25/09/04Nan imaj dijital, li fasil pou sipoze ke yon rezolisyon ki pi wo vle di otomatikman pi bon foto. Souvan, manifaktirè kamera yo vann sistèm ki baze sou kantite megapiksel, alòske manifaktirè lantiy yo mete aksan sou pouvwa rezolisyon ak netteté. Men, an pratik, kalite imaj la pa depann sèlman de espesifikasyon lantiy la oswa detèktè a endividyèlman, men tou de kijan yo byen matche.
Se la echantiyonaj Nyquist la antre an jwèt. Kritè Nyquist la, ki te orijinèlman yon prensip ki soti nan pwosesis siyal, tabli kad teyorik la pou kaptire detay avèk presizyon. Nan imajri, li asire ke rezolisyon optik yon lantiy bay la ak rezolisyon dijital yon detèktè kamera travay ansanm an amoni.
Atik sa a dekonpoze echantiyonaj Nyquist nan kontèks imajri, li eksplike balans ki genyen ant rezolisyon optik ak rezolisyon kamera, epi li bay gid pratik pou aplikasyon ki varye ant fotografi ak imajri syantifik.
Kisa echantiyonaj Nyquist ye?
Figi 1: Teyorèm echantiyonaj Nyquist la
Anlè:Yo mezire, oubyen echantiyone, yon siyal sinisoyidal (syan) nan plizyè pwen. Liy gri ki gen ti liy long la reprezante 1 mezi pa sik siyal sinisoyidal la, li kaptire sèlman pik siyal yo, li kache nèt vrè nati siyal la. Koub wouj ki gen ti liy byen file a kaptire 1.1 mezi pa echantiyon, li revele yon sinisoyid men li mal reprezante frekans li. Sa a sanble ak yon modèl Moiré.
Anba:Se sèlman lè yo pran 2 echantiyon pa sik (liy pwentiye mov la) yo kòmanse kaptire vrè nati siyal la.
Teyorèm echantiyonaj Nyquist la se yon prensip komen nan tout domèn tretman siyal nan elektwonik, tretman odyo, imajri ak lòt domèn. Teyorèm nan montre byen klè ke pou rekonstwi yon frekans bay nan yon siyal, mezi yo dwe fèt omwen de fwa frekans sa a, jan yo montre nan Figi 1. Nan ka rezolisyon optik nou an, sa vle di ke gwosè pixel espas objè nou an dwe omwen mwatye pi piti detay n ap eseye kaptire a, oubyen, nan ka yon mikwoskòp, mwatye rezolisyon mikwoskòp la.
Figi 2: Echantiyonaj Nyquist ak pixel kare: oryantasyon enpòtan
Lè w sèvi ak yon kamera ki gen yon griy pixel kare, faktè echantiyonaj 2x teyorèm Nyquist la ap sèlman kaptire avèk presizyon detay ki parfe aliyen ak griy pixel la. Si w ap eseye rezoud estrikti ki nan yon ang ak griy pixel la, gwosè pixel efektif la pi gwo, jiska √2 fwa pi gwo nan dyagonal la. Se poutèt sa, pousantaj echantiyonaj la dwe 2√2 fwa frekans espasyal ki nesesè a pou kaptire detay ki nan 45o ak griy pixel la.
Rezon an parèt klèman lè nou konsidere Figi 2 (mwatye anwo a). Imajine gwosè pixel la fikse sou rezolisyon optik la, sa ki bay pik de sous pwen vwazen yo, oubyen nenpòt detay n ap eseye rezoud, chak pixel pa yo. Malgre ke yo detekte sa yo separeman, pa gen okenn endikasyon nan mezi ki soti yo ke yo se de pik separe – epi yon lòt fwa ankò definisyon "rezolisyon" nou an pa satisfè. Yon pixel nan mitan nesesè, pou kaptire yon nivo siyal la. Sa a reyalize lè yo omwen double to echantiyonaj espasyal la, sa vle di diminye gwosè pixel espas objè a de mwatye.
