2019/08/25Ikerketa zientifikoetan irudi zehatz eta fidagarriak ateratzeko orduan, datuen kalitatea bereizmenaren edo sentsorearen tamainaren araberakoa ez da soilik. Neurketa garrantzitsuenetako bat —baina batzuetan ahaztu egiten dena— seinale-zarata erlazioa (SNR) da. Irudi sistemetan, SNR-k zehazten du zein argi bereiz dezakezun benetako seinalea (informazio erabilgarria) nahi ez den zaratatik.
Mikroskopia, astronomia eta espektroskopia bezalako irudi zientifikoen aplikazioetan, SNR eskas batek aldea eragin dezake helburu ahul bat detektatzearen eta erabat galtzearen artean. Artikulu honek SNR nola definitzen den aztertzen du, zergatik den garrantzitsua, nola eragiten dion kontrasteari eta nola hautatu eta optimizatu kamera zientifiko bat metrika kritiko honetan oinarrituta.
Zer da seinale-zarata erlazioa eta nola definitzen da?
Seinale-zarata erlazioa (SNR) gure irudiaren kalitatearen neurririk garrantzitsuena da, funtsezkoa irudiaren kontrastean, eta askotan kamera bat zure aplikaziorako nahikoa sentikorra den ala ez zehazteko faktore erabilgarriena.
Kameraren sentikortasuna hobetzeko ahaleginak bi hauek dira: bildutako seinalea hobetzea:
● Kuantikoaren eraginkortasunaren hobekuntzen edo pixelen tamaina handitzearen bidez
● Kameraren menpeko zarata-iturriak murriztea
Zarata-iturriak metatzen dira, baina egoeraren arabera norberak menderatu dezake, eta horretan jarri behar da arreta SNR hobetzen saiatzean – ezarpenak edo konfigurazioa optimizatuz, edo argi-iturri, optika eta kamera hobeak erabiliz.
Irudiak seinale-zarata erlazio bakar baten arabera deskribatzea ohikoa da laburdura gisa, adibidez, irudi batek '15' SNR duela esanez. Hala ere, izenak berak dioen bezala, seinale-zarata erlazioa seinalearen araberakoa da, eta noski, pixel bakoitzarentzat desberdina izango da. Horrek ematen digu gure irudia.
Irudi baten SNR-ak normalean irudiaren barruko intereseko seinale maximoaren SNR-ari egiten dio erreferentzia. Adibidez, atzealde ilun batean dauden zelula fluoreszenteen irudi baten SNR-ak zelularen barruko intereseko egitura baten pixelen seinale maximoaren intentsitatea erabiliko luke.
Ez da adierazgarria irudi osoaren SNR-aren batez besteko balioa hartzea, adibidez. Fluoreszentzia mikroskopia bezalako tekniketan, non zero fotoi detektatutako atzeko plano iluna ohikoa izan daitekeen, zero seinaleko pixel hauek zero SNR dute. Beraz, irudi bateko edozein batez besteko ikusgai dauden atzeko planoko pixelen araberakoa izango litzateke.
Zergatik den garrantzitsua SNR kamera zientifikoetarako
Irudi zientifikoetan, SNR-k zuzenean eragiten du xehetasun ahulak identifikatzen, datu kuantitatiboak neurtzen eta emaitzak erreproduzitzen dituzunean.
●Irudiaren argitasuna– SNR altuagoak pikortasuna murrizten du eta egitura finak ikusgai egiten ditu.
●Datuen zehaztasuna– Intentsitatean oinarritutako esperimentuetan neurketa-erroreak murrizten ditu.
●Argi gutxiko errendimendua– Ezinbestekoa fluoreszentzia mikroskopiarako, zeru sakoneko astroargazkilaritzarako eta espektroskopiarako, non fotoi kopurua naturalki baxua den.
Erabiltzen ari zaren ala ezsCMOS kameraAbiadura handiko irudietarako edo esposizio luzeko aplikazioetarako CCD hoztu baterako, SNR ulertzeak errendimenduaren arteko oreka lortzen laguntzen dizu.
Nola eragiten duen SNR-ak irudiaren kontrastean
Kontrastea irudi baten eremu argien eta eremu ilunen arteko intentsitate-alde erlatiboa da. Aplikazio askotan, interes-eremuetan irudi-kontraste ona izatea da azken helburua.
Irudiaren subjektuaren, sistema optikoaren eta irudi-baldintzen barruan faktore asko daude irudiaren kontrastea zehazten dutenak, hala nola lentearen kalitatea eta atzeko planoko argiaren kantitatea.
●SNR altua→ Eskualde argien eta ilunen arteko bereizketa argia; ertzak garbi agertzen dira; xehetasun sotilak ikusgai daude oraindik.
●SNR baxua→ Eremu ilunak distiratsuagoak bihurtzen dira zarataren ondorioz, eremu argiak lauagoak, eta irudiaren kontrastea lautu egiten da.
