25.08.2019.Kada je riječ o snimanju preciznih i pouzdanih slika u znanstvenim istraživanjima, kvaliteta vaših podataka ovisi o više od same rezolucije ili veličine senzora. Jedna od najvažnijih - ali ponekad zanemarenih - metrika je omjer signala i šuma (SNR). U sustavima za snimanje, SNR određuje koliko jasno možete razlikovati stvarni signal (korisne informacije) od neželjenog šuma.
U znanstvenim slikovnim primjenama poput mikroskopije, astronomije i spektroskopije, loš omjer signal-šum (SNR) može značiti razliku između otkrivanja slabe mete i njenog potpunog promašaja. Ovaj članak istražuje kako se definira SNR, zašto je važan, kako utječe na kontrast i kako odabrati i optimizirati znanstvenu kameru na temelju ove ključne metrike.
Što je omjer signala i šuma i kako se definira?
Omjer signala i šuma (SNR) najvažnija je mjera kvalitete slike, temeljna za kontrast slike i često najkorisniji faktor koji određuje je li kamera dovoljno osjetljiva za vašu primjenu.
Pokušaji poboljšanja osjetljivosti kamere vrte se oko poboljšanja prikupljenog signala:
● Poboljšanjima kvantne učinkovitosti ili povećanjem veličine piksela
● Smanjenje izvora šuma ovisnih o kameri
Izvori šuma se zbrajaju, ali ovisno o okolnostima jedan može dominirati i na njega se treba usredotočiti pri pokušaju poboljšanja omjera signal-šum (SNR) - bilo optimizacijom postavki ili podešavanja ili nadogradnjom na bolje izvore svjetla, optiku i kamere.
Uobičajena je skraćenica opisivati slike u smislu jednog omjera signala i šuma, na primjer tvrdnjom da slika ima SNR od '15'. Međutim, kao što je vidljivo iz naziva, omjer signala i šuma ovisi o signalu, koji će naravno biti drugačiji za svaki piksel. To nam daje našu sliku.
SNR slike obično se odnosi na SNR vršnog signala od interesa unutar slike. Na primjer, SNR sa slike fluorescentnih stanica na tamnoj pozadini koristio bi intenzitet vršnog signala iz piksela strukture od interesa unutar stanice.
Nije reprezentativno uzeti, na primjer, srednju vrijednost za SNR cijele slike. U tehnikama poput fluorescentne mikroskopije, gdje tamna pozadina s nula detektiranih fotona može biti uobičajena, ovi pikseli s nultom signalnom vrijednošću imaju SNR od nula. Stoga bi svaki prosjek na slici ovisio o tome koliko je piksela pozadine bilo u vidokrugu.
Zašto je SNR važan za znanstvene kamere
U znanstvenom snimanju, SNR izravno utječe na to koliko dobro možete identificirati slabe detalje, izmjeriti kvantitativne podatke i reproducirati rezultate.
●Jasnoća slike– Veći omjer signal-šum (SNR) smanjuje zrnatost i čini fine strukture vidljivima.
●Točnost podataka– Smanjuje pogreške mjerenja u eksperimentima temeljenim na intenzitetu.
●Performanse pri slabom osvjetljenju– Neophodan za fluorescentnu mikroskopiju, astrofotografiju dubokog svemira i spektroskopiju, gdje je broj fotona prirodno nizak.
Bez obzira koristite lisCMOS kameraZa brzo snimanje ili hlađeni CCD za primjene s dugom ekspozicijom, razumijevanje omjera signal-šum (SNR) pomaže vam uravnotežiti kompromise u performansama.
Kako SNR utječe na kontrast slike
Kontrast je relativna razlika u intenzitetu između svijetlih i tamnih područja slike. Za mnoge primjene, dobar kontrast slike unutar područja interesa je krajnji cilj.
Postoji mnogo čimbenika unutar objekta snimanja, optičkog sustava i uvjeta snimanja koji su primarni čimbenici koji određuju kontrast slike, kao što su kvaliteta leće i količina pozadinskog svjetla.
●Visoki signal-šum→ Jasno razdvajanje svijetlih i tamnih područja; rubovi izgledaju oštro; suptilni detalji ostaju vidljivi.
●Nizak signal-šum→ Tamna područja postaju svjetlija zbog šuma, svijetla područja postaju tamnija, a ukupni kontrast slike se izravnava.