Rezolisyon Optik vs Rezolisyon Kamera
Pou konprann kijan echantiyonaj Nyquist la fonksyone nan imajri, nou bezwen distenge ant de kalite rezolisyon:
● Rezolisyon Optik: Detèmine pa lantiy la, rezolisyon optik refere a kapasite li pou repwodui detay byen file. Faktè tankou kalite lantiy, ouvèti, ak difraksyon fikse limit sa a. Fonksyon transfè modilasyon (MTF) la souvan itilize pou mezire kijan yon lantiy transmèt kontras nan diferan frekans espasyal.
● Rezolisyon Kamera: Detèmine pa detèktè a, rezolisyon kamera a depann de gwosè pixel la, espas pixel la, ak dimansyon jeneral detèktè a. Espas pixel yonKamera CMOSdefini dirèkteman frekans Nyquist li a, ki detèmine maksimòm detay detèktè a ka kaptire.
Lè de sa yo pa aliyen, pwoblèm rive. Yon lantiy ki depase pouvwa rezolisyon detèktè a efektivman "gaspiye", paske detèktè a pa ka kaptire tout detay yo. Okontrè, yon detèktè wo rezolisyon ki asosye ak yon lantiy ki ba kalite bay imaj ki pa amelyore malgre plis megapiksel.
Kijan pou balanse rezolisyon optik ak rezolisyon kamera a
Balanse optik ak detèktè vle di fè frekans Nyquist detèktè a matche ak frekans koupe optik lantiy la.
● Yo kalkile frekans Nyquist yon detèktè kamera kòm 1 / (2 × pixel pitch). Sa defini pi gwo frekans espasyal detèktè a ka echantiyone san alyas.
● Frekans koupe optik la depann de karakteristik lantiy yo ak difraksyon an.
Pou pi bon rezilta, frekans Nyquist detèktè a ta dwe aliyen ak oswa yon ti kras depase kapasite rezolisyon lantiy la. An pratik, yon bon règ jeneral se asire w ke distans pixel la se apeprè mwatye pi piti gwosè karakteristik rezolisyon lantiy la.
Pa egzanp, si yon lantiy ka rezoud detay jiska 4 mikwomèt, Lè sa a, yon detèktè ki gen gwosè pixel ~2 mikwomèt ap balanse sistèm nan byen.
Matche Nyquist ak Rezolisyon Kamera a & Defi Piksèl Kare yo
Konpwomi an ak diminisyon gwosè pixel nan espas objè a se diminisyon kapasite koleksyon limyè. Se poutèt sa li enpòtan pou balanse bezwen pou rezolisyon ak pou koleksyon limyè. Anplis de sa, pi gwo gwosè pixel nan espas objè yo gen tandans transmèt yon pi gwo chan vizyon nan sijè imaj la. Pou aplikasyon ki gen kèk bezwen pou yon rezolisyon presi, yo di ke yo jwenn yon balans optimal 'règ jeneral' jan sa a: Gwosè pixel nan espas objè a, lè yo miltipliye pa yon faktè pou pran an kont Nyquist, ta dwe egal a rezolisyon optik la. Kantite sa a rele rezolisyon kamera.
Balanse optik ak detèktè yo souvan rezime a asire ke rezolisyon echantiyonaj efektif kamera a koresponn ak limit rezolisyon optik lantiy la. Yo di yon sistèm "koresponn ak Nyquist" lè:
Rezolisyon kamera = Rezolisyon optik
Kote rezolisyon kamera a bay pa:
Faktè pou pran an kont Nyquist ke yo souvan rekòmande a se 2.3, pa 2. Rezon an se jan sa a.
Piksèl kamera yo (jeneralman) kare, epi yo ranje sou yon griy 2-D. Gwosè piksèl la jan yo defini l pou itilize nan ekwasyon opoze a reprezante lajè piksèl yo sou aks griy sa a. Si karakteristik n ap eseye rezoud yo sitiye nan nenpòt ang eksepte yon miltip pafè de 90° parapò ak griy sa a, gwosè piksèl efektif la ap pi gwo, jiska √2 ≈ 1.41 fwa gwosè piksèl la a 45°. Sa montre nan Figi 2 (mwatye anba).
