2011/09/25Edozein neurketa-sistematan —haririk gabeko komunikaziotik hasi eta argazkigintza digitaleraino—, seinale-zarata erlazioa (SNR) kalitatearen oinarrizko erreferentzia da. Teleskopioko irudiak aztertzen, mikrofonoen grabazioak hobetzen edo haririk gabeko lotura baten arazoak konpontzen ari zaren ala ez, SNR-k zenbat informazio erabilgarri nabarmentzen den nahi ez den atzeko planoko zaratatik esaten dizu.
Baina SNR behar bezala kalkulatzea ez da beti erraza izaten. Sistemaren arabera, beste faktore batzuk ere kontuan hartu beharko dira, hala nola korronte iluna, irakurketa-zarata edo pixelen multzokatzea. Gida honek teoria, oinarrizko formulak, ohiko akatsen, aplikazioen eta SNR hobetzeko modu praktikoen bidez gidatuko zaitu, testuinguru sorta zabal batean zehaztasunez aplikatu ahal izateko.
Zer da seinale-zarata erlazioa (SNR)?
Funtsean, seinale-zarata erlazioak nahi den seinalearen indarraren eta hura estaltzen duen atzeko plano-zarataren arteko erlazioa neurtzen du.
● Seinalea = informazio esanguratsua (adibidez, dei bateko ahotsa, teleskopio bateko irudi bateko izarra).
● Zarata = seinalea distortsionatzen edo ezkutatzen duten ausazko eta nahi gabeko gorabeherak (adibidez, estatikoa, sentsore-zarata, interferentzia elektrikoa).
Matematikoki, SNR honela definitzen da:
Ratio hauek magnitude-ordena askotan alda daitezkeenez, SNR normalean dezibelioetan (dB) adierazten da:
● SNR altua (adibidez, 40 dB): seinalea nagusi da, informazio argi eta fidagarria lortuz.
● SNR baxua (adibidez, 5 dB): zaratak seinalea gainditzen du, interpretazioa zailduz.
Nola kalkulatu SNR
Seinale-zarata erlazioaren kalkulua zehaztasun maila desberdinekin egin daiteke, sartutako zarata iturrien arabera. Atal honetan, bi forma aurkeztuko dira: bata korronte iluna kontuan hartzen duena eta bestea baztertu daitekeela suposatzen duena.
Oharra: Zarata-balio independenteak gehitzeko, koadraturan batu behar dira. Zarata-iturri bakoitza karratu egiten da, batu egiten da eta guztizkoaren erro karratua hartzen da.
Seinale-zarata erlazioa korronte ilunarekin
Honako hau da erabili beharreko ekuazioa korronte ilunaren zarata nahikoa handia denean, inklusioa behar izateko:
Hona hemen terminoen definizioa:
Seinalea (e-): Fotoelektroietan interesatzen den seinalea da hau, korronte ilunaren seinalea kenduta.
Seinale osoa (e-) intereseko pixeleko fotoelektroien kopurua izango da – ez pixelen balioa gris maila unitateetan. Seinalearen (e-) bigarren instantzia, ekuazioaren behealdean, fotoi jaurtiketaren zarata da.
Iluntasun-korrontea (DC):Pixel horren iluntasun-korrontearen balioa.
t: Esposizio-denbora segundotan
σr:Irakurri zarata kamera moduan.
Seinale-zarata erlazioa korronte ilun hutsalarentzat
Kasu laburretan (< 1 segundo) esposizio-denborak, gehi hoztutako errendimendu handiko kamerak, korronte ilunaren zarata normalean irakurketa-zarataren azpitik egongo da, eta segurtasunez baztertuko da.
Non terminoak berriro ere goian definitutako bezalakoak diren, salbuespenarekin ez da iluntasun-korrontearen seinalea kalkulatu eta seinaletik kendu behar, zero izan beharko lukeelako.
Formula hauen mugak eta falta diren terminoak
Aurkako formulek CCDrako eta -rako erantzun zuzenak bakarrik emango dituzte.CMOS kamerakEMCCD eta gailu indartuek zarata-iturri gehigarriak sartzen dituzte, beraz, ekuazio hauek ezin dira erabili. Seinale-zarata erlazioaren ekuazio osoagoa lortzeko, ekarpen hauek eta beste batzuk kontuan hartzen dituena.
Beste zarata-termino bat, SNR ekuazioetan maiz sartzen dena (edo izaten zena), fotoerantzun ez-uniformea (PRNU) da, batzuetan "eredu finkoaren zarata" (FPN) ere deitzen dena. Sentsorearen irabaziaren eta seinale-erantzunaren irregulartasuna adierazten du, eta seinale altuetan nagusi bihur daiteke, nahikoa handia bada, SNR murriztuz.