Na primjer, u fluorescentnoj mikroskopiji, nizak omjer signal-šum (SNR) može uzrokovati da se slabo fluorescentni uzorak stopi s pozadinom, što kvantitativnu analizu čini nepouzdanom. U astronomiji, slabe zvijezde ili galaksije mogu potpuno nestati u podacima s šumom.
Međutim, postoje i čimbenici unutar same kamere – primarni čimbenik je omjer signala i šuma. Nadalje, a posebno pri slabom osvjetljenju, skaliranje intenziteta slike, način na koji se slika prikazuje na monitoru, igra veliku ulogu u percipiranom kontrastu slike. S visokim šumom u tamnim područjima slike, algoritmi automatskog skaliranja slike mogu imati donju granicu postavljenu prenisko zbog piksela s niskom vrijednošću šuma, dok je gornja granica povećana zbog šuma u pikselima s visokim signalom. To je uzrok karakterističnog 'ispranog' sivog izgleda slika s niskim omjerom signal-šum. Bolji kontrast može se postići postavljanjem donje granice na pomak kamere.
Čimbenici koji utječu na omjer signal-šum (SNR) u znanstvenim kamerama
Nekoliko parametara dizajna i rada utječe na omjer signal-šum (SNR) sustava kamere:
Tehnologija senzora
● sCMOS – Kombinira niski šum čitanja i visoku brzinu kadrova, idealno za dinamičko snimanje.
● CCD – Povijesno gledano nudi nizak šum pri dugim ekspozicijama, ali sporiji od modernih CMOS dizajna.
● EMCCD – Koristi pojačanje na čipu za pojačavanje slabih signala, ali može unijeti multiplikativni šum.
Veličina piksela i faktor ispune
Veći pikseli skupljaju više fotona, povećavajući signal i time SNR.
Kvantna učinkovitost (QE)
Veći QE znači da se više dolaznih fotona pretvara u elektrone, što poboljšava SNR.
Trajanje izlaganja
Dulje ekspozicije skupljaju više fotona, povećavajući signal, ali mogu i povećati šum tamne struje.
Sustavi za hlađenje
Hlađenje smanjuje tamnu struju, značajno poboljšavajući SNR za duge ekspozicije.
Optika i rasvjeta
Visokokvalitetne leće i stabilno osvjetljenje maksimiziraju snimanje signala i minimiziraju varijabilnost.
Primjeri različitih vršnih vrijednosti SNR-a
U snimanju, PSNR se često odnosi na teoretski maksimum u odnosu na zasićenost piksela. Unatoč razlikama u subjektima snimanja, uvjetima snimanja i tehnologiji kamere, za konvencionalne znanstvene kamere, slike s istim omjerom signala i šuma mogu imati sličnosti. Stupanj 'zrnatosti', varijacije od kadra do kadra i donekle kontrast mogu biti slični u tim različitim uvjetima. Stoga je moguće steći razumijevanje vrijednosti SNR-a i različitih uvjeta i izazova koje oni podrazumijevaju iz reprezentativnih slika, kao što su one prikazane u tablici.
BILJEŠKA: Vrijednosti vršnog signala u fotoelektronima za svaki redak prikazane su plavom bojom. Sve slike prikazane su s automatskim skaliranjem histograma, zanemarujući (zasićujući) 0,35% najsvjetlijih i najtamnijih piksela. Lijeva dva stupca slike: Snimanje testne mete snimanja temeljeno na leći. Desna četiri stupca: Ascaris snimljen u fluorescenciji s mikroskopskim objektivom od 10x. Za ilustraciju varijacija vrijednosti piksela od kadra do kadra pri nižem SNR-u, prikazana su tri uzastopna kadra.
Prikazana je slika testne mete dobivena lećom, zajedno sa slikom fluorescentne mikroskopije, zajedno sa zumiranim prikazom fluorescentne slike koji pokazuje varijaciju unutar 3 uzastopna kadra. Također je dan vršni broj fotoelektrona na svakoj razini signala.
Sljedeća slika prikazuje pune verzije ovih primjera slika za referencu.
Slike u punoj veličini korištene za tablicu primjera omjera signala i šuma
LijevoMeta za testiranje slike fotografirana objektivom.
