2022/05/13A kiolvasási zaj a kamera által detektált fotoelektronok számának elektronikus mérésében rejlő bizonytalanság. Általában a ... részben van megadva.elektronok (e⁻ RMS)és függ a leolvasási sebességtől, az erősítés/konverziós erősítés módtól, az ADC konfigurációjától és a megtérülési rátától – tehát csak akkor hasonlítható össze, ha a feltételek megegyeznek.
Világos jelenetekben,lövészajáltalában dominál, és a leolvasási zajnak csekély hatása van. Gyenge fényviszonyok melletti képalkotásnál – gyenge fluoreszcencia, csillagászat, rövid expozíciós, nagy sebességű munka – a leolvasási zaj jelentősen korlátozhatja a jel-zaj arányt, sőt, akár az észlelhetőséget is.
Ez az útmutató bemutatja, hogyan kell értelmezni a leolvasott zaj specifikációit, mikor számítanak, mely beállítások változtatják meg őket, és hogyan lehet megbízhatóan mérni.
Mi a leolvasási zaj?
Kiolvasási zaj (gyakran ún.olvasási zaj) a kamera által okozott véletlenszerű bizonytalanságfelolvassaegy kép – azaz amikor az egyes pixelekben összegyűjtött töltést feszültséggé alakítják, majd digitális számmá (DN) digitalizálják. Még tökéletes optika és stabil jelenet esetén sem tökéletesen zajmentes a kiolvasó elektronika: az erősítők, a visszaállító és mintavételező áramkörök, az analóg jelutak és az analóg-digitális átalakító (ADC) mind hozzájárulhatnak apró ingadozásokhoz. Az eredmény egy pixelenkénti, képkockánkénti véletlenszerű hiba, amely a kiolvasáskor hozzáadódik.
1. ábra: Olvasási zajkorlátozott kép
Ebben az ultra-gyenge fényviszonyok mellett a jelértékek összehasonlíthatók az olvasási zajjal, ami azt jelenti, hogy az olvasási zaj az SNR elsődleges korlátozó tényezője.
Mivel az érzékelő végső soron a fényt mérielektronok, a leolvasási zaj leggyakrabban a következőben van megadva:elektronok (e⁻), jellemzően úgy, minte⁻ RMSA zaj elektronokban való kifejezése megkönnyíti a teljesítmény összehasonlítását a kamerabeállítások és modellek között. (Ha a DN-ből indulunk ki, az e⁻-ra való átváltáshoz a rendszerkonverziós erősítés szükséges,e⁻/DN.) A modern tudományos kamerákban a kiolvasási zaj nagyon alacsony lehet – gyakran a~1–3 e⁻ RMS szint alacsony zajszintű módokbangyenge fényviszonyok melletti képalkotáshoz – bár a pontos érték a leolvasási sebességtől, az erősítés/konverziós erősítés módtól, az ADC konfigurációjától, az ROI-tól és a hőmérséklettől függ.
Tipikus értékek és azok eltéréseinek okai
Sokak számárasCMOS kamerákAz olvasási zaj elég alacsony lett ahhoz, hogy a nagyon kis jelek is jó pontossággal mérhetők legyenek. Más érzékelőtechnológiák és üzemmódok magasabb leolvasási zajt mutathatnak, különösen akkor, ha maximális képkockasebességre vannak optimalizálva. Lásd az 1. táblázatot néhány reprezentatív értékért. Ezért elengedhetetlen, hogy az olvasási zajt csak illesztett tesztkörülmények (mód, leolvasási sebesség, erősítés, bitmélység, ROI stb.) között hasonlítsuk össze.