Lehen kamerek PRNU nahikoa zuten hura sartzea eskatzeko, moderno gehienekkamera zientifikoakPRNU nahikoa baxua dute fotoi-jaurtiketa zarataren azpitik egiteko, batez ere barneko zuzenketak aplikatu ondoren. Beraz, orain normalean SNR kalkuluetan baztertzen da. Hala ere, PRNU oraindik garrantzitsua da kamera eta aplikazio batzuetarako, eta SNR ekuazio aurreratuagoetan sartzen da osotasunagatik. Horrek esan nahi du emandako ekuazioak CCD/CMOS sistema gehienentzat erabilgarriak direla, baina ez direla unibertsalki aplikagarritzat hartu behar.
Zarata motak SNR kalkuluetan
SNR kalkulatzea ez da soilik seinale bat zarata-balio bakar batekin alderatzea. Praktikan, hainbat zarata-iturri independentek laguntzen dute, eta ezinbestekoa da horiek ulertzea.
Jaurtiketa-zarata
● Jatorria: fotoien edo elektroien etorrera estatistikoa.
● Seinalearen erro karratuarekin eskalatzen du.
● Nagusia fotoi mugatuko irudigintzan (astronomia, fluoreszentzia mikroskopia).
Zarata termikoa
● Johnson-Nyquist zarata ere deitzen zaio, erresistentzietan elektroien mugimenduak sortzen duena.
● Tenperaturarekin eta banda-zabalerarekin handitzen da.
● Elektronika eta haririk gabeko komunikazioan garrantzitsua.
Korronte ilunaren zarata
● Sentsoreen barruko korronte ilunaren ausazko aldaketa.
● Esposizio luzeetan edo detektagailu beroetan esanguratsuagoa.
● Sentsorea hoztean murrizten da.
Irakurri zarata
● Anplifikadoreetatik eta analogiko-digital bihurketatik datorren zarata.
● Irakurketa bakoitzeko finkoa, seinale baxuko erregimenetan hain kritikoa.
Kuantizazio-zarata
● Digitalizazioaren bidez sartua (maila diskretuetara biribiltzea).
● Garrantzitsua bit-sakonera baxuko sistemetan (adibidez, 8 biteko audioa).
Ingurumen/Sistema Zarata
● EMI, diafonia, elikatze-iturriaren uhindura.
● Nagusi izan daiteke babesa/lurreratzea eskasa bada.
Hauetatik zein den nagusi ulertzeak formula eta arintze-metodo egokia aukeratzen laguntzen du.
SNR kalkulatzerakoan ohiko akatsak
Erraza da irudigintzan seinale-zarata erlazioa kalkulatzeko "lasterbide" metodo asko aurkitzea. Hauek aurkako ekuazioak baino konplexuagoak izan ohi dira, edo iruditik bertatik errazago deribatzea ahalbidetzen dute, kameraren parametroak (irakurketa-zarata bezalakoak) ezagutu beharrean, edo biak. Zoritxarrez, litekeena da metodo horietako bakoitza okerra izatea, eta emaitza okerrak eta lagungarriak ez izatea. Oso gomendagarria da aurkako ekuazioak (edo bertsio aurreratua) erabiltzea kasu guztietan.
Lasterbide faltsu ohikoenetako batzuk hauek dira:
1. Seinalearen intentsitatea atzeko planoaren intentsitatearekin alderatzea, gris mailatan. Ikuspegi honek kameraren sentikortasuna, seinalearen indarra edo seinale-zarata erlazioa epaitzen saiatzen da, gailur intentsitatea atzeko planoaren intentsitatearekin alderatuz. Ikuspegi hau oso akastuna da, kameraren desplazamenduaren eraginak atzeko planoaren intentsitatea arbitrarioki ezar baitezake, irabaziak seinalearen intentsitatea arbitrarioki ezar baitezake, eta ez da zarataren ekarpenik kontuan hartzen, ez seinalean ez atzeko planoan.
2. Seinaleen gailurrak atzeko planoko pixelen eremu baten desbideratze estandarrarekin zatitzea. Edo, gailurren balioak lerro-profil batek agerian uzten duen atzeko planoko zarata bisualarekin alderatzea. Zatiketaren aurretik desplazamendua balioetatik behar bezala kentzen dela suposatuz, hurbilketa honen arriskurik esanguratsuena atzeko planoko argiaren presentzia da. Atzeko planoko edozein argik normalean nagusituko da atzeko planoko pixeletako zarata. Gainera, intereseko seinaleko zarata, hala nola jaurtiketa-zarata, ez da batere kontuan hartzen.
3. Intereseko pixeletako batez besteko seinalea pixelen balioen desbideratze estandarraren arabera: Seinale baten aldaketa inguruko pixeletan edo fotograma jarraituetan alderatzea edo behatzea zuzentasunetik gertuago dago beste lasterbide-metodo batzuek baino, baina ez du litekeena balioak distortsionatzen dituzten beste eragin batzuk saihestea, hala nola zaratatik eratorria ez den seinalearen aldaketa. Metodo hau ere zehaztugabea izan daiteke konparazioan pixel kopuru txikia dagoelako. Ez da ahaztu behar desplazamendu-balioaren kenketa ere.