PravoUzorak presjeka crva nematode Ascaris pregledan fluorescentnom mikroskopijom pri povećanju od 10x.
SNR u primjenama
SNR je ključan za misiju u raznim područjima:
● Mikroskopija – Detekcija slabe fluorescencije u biološkim uzorcima zahtijeva visok omjer signal-šum (SNR) kako bi se izbjegli lažno negativni rezultati.
● Astronomija – Identificiranje udaljenih galaksija ili egzoplaneta zahtijeva duge ekspozicije s minimalnim šumom.
● Spektroskopija – Visoki omjer signal-šum (SNR) osigurava točna mjerenja intenziteta vrhova u kemijskoj analizi.
● Industrijski pregled – U montažnim linijama sa slabim osvjetljenjem, visoki omjer signal-šum (SNR) pomaže u pouzdanom otkrivanju nedostataka.
Odabir znanstvene kamere s pravim omjerom signal-šum
Prilikom procjene nove znanstvene kamere:
●Provjerite specifikacije SNR-a– Usporedite dB vrijednosti pod uvjetima sličnim vašim primjenama.
●Uravnotežite ostale metrike– Razmotrite kvantnu učinkovitost, dinamički raspon i brzinu kadrova.
●Uskladite tehnologiju sa slučajem upotrebe– Za brze dinamičke scene, sCMOS kamera može biti idealna; za statične objekte s ultra-slabim osvjetljenjem, hlađeni CCD ili EMCCD mogu postići bolje rezultate.
●Povezivost za učinkovitost radnog procesa– Iako ne utječu izravno na omjer signal-šum (SNR), značajke poput HDMI izlaza mogu omogućiti pregled slike u stvarnom vremenu, pomažući vam da brzo provjerite postižu li vaše postavke snimanja željeni SNR.
Zaključak
Omjer signala i šuma (SNR) ključna je metrika performansi koja izravno utječe na jasnoću i pouzdanost znanstvenih slika. Razumijevanje definicije SNR-a, čimbenika koji na njega utječu i implikacija različitih vrijednosti SNR-a omogućuje istraživačima i tehničkim korisnicima učinkovitiju procjenu sustava snimanja. Primjenom ovog znanja - bilo pri odabiru novogznanstvena kameraili optimiziranjem postojeće postavke - možete osigurati da vaš tijek rada sa slikama bilježi podatke s razinom preciznosti potrebnom za vašu specifičnu primjenu.
Često postavljana pitanja
Što se smatra "dobrim" omjerom signal-šum (SNR) za znanstvene kamere?
Idealni omjer signal-šum (SNR) ovisi o primjeni. Za vrlo zahtjevan, kvantitativni rad - poput fluorescentne mikroskopije ili astronomije - općenito se preporučuje SNR iznad 40 dB, jer stvara slike s minimalnim vidljivim šumom i čuva fine detalje. Za opću laboratorijsku upotrebu ili industrijski pregled, 35-40 dB može biti dovoljno. Sve ispod 30 dB obično će pokazati vidljivo zrno i može ugroziti točnost, posebno u situacijama niskog kontrasta.
Kako kvantna učinkovitost (QE) utječe na omjer signal-šum (SNR)?
Kvantna učinkovitost mjeri koliko učinkovito senzor pretvara dolazne fotone u elektrone. Veći QE znači da se više dostupne svjetlosti hvata kao signal, što povećava brojnik u jednadžbi omjera signal-šum. To je posebno važno u scenarijima slabog osvjetljenja, gdje je svaki foton važan. Na primjer, sCMOS kamera s QE od 80% postići će veći SNR pod istim uvjetima u usporedbi sa senzorom s QE od 50%, jednostavno zato što hvata više upotrebljivog signala.
Koja je razlika između omjera signal-šum (SNR) i omjera kontrasta i šuma (CNR)?
Dok SNR mjeri ukupnu jačinu signala u odnosu na šum, CNR se fokusira na vidljivost određenog obilježja u odnosu na njegovu pozadinu. U znanstvenom snimanju oboje je važno: SNR vam govori koliko je slika općenito „čista“, dok CNR određuje ističe li se određeni objekt interesa dovoljno za detekciju ili mjerenje.
Želite saznati više? Pogledajte povezane članke：
Kvantna učinkovitost u znanstvenim kamerama: Vodič za početnike
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