Faktè rekòmande a dapre kritè Nyquist la nan tout oryantasyon ta dwe 2√2 ≈ 2.82. Sepandan, akòz konpwomi ki te mansyone deja ant rezolisyon ak koleksyon limyè a, yo rekòmande yon valè konpwomi 2.3 kòm yon règ jeneral.
Wòl echantiyonaj Nyquist nan imajri
Echantiyonaj Nyquist la se gadyen fidelite imaj la. Lè to echantiyonaj la desann anba limit Nyquist la:
● Sou-echantiyonaj → lakòz alyasing: fo detay, bor zigzage, oswa modèl moiré.
● Surechantiyonaj → kaptire plis done pase sa optik la ka delivre, sa ki lakòz yon diminisyon nan rezilta yo: pi gwo dosye ak pi gwo demand pou pwosesis san amelyorasyon vizib.
Echantiyonaj ki kòrèk la asire ke imaj yo byen file epi yo rete fidèl ak reyalite. Li bay balans ant opinyon optik ak kapti dijital, pou evite gaspiyaj rezolisyon sou yon bò oswa atifak ki twonpe sou lòt bò a.
Aplikasyon pratik yo
Echantiyonaj Nyquist la pa sèlman teyori — li gen aplikasyon kritik nan tout disiplin imajri yo:
● Mikwoskopi:Chèchè yo dwe chwazi detèktè ki pran echantiyon omwen de fwa pi piti detay lantiy objektif la ka rezoud. Chwazi bon detèktè akamera mikwoskòpse kritik, paske gwosè pixel la dwe aliyen ak rezolisyon objektif mikwoskòp la ki limite pa difraksyon. Laboratwa modèn yo souvan prefereKamera sCMOS, ki bay yon balans ant sansiblite, ranje dinamik, ak estrikti pixel amann pou imaj byolojik pèfòmans segondè.
● Fotografi:Lè w mete detèktè ki gen anpil megapiksèl ansanm ak lantiy ki pa ka rezoud detay ki egalman fen yo, souvan sa pa bay anpil amelyorasyon nan netteté. Fotogwaf pwofesyonèl yo balanse lantiy ak kamera pou evite gaspiye rezolisyon.
● Fotografi:Lè w mete detèktè ki gen anpil megapiksèl ansanm ak lantiy ki pa ka rezoud detay ki egalman fen yo, souvan sa pa bay anpil amelyorasyon nan netteté. Fotogwaf pwofesyonèl yo balanse lantiy ak kamera pou evite gaspiye rezolisyon.
● Vizyon Machin &Kamera SyantifikNan kontwòl kalite ak enspeksyon endistriyèl, lè ti karakteristik yo manke akòz echantiyonaj ki pa ase, sa ka vle di pati ki defektye yo pa detekte. Yo ka itilize surechantiyonaj espre pou rale imaj dijital oswa pou amelyore pwosesis la.
Kilè pou matche Nyquist: Surechantiyonaj ak Souechantiyonaj
Echantiyonaj Nyquist reprezante balans ideyal la, men an pratik, sistèm imajri yo ka fè espre sou-echantiyonaj oswa sou-echantiyonaj selon aplikasyon an.
Ki sa ki se Sous-echantiyonaj
Nan ka aplikasyon kote sansiblite pi enpòtan pase rezoud pi piti detay yo, itilizasyon yon gwosè pixel espas objè ki pi gwo pase egzijans Nyquist yo ka mennen nan avantaj konsiderab nan koleksyon limyè. Sa a rele sou-echantiyonaj.
Sa sakrifye ti detay yo, men li ka avantaje lè:
● Sansiblite enpòtan anpil: piksèl ki pi gwo yo kolekte plis limyè, sa ki amelyore rapò siyal-bri nan imaj ki pa twò klere.
● Vitès enpòtan: mwens pixel diminye tan lekti, sa ki pèmèt yon akizisyon pi rapid.
● Li nesesè pou efikasite done yo: pi piti gwosè fichye yo pi preferab nan sistèm ki gen limit Pleasant.