4. SNR kalkulatzea fotoelektroien intentsitate-unitateetara bihurtu gabe edo desplazamendua kendu gabe: Fotoi-jaurtiketaren zarata normalean zarata-iturri handiena denez eta kameraren desplazamenduaren eta irabaziaren ezagutzan oinarritzen denez neurketarako, ezinezkoa da fotoelektroietara itzultzea SNR kalkuluetarako.
5. SNR begiz epaitzea: Zenbait kasutan SNR begiz epaitzea edo alderatzea erabilgarria izan daitekeen arren, ustekabeko oztopoak ere badaude. Balio handiko pixeletan SNR epaitzea zailagoa izan daiteke balio txikiagoko edo atzeko planoko pixeletan baino. Efektu sotilagoek ere eragina izan dezakete: adibidez, ordenagailu monitore ezberdinek kontraste oso desberdineko irudiak errendatu ditzakete. Gainera, softwarean zoom maila desberdinetan irudiak bistaratzea nabarmen eragin dezake zarataren itxura bisualean. Hori bereziki arazoa da objektu espazioko pixel tamaina desberdineko kamerak alderatzen saiatzen badira. Azkenik, atzeko planoko argiaren presentziak baliogabetu dezake SNR bisualki epaitzeko edozein saiakera.
SNRren aplikazioak
SNR aplikazio ugari dituen metrika unibertsala da:
● Audio eta musika grabaketa: Grabazioen argitasuna, gama dinamikoa eta fideltasuna zehazten ditu.
● Haririk gabeko komunikazioa: SNR-k zuzenean erlazionatzen du bit errore tasak (BER) eta datuen transmisioa.
● Irudi zientifikoak: Astronomian, zeruko distiraren aurrean izar ahulak detektatzeko, SNR handia behar da.
● Ekipamendu medikoa: EKG, MRI eta CT eskanerrek SNR altua erabiltzen dute seinaleak zarata fisiologikotik bereizteko.
● Kamerak eta argazkilaritza: Kontsumitzaileen kamerek eta CMOS sentsore zientifikoek SNR erabiltzen dute argi gutxiko errendimendua alderatzeko.
SNR hobetzea
SNR neurri kritikoa denez, ahalegin handia egiten da hobetzeko. Estrategien artean daude:
Hardware ikuspegiak
● Erabili sentsore hobeak iluntasun-korronte txikiagoarekin.
● Aplikatu babesa eta lurrerako konexioa EMI murrizteko.
● Detektagailuak hoztu zarata termikoa kentzeko.
Software ikuspegiak
● Aplikatu iragazki digitalak nahi ez diren maiztasunak kentzeko.
● Erabili batez bestekoa hainbat fotogramatan zehar.
● Zarata murrizteko algoritmoak erabili irudien edo audioaren prozesamenduan.
Pixel Binning-a eta bere eragina SNR-an
Binning-ak seinale-zarata erlazioan duen eragina kameraren teknologiaren eta sentsorearen portaeraren araberakoa da, kameren zarata-errendimendua nabarmen alda baitaiteke.
CCD kamerek ondoz ondoko pixelen karga 'txipean' batu dezakete. Irakurketa-zarata behin bakarrik sortzen da, nahiz eta pixel bakoitzetik datorren korronte ilunaren seinalea ere batu egingo den.
CMOS kamera gehienek txiparen kanpoko binning-a egiten dute, hau da, balioak lehenik neurtzen dira (eta irakurketa-zarata sartzen da), eta gero digitalki batzen dira. Batuketa horien irakurketa-zarata handitzen da batutako pixel kopuruaren erro karratuarekin biderkatuz, hau da, 2 faktore batez 2x2 binning-arentzat.
Sentsoreen zarataren portaera konplikatua izan daitekeenez, aplikazio kuantitatiboetarako komenigarria da kameraren desplazamendua, irabazia eta irakurketa-zarata neurtzea multzokatutako moduan, eta balio horiek erabiltzea seinale-zarata erlazioaren ekuaziorako.
Ondorioa
Seinale-zarata erlazioa (SNR) zientzian, ingeniaritzan eta teknologian neurri garrantzitsuenetako bat da. Telefono-deien argitasuna definitzetik hasi eta galaxia urrunak detektatzea ahalbidetzeraino, SNR-k neurketa- eta komunikazio-sistemen kalitatea oinarritzen du. SNR menperatzea ez da formulak memorizatzea bakarrik, baizik eta hipotesiak, mugak eta benetako munduko konpromisoak ulertzea. Ikuspegi honetatik, ingeniariek eta ikertzaileek neurketa fidagarriagoak egin ditzakete eta informazio esanguratsua ateratzen duten sistemak diseinatu, zarata-baldintzetan ere.
Gehiago jakin nahi duzu? Begiratu erlazionatutako artikuluak:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
