25/08/19Þegar kemur að því að taka nákvæmar og áreiðanlegar myndir í vísindarannsóknum, þá veltur gæði gagnanna á meiru en bara upplausn eða stærð skynjara. Einn mikilvægasti – en stundum gleymdur – mælikvarðinn er merkis-til-suðhlutfall (SNR). Í myndgreiningarkerfum ákvarðar SNR hversu greinilega er hægt að greina á milli raunverulegs merkis (gagnlegra upplýsinga) og óæskilegs suðs.
Í vísindalegum myndgreiningartækjum eins og smásjárskoðun, stjörnufræði og litrófsgreiningu getur lélegt SNR skipt sköpum um hvort greina þurfi dauft skotmark eða missa það alveg. Þessi grein fjallar um hvernig SNR er skilgreint, hvers vegna það skiptir máli, hvernig það hefur áhrif á birtuskil og hvernig á að velja og fínstilla vísindamyndavél út frá þessum mikilvæga mælikvarða.
Hvað er merkis-til-hávaðahlutfall og hvernig er það skilgreint?
Merkis-til-suðhlutfallið (SNR) er mikilvægasta mælikvarðinn á myndgæði okkar, grundvallaratriði í myndbirtingum og oft gagnlegasti ákvarðandi þátturinn í því hvort myndavél sé nógu næm fyrir notkun þína.
Tilraunir til að bæta næmi myndavélarinnar snúast bæði um að bæta söfnuðu merki:
● Með því að bæta skammtavirkni eða auka pixlastærð
● Að draga úr hávaða sem tengist myndavélinni
Hávaðagjafar leggjast saman, en eftir aðstæðum getur ein þeirra ráðið ríkjum og ætti að einbeita sér að henni þegar reynt er að bæta SNR – annað hvort með því að fínstilla stillingar eða uppsetningu eða með því að uppfæra í betri ljósgjafa, sjóntæki og myndavélar.
Það er algeng stytting að lýsa myndum út frá einu merkis-til-suðhlutfalli, til dæmis að fullyrða að mynd hafi SNR upp á '15'. Hins vegar, eins og nafnið gefur til kynna, fer merkis-til-suðhlutfallið eftir merkinu, sem er auðvitað mismunandi fyrir hverja pixlu. Þetta er það sem gefur okkur myndina okkar.
SNR myndar vísar venjulega til SNR hámarksmerkisins sem um ræðir innan myndarinnar. Til dæmis myndi SNR úr mynd af flúrljómandi frumum á dökkum bakgrunni nota hámarksmerkisstyrk frá pixlum í byggingarbyggingu sem um ræðir innan frumunnar.
Það er ekki dæmigert að taka til dæmis meðalgildi fyrir SNR (signal-ruist) allrar myndarinnar. Í aðferðum eins og flúrljómunarsmásjá þar sem dökkur bakgrunnur með núll greindum ljóseindum getur verið algengur, hafa þessir núllmerkispixlar SNR núll. Þess vegna myndi hvaða meðaltal sem er yfir mynd ráðast af því hversu margir bakgrunnspixlar væru í sýnilegum.
Af hverju skiptir SNR máli fyrir vísindamyndavélar
Í vísindalegri myndgreiningu hefur SNR bein áhrif á hversu vel þú getur greint dauf smáatriði, mælt megindleg gögn og endurtekið niðurstöður.
●Skýrleiki myndar– Hærra SNR dregur úr kornóttleika og gerir fínar uppbyggingar sýnilegar.
●Nákvæmni gagna– Minnkar mælingavillur í tilraunum sem byggjast á styrkleika.
●Afköst í litlu ljósi– Nauðsynlegt fyrir flúrljómunarsmásjárskoðun, djúphiminsstjörnuljósmyndun og litrófsgreiningu, þar sem fjöldi ljóseinda er náttúrulega lágur.
Hvort sem þú ert að notasCMOS myndavélFyrir háhraða myndgreiningu eða kælda CCD-myndavél fyrir notkun með langri lýsingu, hjálpar skilningur á signal-snúru (SNR) þér að vega og meta afköst.
