2004/09/25Irudi digitalean, erraza da ondorioztatzea bereizmen handiagoak automatikoki argazki hobeak esan nahi dituela. Kamera-fabrikatzaileek megapixelen kopuruan oinarritutako sistemak merkaturatzen dituzte askotan, lenteen fabrikatzaileek bereizmen-ahalmena eta zorroztasuna nabarmentzen dituzten bitartean. Hala ere, praktikan, irudiaren kalitatea ez da soilik lentearen edo sentsorearen zehaztapenen araberakoa, baita zein ondo egokitzen diren ere.
Hemen sartzen da jokoan Nyquist laginketa. Jatorriz seinaleen prozesamenduko printzipio bat, Nyquist-en irizpideak xehetasunak zehaztasunez harrapatzeko esparru teorikoa ezartzen du. Irudigintzan, lente batek ematen duen bereizmen optikoa eta kameraren sentsorearen bereizmen digitala harmoniatsuki elkarrekin lan egitea bermatzen du.
Artikulu honek Nyquist laginketa irudigintzaren testuinguruan aztertzen du, bereizmen optikoaren eta kameraren arteko oreka azaltzen du, eta argazkigintzatik hasi eta irudigintza zientifikoraino doazen aplikazioetarako jarraibide praktikoak eskaintzen ditu.
Zer da Nyquist laginketa?
1. irudia: Nyquist-en laginketaren teorema
Goian:Seinale sinusoidal bat (ziana) puntu anitzetan neurtzen edo lagintzen da. Lerro gris luze etenak seinale sinusoidalen ziklo bakoitzeko neurketa bat adierazten du, seinalearen gailurrak bakarrik atzematen ditu, seinalearen benetako izaera guztiz ezkutatuz. Kurba gorri fin-fin etenak lagin bakoitzeko 1,1 neurketa jasotzen ditu, sinusoide bat agerian utziz baina bere maiztasuna gaizki irudikatuz. Hau Moiré eredu baten antzekoa da.
Behealdea:Ziklo bakoitzeko 2 lagin hartzen direnean bakarrik (lerro puntu morea) hasten da seinalearen benetako izaera harrapatzen.
Nyquist laginketaren teorema seinaleen prozesamenduan ohikoa den printzipioa da elektronikan, audio prozesamenduan, irudigintzan eta beste arlo batzuetan. Teoremak argi uzten du seinale bateko maiztasun jakin bat berreraikitzeko, neurketak maiztasun horren gutxienez bikoitza egin behar direla, 1. irudian erakusten den bezala. Gure bereizmen optikoaren kasuan, horrek esan nahi du gure objektu-espazioko pixelen tamaina gehienez harrapatzen saiatzen ari garen xehetasun txikienaren erdia izan behar dela, edo, mikroskopio baten kasuan, mikroskopioaren bereizmenaren erdia.
2. irudia: Nyquist laginketa pixel karratuekin: orientazioak garrantzia du
Pixel karratuen sareta duen kamera bat erabiliz, Nyquist teoremaren 2x laginketa faktoreak pixel sarearekin lerrokatuta dauden xehetasunak bakarrik jasoko ditu zehatz-mehatz. Pixel sarearekiko angelu batean dauden egiturak ebazten saiatzen bada, pixelaren tamaina eraginkorra handiagoa da, diagonalean √2 aldiz handiagoa. Beraz, laginketa-tasa nahi den maiztasun espazialaren 2√2 aldiz izan behar da pixel sarearekiko 45o-tan xehetasunak jasotzeko.
Arrazoia 2. irudia (goiko erdia) kontuan hartuta argi ikusten da. Imajinatu pixelaren tamaina bereizmen optikoan ezarrita dagoela, bi iturri puntual bizilagunen gailurrak, edo ebazten saiatzen ari garen edozein xehetasun, bakoitzak bere pixela emanez. Hauek bereizita detektatzen diren arren, neurketa emaitzetan ez dago bi gailur bereizi direnik adierazten, eta berriro ere, "ebaztearen" definizioa ez da betetzen. Tarteko pixel bat behar da, seinalearen beheko puntua atzemateko. Horretarako, laginketa-tasa espaziala gutxienez bikoiztu egiten da, hau da, objektuaren espazioko pixelaren tamaina erdira murriztuz.