1. táblázat: Tipikus RMS leolvasási zajértékek különböző tudományos kameratechnológiák esetén
* Az EMCCD-k további zajforrásokkal rendelkeznek, amelyek csökkentik az érzékenységüket
**Nagy sebességű sCMOS, mint például aTucsen Dhyana 2100 sCMOS kamera
*** Nagy sebességűCMOS kameráktudományos képalkotásban és filmes nagysebességű mozgásrögzítéshez egyaránt használják. Ezek a kamerák jellemzően nem használhatók gyenge fényviszonyok melletti képalkotáshoz a magas zajszintű, gyenge fényviszonyok melletti jelek elnyelése miatt.
RMS vs. medián olvasási zaj (és miért jelennek meg egyes adatlapok két számot)
A CMOS/sCMOS érzékelőkben az olvasási zaj pixelenként kismértékben változhat, ezért hasznos lehet az olvasási zajt eloszlásként, nem pedig egyetlen értékként felfogni. Egyes kamerákban a nagyobb zajszintű pixelek egy kis „farka” is látható, ahol az olyan hatások, mint a véletlenszerű távírózaj (RTN), hangsúlyosabban érvényesülhetnek.
Az eloszlás összefoglalásaként a gyártók megadhatnak egy átlagos (tipikus) leolvasási zajértéket, és néha egy további RMS értéket, amely érzékenyebb a nagyobb zajszintű pixelekre. A definíciók gyártónként eltérőek lehetnek, ezért a legbiztonságosabb megközelítés a megadott mérési módszer és feltételek ellenőrzése – különösen akkor, ha kamerákat hasonlítunk össze, vagy gyenge fényviszonyok melletti munkához választunk módot.
Hogyan kell leolvasni a zajszint-specifikációkat?
A kiolvasott zaj értéke csak akkor értelmezhető, ha összefüggésben áll a kamera mérés közbeni működtetésével. A mód, a bitmélység, a kiolvasási sebesség, az erősítés/konverziós erősítés és az ROI mind befolyásolhatja a számot – ezért mindig hasonlítsa össze a specifikációkat azonos körülmények között.
A tesztkörülmények számítanak
Egy leolvasási zajszám csak akkor értelmes, ha aüzemeltetési feltételekmérésére szolgál. Ugyanaz a kamera eltérő értékeket jelenthet a kiolvasási módtól és a konfigurációtól függően, így az „alacsonyabb” nem automatikusan „jobb”, kivéve, ha hasonlókat hasonlít össze. Mielőtt összehasonlítaná a kamerákat – vagy akár két módot ugyanazon a kamerán –, keresse meg ezeket a feltételeket az adatlap táblázatában, a lábjegyzetekben vagy a teljesítménydiagramokon:
●Kiolvasási sebesség / pixelfrekvencia (kHz–MHz):A gyorsabb kiolvasás jellemzően növeli a kiolvasási zajt.
Erősítés / konverziós erősítés mód (pl. HCG/LCG): Módosítja az e⁻/DN értéket, és eltolhatja a jelentett zajértéket.
●ADC útvonal / bitmélység:Néhány kamera több ADC módot kínál, amelyek befolyásolják a zaj és a kvantálás viselkedését.
●ROI és kiolvasási csatornák:Az ROI megváltoztathatja az érzékelő leolvasásának módját, és egyes architektúrákban a teljesítményt is befolyásolhatja.
●Hőmérséklet (ha meg van adva):A specifikációkat gyakran egy meghatározott érzékelőhőmérsékleten mérik; mindig hasonló körülmények között hasonlítsa össze.
Ha egy címsoros olvasási zaj ábra mód/sebesség kontextus nélkül jelenik meg, akkor azt hiányosnak kell tekinteni, és meg kell keresni a részletes mód táblázatot vagy diagramot.
Tipikus vs. Max / Medián vs. RMS: miért láthat két számot
A párhuzamos kiolvasási architektúrák miatta legtöbb CMOS/sCMOS érzékelőnémi pixelenkénti eltérést mutatnak a leolvasási zajban, ezért hasznos lehet a leolvasási zajt eloszlásként, nem pedig egyetlen értékként felfogni. Ezért egyes specifikációs lapokon két szám szerepel.