Hvernig SNR hefur áhrif á myndskilyrði
Andstæður eru hlutfallslegur munur á styrkleika milli ljósra og dökkra svæða á mynd. Í mörgum tilfellum er góður andstæður innan áhugaverðra svæða endanleg lausn.
Margir þættir innan myndefnisins, sjónkerfisins og myndskilyrða eru helstu ákvarðandi þættir myndbirtinga, svo sem linsugæði og magn bakgrunnsljóss.
●Hátt snúningshraði (SNR)→ Greinilega aðgreining á milli bjartra og dökkra svæða; brúnir birtast skarpar; fínleg smáatriði eru áfram sýnileg.
●Lágt snúningshraði (SNR)→ Dökk svæði verða bjartari vegna suða, björt svæði verða daufari og heildarandstæður myndarinnar flatnast út.
Til dæmis, í flúrljómunarsmásjá getur lágt SNR valdið því að veikt flúrljómandi sýni blandast saman við bakgrunninn, sem gerir megindlega greiningu óáreiðanlega. Í stjörnufræði geta daufar stjörnur eða vetrarbrautir horfið alveg í hávaðasömum gögnum.
Hins vegar eru einnig þættir innan myndavélarinnar sjálfrar – aðalþátturinn er hlutfall merkis og suðs. Ennfremur, og sérstaklega við litla birtu, gegnir myndstyrksbreyting, hvernig myndin birtist á skjánum, stóru hlutverki í skynjuðu birtingarmyndaskili. Með miklu suði á dökkum svæðum myndarinnar geta reiknirit fyrir sjálfvirka myndstærðarbreytingu fengið neðri mörk sín of lágt sett vegna lágsuðs pixla, en efri mörkin eru aukin vegna suðs í pixlum með hátt merki. Þetta er orsök einkennandi „þvoðs“ grás útlits mynda með lágu SNR. Betri birtingarmynd er hægt að fá með því að stilla neðri mörkin á offset myndavélarinnar.
Þættir sem hafa áhrif á SNR í vísindamyndavélum
Nokkrir hönnunar- og rekstrarþættir hafa áhrif á SNR myndavélakerfis:
Skynjaratækni
● sCMOS – Sameinar lágt lestrarsuð og háan rammatíðni, tilvalið fyrir kraftmikla myndgreiningu.
● CCD – Hefur sögulega boðið upp á lítið suð við langar lýsingartímar, en er hægara en nútíma CMOS-hönnun.
● EMCCD – Notar innbyggða mögnun til að styrkja veik merki en getur valdið margföldunarhávaða.
Pixlastærð og fyllingarstuðull
Stærri pixlar safna fleiri ljóseindum, sem eykur merkið og þar með signal-snarið (SNR).
Skammtanýtni (QE)
Hærri magngreining þýðir að fleiri ljóseindir sem koma inn eru umbreyttar í rafeindir, sem bætir signal-snertingu (SNR).
Smitunartími
Lengri lýsingar safna fleiri ljóseindum, sem eykur merkið, en getur einnig aukið suð frá myrkrastraumi.
Kælikerfi
Kæling dregur úr dökkstraumi, sem bætir verulega signal-snúning (SNR) við langar lýsingartímar.
Ljósfræði og lýsing
Hágæða linsur og stöðug lýsing hámarka merkjatöku og lágmarka breytileika.
Dæmi um mismunandi hámarks-SNR gildi
Í myndgreiningu vísar PSNR oft til fræðilegs hámarksgildis miðað við pixlamettun. Þrátt fyrir mismunandi myndefni, myndskilyrði og myndavélatækni geta myndir með sama merkis-til-suðhlutfalli verið líkar í hefðbundnum vísindamyndavélum. Kornóttleiki, breytileiki milli ramma og að einhverju leyti birtuskilin geta öll verið svipuð við þessar mismunandi aðstæður. Þess vegna er mögulegt að skilja SNR-gildi og mismunandi aðstæður og áskoranir sem þau fela í sér út frá dæmigerðum myndum, eins og þeim sem sýndar eru í töflunni.