Adibidez, fluoreszentzia mikroskopian, SNR baxuak lagin fluoreszente ahul bat atzeko planoan nahas dezake, analisi kuantitatiboa fidagarria ez izatea eraginez. Astronomian, izar edo galaxia ahulak erabat desager daitezke datu zaratatsuetan.
Hala ere, kameraren beraren barruan ere badaude faktoreak, eta faktore nagusia Seinale-Zarata Erlazioa da. Gainera, eta batez ere argi gutxiko egoeran, irudiaren intentsitatearen eskalatzeak, hau da, irudia monitorearen gainean nola bistaratzen den, eragin handia du hautematen den irudiaren kontrastean. Irudiaren eremu ilunetan zarata handia dagoenean, irudiak automatikoki eskalatzeko algoritmoek beheko muga baxuegia izan dezakete balio baxuko pixel zaratatsuengatik, eta goi muga, berriz, seinale handiko pixeletako zaratak handitzen du. Hori da SNR baxuko irudien itxura gris "garbiaren" ezaugarriaren arrazoia. Kontraste hobea lor daiteke beheko muga kameraren desplazamenduari ezarriz.
Kamera zientifikoetan SNR-an eragina duten faktoreak
Hainbat diseinu eta funtzionamendu parametrok eragiten dute kamera sistema baten SNR-an:
Sentsoreen Teknologia
● sCMOS – Irakurketa-zarata baxua eta fotograma-tasa altuak konbinatzen ditu, irudi dinamikoetarako aproposa.
● CCD – Historikoki zarata gutxi eskaintzen du esposizio luzeetan, baina CMOS diseinu modernoak baino motelagoa da.
● EMCCD – Txip barruko anplifikazioa erabiltzen du seinale ahulak indartzeko, baina biderkatze-zarata sar dezake.
Pixelen tamaina eta betetze faktorea
Pixel handiagoek fotoi gehiago biltzen dituzte, seinalea handituz eta, beraz, SNR-a.
Eraginkortasun Kuantikoa (EK)
QE altuagoak esan nahi du sarrerako fotoi gehiago elektroi bihurtzen direla, eta horrek SNR hobetzen du.
Esposizio-denbora
Esposizio luzeagoek fotoi gehiago biltzen dituzte, seinalea handituz, baina korronte ilunaren zarata ere handitu dezakete.
Hozte Sistemak
Hozteak iluntasun-korrontea murrizten du, esposizio luzeetarako SNR nabarmen hobetuz.
Optika eta Argiztapena
Kalitate handiko lenteek eta argiztapen egonkorrek seinalearen harrapaketa maximizatzen dute eta aldakortasuna minimizatzen dute.
SNR Balio Desberdinen Adibideak
Irudigintzan, PSNR-k pixelen saturazioarekiko maximo teoriko bati egiten dio erreferentzia askotan. Irudi-subjektuen, irudi-baldintzen eta kamera-teknologiaren arteko desberdintasunak gorabehera, zientzia-kamera konbentzionaletan, seinale-zarata erlazio bera duten irudiek antzekotasunak izan ditzakete. 'Pikortasun' maila, fotograma batetik bestera aldakuntza eta, neurri batean, kontrastea antzekoak izan daitezke baldintza desberdin horietan. Beraz, posible da SNR balioak eta horiek dakartzaten baldintza eta erronka desberdinak ulertzea irudi adierazgarrietatik, hala nola taulan agertzen direnetatik.
OHARRA: Errenkada bakoitzeko fotoelektroietako seinalearen gailurraren balioak urdinez ematen dira. Irudi guztiak histograma automatikoaren eskalatzearekin bistaratzen dira, pixel distiratsuenen eta ilunenaren % 0,35 alde batera utzita (saturatuz). Ezkerreko bi irudi zutabe: irudi-proba helburu baten lentean oinarritutako irudia. Eskuineko lau zutabe: 10x mikroskopio objektibo batekin fluoreszentzian harrapatutako askariak. SNR baxuagoan pixelen balioen fotograma arteko aldaketak ilustratzeko, hiru fotograma jarraian ematen dira.
Proba-helburu baten lente-oinarritutako irudia eta fluoreszentzia-mikroskopia irudia erakusten dira, fluoreszentzia-irudiaren zoom-ikuspegi batekin batera, 3 fotograma jarraianen arteko aldakuntza erakusten duena. Seinale-maila bakoitzeko fotoelektroi-kopuru maximoa ere ematen da.
Hurrengo irudiak adibide-irudi hauen bertsio osoak erakusten ditu erreferentzia gisa.
Seinale-zarata erlazioaren adibideen taulan erabilitako tamaina osoko irudiak
Ezkerra: Lente batekin argazkia ateratako irudi-proba baten jomuga.