Bereizmen optikoa vs. kameraren bereizmena
Nyquist laginketak irudigintzan nola funtzionatzen duen ulertzeko, bi bereizmen mota bereizi behar ditugu:
● Bereizmen optikoa: Lenteak zehaztuta, bereizmen optikoak xehetasun finak erreproduzitzeko duen gaitasuna adierazten du. Lentearen kalitatea, irekidura eta difrakzioa bezalako faktoreek ezartzen dute muga hori. Modulazio-transferentzia funtzioa (MTF) maiz erabiltzen da lente batek kontrastea maiztasun espazial desberdinetan nola transmititzen duen neurtzeko.
● Kameraren bereizmena: Sentsoreak zehaztuta, kameraren bereizmena pixelaren tamainaren, pixelaren tartearen eta sentsorearen dimentsio orokorren araberakoa da. Kameraren pixelaren tarteaCMOS kamerazuzenean definitzen du bere Nyquist maiztasuna, eta horrek sentsoreak harrapa dezakeen xehetasun maximoa zehazten du.
Bi hauek lerrokatuta ez daudenean, arazoak sortzen dira. Sentsorearen bereizmen-ahalmena gainditzen duen lente bat "alferrik galtzen" da, sentsoreak ezin baititu xehetasun guztiak jaso. Alderantziz, bereizmen handiko sentsore batek eta kalitate baxuko lente batek megapixel gehiago izan arren hobetzen ez diren irudiak sortzen dituzte.
Nola orekatu bereizmen optikoa eta kamerarena
Optika eta sentsoreak orekatzeak sentsorearen Nyquist maiztasuna lentearen ebakitze-maiztasun optikoarenarekin bat etortzea esan nahi du.
● Kamera-sentsore baten Nyquist maiztasuna 1 / (2 × pixel pitch) gisa kalkulatzen da. Honek sentsoreak aliasing gabe lagin dezakeen maiztasun espazial altuena definitzen du.
● Ebakitze-maiztasun optikoa lentearen ezaugarrien eta difrakzioaren araberakoa da.
Emaitza onenak lortzeko, sentsorearen Nyquist maiztasunak lentearen bereizmen-ahalmenarekin bat etorri behar du edo apur bat gainditu. Praktikan, arau orokor ona da pixelen distantzia lentearen bereizmen-tamaina txikienaren erdia izatea gutxi gorabehera.
Adibidez, lente batek 4 mikrometroko xehetasunak bereizten baditu, ~2 mikrometroko pixel tamainako sentsore batek sistema ondo orekatuko du.
Nyquist kameraren bereizmenarekin lotzea eta pixel karratuen erronka
Objektu-espazioko pixelen tamaina txikitzearen alde txarra argia biltzeko gaitasuna gutxitzea da. Beraz, garrantzitsua da bereizmenaren beharra eta argia biltzearen beharra orekatzea. Gainera, objektu-espazioko pixelen tamaina handiagoek irudi-subjektuaren ikus-eremu handiagoa ematen dute. Bereizmen fina behar duten aplikazioetarako, "arau orokor" baten oreka optimoa lortzen dela esaten da honela: objektu-espazioko pixelen tamaina, Nyquist kontuan hartzeko faktore batekin biderkatuta, bereizmen optikoaren berdina izan behar da. Kantitate horri kameraren bereizmena deritzo.
Optika eta sentsoreen oreka askotan kameraren laginketa-bereizmen eraginkorra lentearen bereizmen optikoaren mugarekin bat etortzea bermatzera mugatzen da. Sistema bat "Nyquist-ekin bat datorrela" esaten da honako kasu hauetan:
Kameraren bereizmena = Bereizmen optikoa
Non kameraren bereizmena honela ematen den:
Nyquist kontuan hartzeko gomendatzen den faktorea 2.3 da, ez 2. Horren arrazoia honako hau da.
Kameraren pixelak (normalean) karratuak dira, eta 2-D sareta batean antolatuta daude. Aurkako ekuazioan erabiltzeko definitutako pixelaren tamaina sare honen ardatzetan zehar pixelen zabalera adierazten du. Ebazten saiatzen ari garen ezaugarriak sare honekin alderatuta 90°-ko multiplo perfektua ez den edozein angelutan badaude, pixelaren tamaina eraginkorra handiagoa izango da, √2 ≈ 45°-ko pixelaren tamainaren 1,41 aldiz handiagoa. Hau 2. irudian erakusten da (beheko erdia).
