRKUS: Iga rea fotoelektronide tippsignaali väärtused on esitatud sinisega. Kõik pildid kuvatakse automaatse histogrammi skaleerimisega, ignoreerides (küllastades) 0,35% kõige heledamatest ja tumedamatest pikslitest. Vasakpoolsed kaks pildiveergu: pildistamiskatse sihtmärgi läätsepõhine pildistamine. Parempoolsed neli veergu: 10x mikroskoobi objektiiviga fluorestsentsina jäädvustatud Ascaris. Piksliväärtuste kaadri-kaadri varieeruvuse illustreerimiseks madalama signaali-müra suhte korral on esitatud kolm järjestikust kaadrit.
Näidatud on nii testobjekti läätsepõhine pilt kui ka fluorestsentsmikroskoopia pilt ning fluorestsentspildi suumitud vaade, mis näitab muutust kolme järjestikuse kaadri jooksul. Samuti on esitatud iga signaalitaseme fotoelektronide tipparv.
Järgmisel joonisel on näidatud nende näidispiltide täisversioonid viitamiseks.
Signaali-müra suhte näidete tabelis kasutatud täissuuruses pildid
VasakuleObjektiiviga pildistatud pildistamise katseobjekt.
ParemAscaris nematoodi ussi lõikeproov, vaadatud fluorestsentsmikroskoopiaga 10-kordse suurendusega.
SNR rakendustes
SNR on missioonikriitiline mitmes valdkonnas:
● Mikroskoopia – Nõrga fluorestsentsi tuvastamine bioloogilistes proovides nõuab vale-negatiivsete tulemuste vältimiseks kõrget signaali-müra suhet.
● Astronoomia – kaugete galaktikate või eksoplaneetide tuvastamine nõuab pikka säriaega minimaalse müraga.
● Spektroskoopia – kõrge signaali-müra suhe tagab keemilise analüüsi puhul täpsed piigi intensiivsuse mõõtmised.
● Tööstuslik kontroll – Hämaras valgustatud konveierites aitab kõrge signaali-müra suhe defekte usaldusväärselt tuvastada.
Õige signaali-müra suhtega teaduskaamera valimine
Uue teaduskaamera hindamisel:
●Kontrollige signaali ja müra suhte spetsifikatsioone– Võrrelge dB väärtusi teie rakendusega sarnaste tingimuste korral.
●Tasakaalusta teisi mõõdikuid– Arvestage kvantefektiivsuse, dünaamilise ulatuse ja kaadrisagedusega.
●Tehnoloogia sobitamine kasutusjuhtumiga– Kiirete dünaamiliste stseenide jaoks võib ideaalne olla sCMOS-kaamera; ülihämaras valguses olevate staatiliste objektide puhul võib paremini toimida jahutatud CCD- või EMCCD-kaamera.
●Ühenduvus töövoo efektiivsuse tagamiseks– Kuigi sellised funktsioonid nagu HDMI-väljund ei mõjuta otseselt signaali-müra suhet (SNR), võimaldavad need piltide reaalajas ülevaatamist, aidates teil kiiresti kontrollida, kas teie pildivalimisseaded saavutavad soovitud signaali-müra suhte.
Kokkuvõte
Signaali-müra suhe (SNR) on peamine tulemuslikkuse näitaja, mis mõjutab otseselt teaduslike piltide selgust ja usaldusväärsust. SNR-i definitsiooni, seda mõjutavate tegurite ja erinevate SNR-i väärtuste mõju mõistmine võimaldab teadlastel ja tehnilistel kasutajatel pildisüsteeme tõhusamalt hinnata. Rakendades neid teadmisi – olgu siis uue valimiselteaduskaameravõi olemasoleva seadistuse optimeerimisel saate tagada, et teie pilditöötlusprotsess jäädvustab andmeid teie konkreetse rakenduse jaoks vajaliku täpsusega.
KKK
Millist signaali-müra suhet peetakse teaduskaamerate puhul heaks?
Ideaalne signaali-müra suhe (SNR) sõltub rakendusest. Väga nõudliku kvantitatiivse töö jaoks – näiteks fluorestsentsmikroskoopia või astronoomia – on üldiselt soovitatav signaali-müra suhe üle 40 dB, kuna see annab minimaalse nähtava müraga pilte ja säilitab peened detailid. Üldiseks laborikasutuseks või tööstuslikuks kontrolliks võib piisata väärtusest 35–40 dB. Kõik alla 30 dB näitab tavaliselt nähtavat teralisust ja võib täpsust kahjustada, eriti madala kontrastsusega olukordades.
Kuidas kvantefektiivsus (QE) mõjutab signaali-müra suhet?
Kvantefektiivsus mõõdab, kui tõhusalt andur sissetulevad footonid elektronideks muundab. Kõrgem kvantefektiivsus tähendab, et suurem osa saadaolevast valgusest jäädvustatakse signaalina, mis suurendab signaali-müra suhte (SNR) võrrandi lugejat. See on eriti oluline hämaras valguses, kus iga footon loeb. Näiteks 80% kvantefektiivsusega sCMOS-kaamera saavutab identsetes tingimustes kõrgema signaali-müra suhte võrreldes 50% kvantefektiivsusega anduriga, lihtsalt seetõttu, et see jäädvustab rohkem kasutatavat signaali.
Mis vahe on signaali-müra suhtel (SNR) ja kontrastsuse-müra suhtel (CNR)?
Kuigi signaali-müra suhe (SNR) mõõdab üldist signaali tugevust müra suhtes, keskendub signaali-müra suhe (CNR) konkreetse tunnuse nähtavusele tausta suhtes. Teaduslikus pildistamises on mõlemad olulised: signaali-müra suhe näitab, kui „puhas“ pilt üldiselt on, samas kui CNR määrab, kas konkreetne huvipakkuv objekt paistab piisavalt silma, et seda tuvastada või mõõta.
Kas soovite rohkem teada saada? Vaadake seotud artikleid:
Kvantefektiivsus teaduskaamerates: algajate juhend
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kõik õigused kaitstud. Tsiteerides palun viidata allikale:www.tucsen.com