A középsőAz olvasási zaj értéke azt jelzi, hogy a pixelek 50%-a ezen az értéken vagy az alatt van, ami gyakran a „tipikus” teljesítményt tükrözi.RMSAz ábra (ha van ilyen) érzékenyebb az eloszlás terjedésére, és jobban megragadja a farokban lévő nagyobb zajú pixelek hatását. Mivel a definíciók gyártónként eltérőek lehetnek, mindig ellenőrizze a megadott mérési feltételeket és a jelentési konvenciót.
A CMOS/sCMOS érzékelők képesek megjelenítenipixelről pixelre történő variációa kiolvasási zajban, ezért a kiolvasási zajt jobb úgy tekinteni, mint egyelosztásegyetlen érték helyett. Az eloszlás összefoglalása érdekében a gyártók a következőket jelenthetik:
●Tipikus / Átlagos:Egy „tipikus pixel” érték, amely az adott módban a szokásos teljesítményt jelöli.
●RMS (vagy néha egy konzervatívabb érték):Egy statisztika, amely érzékenyebb lehet a nagyobb zajszintű pixelekre, és jobban tükrözi az általános szórást.
Nem minden gyártó használja ezeket a kifejezéseket pontosan ugyanúgy, ezért mindig ellenőrizze a megadott definíciót és mérési módszert. Kétség esetén hasonlítsa össze a kamerákat a megadott értékekkel.ugyanazok a statisztikák és feltételek.
Kameramód példák (miért van egy kamerának több olvasási zaj specifikációja)
Ennek konkréttá tételéhez vegye figyelembe aTucsen Aries 6510 ultraérzékenységű sCMOS kameraAz adatlapján a kiolvasási zaj több kiolvasási mód esetén is szerepel – mivel a kamera különböző bitmélységekkel és kiolvasási folyamatokkal működtethető, és mindegyiknek más a zajszintje:
2. ábra: Az Aries 6510 kiolvasási zaja
Hogyan értelmezzük ezt: ezek a számok nem ellentmondásosak – leírjákkülönböző működési pontokugyanazon kamera esetében. Egy nagyobb sebességű pipeline (itt a Sebesség mód) jellemzően az átviteli sebességet helyezi előtérbe, és magasabb kiolvasási zajt mutathat, míg az érzékenységre optimalizált pipeline-ok csökkenthetik a kiolvasási zaj alsó határát. Pontosan ezért kell a kiolvasási zaj specifikációit mindig leolvasnia mód nevével és a megadott bitmélységgel együttAmikor kamerákat hasonlítasz össze (vagy egy kamerát egy közzétett értékhez hasonlítasz), győződj meg róla, hogy a kamerát…ugyanaz a mód, nem csak a legalacsonyabb címsorszám.
Mikor számít a leolvasási zaj?
A kiolvasási zaj nem korlátoz minden kísérletet. Hogy mégis számít, az egy egyszerű kérdésen múlik: a kiolvasási zaj a teljes zajszint érdemi részét képezi-e az adott jelszinten? Világos körülmények között a foton- (felvételi) zaj általában dominál. Gyenge jel esetén a kiolvasási zaj lehet az a tényező, amely meghatározza a jel-zaj arányt – és néha azt is, hogy egyáltalán látható-e halvány szerkezet.
Olvasási zaj kontra lövési zaj: egy gyors ökölszabály
A felvétel zaja a jellel együtt növekszik√N(ahol N a detektált fotoelektronok száma). A kiolvasási zaj nagyjából egyállandó pixelenként és képkockánkéntegy adott módhoz. Ez azt jelenti:
● Amagas N, √N nagy, és a kiolvasási zaj kis mértékben járul hozzá.
● Aalacsony N, √N kicsi, és a kiolvasási zaj dominálhat.
Gyakorlati átmenet az, amikorlövészaj ≈ kiolvasási zaj, azaz amikor√N ≈ REz megfelel a következőnek:N ≈ R².