Beraz, Nyquist irizpidearen arabera orientazio guztietan gomendatutako faktorea 2√2 ≈ 2.82 izango litzateke. Hala ere, bereizmenaren eta argi-bilketaren artean aurretik aipatutako konpromisoa dela eta, 2.3ko konpromiso-balioa gomendatzen da arau orokor gisa.
Nyquist laginketaren eginkizuna irudigintzan
Nyquist laginketa irudiaren fideltasunaren atezaina da. Laginketa-tasa Nyquist mugaren azpitik jaisten denean:
● Gutxiegi lagintzeak → aliasing-a eragiten du: xehetasun faltsuak, ertz zorrotzak edo moiré ereduak.
● Gehiegizko laginketa → optikak eman dezakeena baino datu gehiago jasotzen ditu, eta horrek errendimendu txikiagoa dakar: fitxategi handiagoak eta prozesatzeko eskakizun handiagoak hobekuntza ikusgarririk gabe.
Laginketa zuzenak irudiak zorrotzak eta errealitatearekiko fidelak direla ziurtatzen du. Sarrera optikoaren eta harrapaketa digitalaren arteko oreka eskaintzen du, alde batetik bereizmen alferrikakoa edo bestetik artefaktu engainagarriak saihestuz.
Aplikazio praktikoak
Nyquist laginketa ez da teoria hutsa — aplikazio kritikoak ditu irudigintzako diziplina guztietan:
● Mikroskopia:Ikertzaileek lente objektiboaren bidez ebatzi daitekeen xehetasun txikiena gutxienez bikoitza lagintzen duten sentsoreak aukeratu behar dituzte. Egokia aukeratzeamikroskopia kamerakritikoa da, pixelen tamaina mikroskopioaren objektiboaren difrakzio-mugaren bereizmenarekin bat etorri behar baita. Laborategi modernoek askotan nahiago dutesCMOS kamerak, sentikortasun, tarte dinamiko eta pixel-egitura finen arteko oreka eskaintzen dutenak errendimendu handiko irudi biologikoak lortzeko.
● Argazkilaritza:Megapixeleko sentsore handiko lenteekin xehetasun fin berdinak bereizten ez dituztenekin lotzeak zorroztasunean hobekuntza hutsalak dakartza askotan. Argazkilari profesionalek lenteak eta kamerak orekatzen dituzte bereizmena alferrik galtzea saihesteko.
● Argazkilaritza:Megapixeleko sentsore handiko lenteekin xehetasun fin berdinak bereizten ez dituztenekin lotzeak zorroztasunean hobekuntza hutsalak dakartza askotan. Argazkilari profesionalek lenteak eta kamerak orekatzen dituzte bereizmena alferrik galtzea saihesteko.
● Ikusmen Artifiziala etaKamera zientifikoakKalitate-kontrolean eta industria-ikuskapenean, laginketa gutxiegi egiteagatik ezaugarri txikiak galtzeak akastunak diren piezak detektatu gabe geratzea ekar dezake. Gehiegizko laginketa nahita erabil daiteke zoom digitala edo prozesamendu hobetua egiteko.
Noiz bat etorri Nyquist-ekin: gainlaginketa eta azpilaginketa
Nyquist laginketak oreka ideala adierazten du, baina praktikan, irudi-sistemek nahita gehiegi edo gutxiegi lagin dezakete aplikazioaren arabera.
Zer da azpilaginketa?
Sentikortasuna xehetasun txikienak ebaztea baino garrantzitsuagoa den aplikazioen kasuan, Nyquist-en eskakizunak baino handiagoa den objektu-espazioko pixel-tamaina erabiltzeak argia biltzeko abantaila handiak ekar ditzake. Honi azpilaginketa deritzo.
Honek xehetasun finak sakrifikatzen ditu, baina abantailagarria izan daiteke honako kasu hauetan:
● Sentikortasuna funtsezkoa da: pixel handiagoek argi gehiago biltzen dute, eta horrek seinale-zarata erlazioa hobetzen du argi gutxiko irudietan.
● Abiadurak garrantzia du: pixel gutxiagok irakurketa-denbora murrizten dute, eskuratze azkarragoa ahalbidetuz.