Egzanp: Nan imajri kalsyòm oswa vòltaj, yo souvan pran mwayèn siyal yo sou rejyon enterè yo, kidonk sou-echantiyonaj amelyore koleksyon limyè san konpwomèt rezilta syantifik la.
Ki sa ki se Suréchantillonnage
Okontrè, anpil aplikasyon pou ki rezoud detay piti enpòtan, oubyen aplikasyon ki itilize metòd analiz apre akizisyon pou refè plis enfòmasyon ki depase limit difraksyon an, mande pou pi piti pixel imaj pase sa Nyquist egzije, yo rele sa surechantiyonaj.
Malgre sa pa ogmante rezolisyon optik reyèl la, li ka bay avantaj:
● Pèmèt zoom dijital ak mwens pèt kalite.
● Amelyore pòs-tretman (pa egzanp, dekonvolisyon, rediksyon bri, super-rezolisyon).
● Diminye alyas vizib lè imaj yo diminye apre.
Egzanp: Nan mikwoskopi, yon kamera sCMOS ki gen gwo rezolisyon ka pran plis echantiyon estrikti selilè pou algoritm enfòmatik yo ka ekstrè detay amann ki depase limit difraksyon an.
Move konsepsyon komen
1. Plis megapiksèl toujou vle di imaj ki pi byen defini.
Se pa vre. Nettete a depann tou de pouvwa rezolisyon lantiy la ak si detèktè a echantiyone byen.
2. Nenpòt bon lantiy fonksyone byen ak nenpòt detèktè rezolisyon wo.
Yon move matche ant rezolisyon lantiy la ak distans pixel la ap limite pèfòmans lan.
3. Echantiyonaj Nyquist la sèlman enpòtan nan pwosesis siyal, pa nan imajri.
Okontrè, imaj dijital se fondamantalman yon pwosesis echantiyonaj, epi Nyquist enpòtan isit la menm jan li enpòtan nan odyo oswa kominikasyon.
Konklizyon
Echantiyonaj Nyquist la se plis pase yon abstrèksyon matematik — li se prensip ki asire rezolisyon optik ak dijital la travay ansanm. Lè yo aliyen pouvwa rezolisyon lantiy yo ak kapasite echantiyonaj detèktè yo, sistèm imaj yo reyalize maksimòm klète san atifak oswa kapasite gaspiye.
Pou pwofesyonèl nan domèn divès tankou mikwoskopi, astwonomi, fotografi, ak vizyon machin, konprann echantiyonaj Nyquist la enpòtan anpil pou konsepsyon oswa chwazi sistèm imaj ki bay rezilta serye. Anfen, kalite imaj la pa soti nan pouse yon spesifikasyon nan ekstrèm men nan reyalize balans.
Kesyon yo poze souvan
Kisa k ap pase si echantiyonaj Nyquist la pa satisfè nan yon kamera?
Lè to echantiyonaj la desann anba limit Nyquist la, detèktè a pa ka reprezante detay yo byen. Sa lakòz alyasing, ki parèt kòm bor zigzage, modèl moiré, oswa fo teksti ki pa egziste nan sèn reyèl la.
Ki jan gwosè pixel afekte echantiyonaj Nyquist la?
Piksèl ki pi piti yo ogmante frekans Nyquist la, sa vle di Capteur a ka teyorikman rezoud detay ki pi rafine. Men, si lantiy la pa ka bay nivo rezolisyon sa a, piksèl anplis yo pa ajoute anpil valè epi yo ka ogmante bri.
Èske echantiyonaj Nyquist la diferan pou detèktè monokrom ak detèktè koulè?
Wi. Nan yon detèktè monokrom, chak pixel pran echantiyon liminans dirèkteman, kidonk frekans Nyquist efektif la koresponn ak wotè pixel la. Nan yon detèktè koulè ak yon filtè Bayer, chak kanal koulè sou-echantiyone, kidonk rezolisyon efektif la apre demosaicing la yon ti kras pi ba.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tout dwa rezève. Lè w ap site, tanpri bay non sous la:www.tucsen.com