Például, ha egy mód rendelkezikR = 2 e⁻ RMS,A kiolvasási zaj akkor válik jelentőssé, ha a jel pixelenként néhány elektrontól néhány tíz elektronig terjed (mivel R2=4). HaR = 10⁻, a kereszteződés körülbelül 102 = 100 elektron/pixelre tolódik el.
Egy konkrét példa a jel-zaj arányra (miért elhanyagolható világos jelenetekben)
Tegyük fel, hogy egy pixel tartalmaz2000 euróa jel. A felvétel zaja√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Ha a leolvasás zajos10 euró, a teljes zaj (RMS):
Tehát az SNR 2000/44,7≈44,7-ről 2000/45,8≈43,7-re változik – ami kis különbség. Más szóval, magas jelszinteknél a kiolvasási zaj csökkentése ritkán változtatja meg a látható képet.
Erős megvilágítású jelenetekben, ahol minden pixel több ezer fotoelektront gyűjt össze, a kiolvasási zaj a teljes zajszinten belül csak kis tényezővé válik. Például 2000 e⁻ jelszint esetén 10 e⁻ kiolvasási zaj hozzáadása csak néhány százalékkal – gyakran észrevehetetlenül – változtatja meg a jel-zaj arányt (SNR), míg pixelenként több tíz elektron esetén a kiolvasási zaj jelentősen korlátozhatja a jel-zaj arányt és a látható részleteket.
Amikor a kiolvasási zaj valódi limiterré válik
A kiolvasási zaj akkor a legjelentősebb, ha a kísérlet képkockánként jelkorlátozott – ami azt jelenti, hogy minden pixel egyetlen expozíció során csak kis számú fotoelektront gyűjt össze. Ebben a rendszerben a kiolvasási zaj dominálhatja a zajszintet, csökkentheti a jel-zaj arányt (SNR) és elfedheti a halvány szerkezetet.
Gyakori alkalmazási jelzések a következők:
●Gyenge fluoreszcencia / alacsony jelölési sűrűség, különösen rövid expozíciók vagy gyorsított felvételek esetén
●Egymolekulás fluoreszcenciaés lokalizációalapú szuperfelbontás, ahol a jelek emitterenként és képkockánként csak néhány fotonból állhatnak
●Kemilumineszcencia képalkotás, ahol a fotonköltségvetések eredendően alacsonyak, és a leolvasási zaj dominálhat
●Nagysebességű funkcionális képalkotás (feszültség/membránpotenciál, gyors kalcium képalkotás), ahol a rövid expozíciók csökkentik a képkockánkénti fotonszámot
●Fotonhiányos képalkotási munkafolyamatok(pl. nagyon halvány képkockák, még akkor is, ha később halmozással/átlagolással tervezed)
Gyakorlati ellenőrzésként: ha a tipikus pixelenkénti jel atöbb száz vagy akár több ezer elektronképkockánként a kiolvasási zaj ritkán domináns. Ha atíz vagy kevesebb elektronA kiolvasási zaj és a módválasztás erősen befolyásolhatja a képminőséget.
Következtetés
A kiolvasási zaj egy módfüggő, a kiolvasási lánc által korlátozott kifejezés – így az egyetlen értelmes összehasonlítást illesztett feltételek (mód, kiolvasási sebesség, erősítés/konverziós erősítés, ADC/bitmélység, ROI) között végzik. Világos jelenetekben gyakran elhanyagolható, de alacsony jelerősségű képalkotás esetén jelentősen korlátozhatja a jel-zaj arányt és az észlelhetőséget.
Ha szeretne javaslatot kapni a kísérletéhez, ossza meg az alkalmazás részleteit (jelszint, expozíciós idő, képkockasebesség, hullámhossz és célzott jel-zaj arány). Képalkotó szakembereink javaslatokat tudnak tenni.Tucsen kameraés a legjobb kiolvasási mód az érzékenység, a sebesség és a dinamikatartomány egyensúlyának megteremtéséhez.