● Datuen eraginkortasuna beharrezkoa da: fitxategi-tamaina txikiagoak hobesten dira banda-zabalera mugatuko sistemetan.
Adibidez: Kaltzio edo tentsio irudietan, seinaleak intereseko eskualdeen batez bestekoa kalkulatzen dira askotan, beraz, laginketa txikiak argiaren bilketa hobetzen du emaitza zientifikoa arriskuan jarri gabe.
Zer da gainlaginketa?
Alderantziz, xehetasun finak ebaztea funtsezkoa den aplikazio askok, edo difrakzio-mugatik haragoko informazio gehigarria berreskuratzeko eskurapen osteko analisi-metodoak erabiltzen dituzten aplikazioek Nyquist-ek eskatzen dituena baino irudi-pixel txikiagoak behar dituzte, gainlaginketa deritzona.
Honek ez du benetako bereizmen optikoa handitzen, baina abantailak eman ditzake:
● Zoom digitala gaitzen du kalitate-galera txikiagoarekin.
● Postprozesamendua hobetzen du (adibidez, dekonboluzioa, zarata kentzea, superbereizmena).
● Irudiak geroago txikitzean ikusgai dagoen aliasing-a murrizten du.
Adibidez: Mikroskopian, bereizmen handiko sCMOS kamera batek zelula-egiturak gainlagin ditzake, algoritmo konputazionalek difrakzio-mugatik haragoko xehetasun finak atera ahal izan ditzaten.
Ohiko ideia okerrak
1. Megapixel gehiagok irudi zorrotzagoak esan nahi du beti.
Ez da egia. Zorroztasuna lentearen bereizmen-ahalmenaren eta sentsoreak behar bezala lagintzen duen ala ezaren araberakoa da.
2. Edozein lente onek funtzionatzen du bereizmen handiko edozein sentsorerekin.
Lentearen bereizmenaren eta pixelen tartearen arteko bat-etortze eskasak errendimendua mugatuko du.
3、Nyquist laginketa seinaleen prozesamenduan bakarrik da garrantzitsua, ez irudigintzan.
Aitzitik, irudi digitala funtsean laginketa-prozesu bat da, eta Nyquist audioan edo komunikazioetan bezain garrantzitsua da hemen.
Ondorioa
Nyquist laginketa abstrakzio matematiko bat baino gehiago da — bereizmen optikoa eta digitala elkarrekin lan egitea bermatzen duen printzipioa da. Lenteen bereizmen-ahalmena sentsoreen laginketa-gaitasunekin lerrokatuz, irudi-sistemek argitasun maximoa lortzen dute, artefaktu edo alferrik galdutako gaitasunik gabe.
Mikroskopia, astronomia, argazkilaritza eta ikusmen artifiziala bezalako arloetako profesionalentzat, Nyquist laginketa ulertzea funtsezkoa da emaitza fidagarriak ematen dituzten irudi-sistemak diseinatu edo aukeratzeko. Azken finean, irudiaren kalitatea ez dator zehaztapen bat muturrera eramatetik, oreka lortzetik baizik.
Maiz egiten diren galderak
Zer gertatzen da kamera batean Nyquist laginketa betetzen ez bada?
Laginketa-tasa Nyquist mugaren azpitik jaisten denean, sentsoreak ezin ditu xehetasun finak behar bezala irudikatu. Horren ondorioz, aliasing-a sortzen da, ertz irregularrak, moiré ereduak edo benetako eszenan existitzen ez diren ehundura faltsu gisa agertzen dena.
Nola eragiten du pixelen tamainak Nyquist laginketan?
Pixel txikiagoek Nyquist maiztasuna handitzen dute, hau da, sentsoreak teorikoki xehetasun finagoak ebatzi ditzake. Baina lenteak ezin badu bereizmen maila hori eman, pixel gehigarriek balio gutxi gehitzen dute eta zarata handitu dezakete.
Nyquist laginketa desberdina al da sentsore monokromoetarako eta koloretakoetarako?
Bai. Sentsore monokromo batean, pixel bakoitzak luminantzia zuzenean hartzen du laginketa, beraz, Nyquist-en maiztasun eraginkorra pixelaren tonuarekin bat dator. Bayer iragazkia duen kolore-sentsore batean, kolore-kanal bakoitza gutxiegi lagintzen da, beraz, desmuntaketaren ondoren bereizmen eraginkorra apur bat txikiagoa da.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