EskuineraAscaris nematodoaren zizarearen sekzio baten lagina, 10x handitze-mikroskopioarekin ikusita.
SNR aplikazioetan
SNR funtsezkoa da hainbat arlotan:
● Mikroskopia – Lagin biologikoetan fluoreszentzia ahula detektatzeko, SNR handia behar da negatibo faltsuak saihesteko.
● Astronomia – Galaxia urrunak edo exoplanetak identifikatzeak esposizio luzeak eskatzen ditu zarata minimoarekin.
● Espektroskopia – SNR altuak intentsitate maximoaren neurketa zehatzak bermatzen ditu analisi kimikoetan.
● Industria Ikuskapena – Argi gutxiko muntaketa-kateetan, SNR altuak akatsak fidagarritasunez detektatzen laguntzen du.
SNR egokia duen kamera zientifiko bat aukeratzea
Kamera zientifiko berri bat ebaluatzerakoan:
●Egiaztatu SNR zehaztapenak– Konparatu dB balioak zure aplikazioaren antzeko baldintzetan.
●Beste neurri batzuk orekatzea– Kontuan hartu eraginkortasun kuantikoa, tarte dinamikoa eta fotograma-tasa.
●Teknologia erabilera kasura egokitu– Abiadura handiko eszena dinamikoetarako, sCMOS kamera bat aproposa izan daiteke; argitasun oso gutxiko subjektu estatikoetarako, hoztutako CCD edo EMCCD batek hobeto funtziona dezake.
●Lan-fluxuaren eraginkortasunerako konektibitatea– SNR-ri zuzenean eragiten ez dioten arren, HDMI irteera bezalako funtzioek irudiak denbora errealean berrikustea ahalbidetzen dute, eskuratze-ezarpenek nahi den SNR lortzen dutela azkar egiaztatzeko.
Ondorioa
Seinale-zarata erlazioa (SNR) errendimendu-neurri gakoa da, irudi zientifikoen argitasunean eta fidagarritasunean zuzenean eragiten duena. SNR nola definitzen den, eragiten dioten faktoreak eta SNR balio desberdinen ondorioak ulertzeak ikertzaileei eta erabiltzaile teknikoei irudi-sistemak modu eraginkorragoan ebaluatzeko aukera ematen die. Ezagutza hori aplikatuz —bai irudi berri bat hautatzean...—kamera zientifikoaedo konfigurazio bat optimizatuz, zure irudi-lan-fluxuak zure aplikazio espezifikoarentzat behar den zehaztasun-mailarekin datuak jasotzen dituela ziurtatu dezakezu.
Maiz egiten diren galderak
Zer da SNR "ona"tzat hartzen dena kamera zientifikoetarako?
SNR ideala aplikazioaren araberakoa da. Lan kuantitatibo oso zorrotzetarako —fluoreszentzia mikroskopia edo astronomia bezalakoetarako—, 40 dB-tik gorako SNR bat gomendatzen da normalean, zarata ikusgai minimoa duten irudiak sortzen baititu eta xehetasun finak mantentzen baititu. Laborategiko erabilera orokorrerako edo ikuskapen industrialerako, 35-40 dB nahikoa izan daiteke. 30 dB-tik beherako edozerk normalean pikor ikusgaia erakutsiko du eta zehaztasuna arriskuan jar dezake, batez ere kontraste baxuko egoeretan.
Nola eragiten dio eraginkortasun kuantikoak (QE) SNRri?
Eraginkortasun kuantikoak sentsore batek fotoi sarrerakoak elektroi bihurtzen dituen modu eraginkorrean neurtzen du. QE altuago batek esan nahi du eskuragarri dagoen argi gehiago seinale gisa jasotzen dela, SNR ekuazioan zenbakitzailea handituz. Hori bereziki garrantzitsua da argi gutxiko egoeretan, non fotoi guztiek balio duten. Adibidez, % 80ko QE duen sCMOS kamera batek SNR handiagoa lortuko du baldintza berdinetan % 50eko QE duen sentsore batekin alderatuta, seinale erabilgarri gehiago jasotzen duelako besterik gabe.
Zein da SNR eta Kontraste-Zarataren Erlazioaren (CNR) arteko aldea?
SNR-k zaratarekiko seinalearen intentsitate orokorra neurtzen duen bitartean, CNR-k ezaugarri espezifiko baten ikusgarritasunean jartzen du arreta bere atzeko planoan. Irudi zientifikoetan, biak dira garrantzitsuak: SNR-k irudia zein "garbia" den adierazten du, eta CNR-k, berriz, intereseko objektu jakin bat detektatzeko edo neurtzeko nahikoa nabarmentzen den zehazten du.
Gehiago jakin nahi duzu? Begiratu erlazionatutako artikuluak:
Eraginkortasun kuantikoa kamera zientifikoetan: hasiberrientzako gida
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