ATHUGIÐ: Hámarksgildi merkja í ljósrafeindum fyrir hverja röð eru gefin upp í bláu. Allar myndir eru sýndar með sjálfvirkri súluritskvarða, án þess að taka tillit til (mettunar) 0,35% af björtustu og dekkstu pixlunum. Tveir mynddálkar vinstra megin: Linsutengd myndgreining á myndgreiningarprófunarmarkmiði. Fjórir dálkar hægra megin: Ascaris tekinn með flúrljómun með 10x smásjárobjektiglu. Til að sýna fram á breytileika milli ramma í pixlagildum við lægra SNR eru þrír rammar í röð sýndir.
Sýnd er linsumynd af prófunarmarki ásamt flúrljómunarsmásjármynd, ásamt aðdráttarmynd af flúrljómunarmyndinni sem sýnir breytingar innan þriggja ramma í röð. Hámarksfjöldi ljósrafeinda á hverju merkisstigi er einnig gefinn.
Eftirfarandi mynd sýnir heildarútgáfur af þessum dæmamyndum til viðmiðunar.
Myndir í fullri stærð notaðar í töflu með dæmum um hlutfall merkis og suðs
VinstriMyndgreiningarprófunarmarkmið ljósmyndað með linsu.
HægriSýnishorn af Ascaris þráðormsskoru skoðað með flúrljómunarsmásjá við 10x stækkun.
SNR í forritum
SNR er afar mikilvægt á ýmsum sviðum:
● Smásjárskoðun – Til að greina daufa flúrljómun í líffræðilegum sýnum þarf hátt signal-snúningsgildi (SNR) til að forðast falskar neikvæðar niðurstöður.
● Stjörnufræði – Að bera kennsl á fjarlægar vetrarbrautir eða reikistjörnur utan jarðar krefst langrar lýsingar með lágmarks suði.
● Litrófsgreining – Hátt SNR tryggir nákvæmar mælingar á hámarksstyrkleika í efnagreiningu.
● Iðnaðarskoðun – Í samsetningarlínum með lítilli birtu hjálpar hátt SNR til við að greina galla áreiðanlega.
Að velja vísindamyndavél með réttu SNR
Þegar ný vísindamyndavél er metin:
●Athugaðu SNR upplýsingar– Berðu saman dB gildi við svipaðar aðstæður og í þínu forriti.
●Jafnvægi annarra mælikvarða– Takið tillit til skammtafræðilegs skilvirkni, kraftmikils sviðs og rammatíðni.
●Paraðu tækni við notkunartilvik– Fyrir hraðar, kraftmiklar senur gæti sCMOS myndavél verið tilvalin; fyrir kyrrstæð viðfangsefni með mjög lítilli birtu gæti kælt CCD eða EMCCD virkað betur.
●Tengingar fyrir skilvirkni vinnuflæðis– Þó að eiginleikar eins og HDMI-útgang hafi ekki bein áhrif á SNR geta þeir gert kleift að skoða myndina í rauntíma og hjálpað þér að staðfesta fljótt að myndatökustillingarnar nái tilætluðu SNR.
Niðurstaða
Merkis-til-suðhlutfall (SNR) er lykilmælikvarði á afköst sem hefur bein áhrif á skýrleika og áreiðanleika vísindamynda. Að skilja hvernig SNR er skilgreint, þá þætti sem hafa áhrif á það og áhrif mismunandi SNR-gilda gerir vísindamönnum og tæknilegum notendum kleift að meta myndgreiningarkerfi á skilvirkari hátt. Með því að beita þessari þekkingu - hvort sem er við val á nýrri ...vísindamyndavéleða fínstilla núverandi uppsetningu — þú getur tryggt að myndvinnsluflæðið þitt skrái gögn með þeirri nákvæmni sem krafist er fyrir þína tilteknu notkun.
Algengar spurningar
Hvað telst „gott“ SNR fyrir vísindamyndavélar?
Kjörinn SNR fer eftir notkun. Fyrir mjög krefjandi, megindlega vinnu — eins og flúrljómunarsmásjá eða stjörnufræði — er almennt mælt með SNR yfir 40 dB, þar sem það gefur myndir með lágmarks sýnilegu suð og varðveitir fínar upplýsingar. Fyrir almenna notkun á rannsóknarstofum eða iðnaðarskoðun geta 35–40 dB verið nægjanleg. Allt undir 30 dB mun venjulega sýna sýnileg korn og getur haft áhrif á nákvæmni, sérstaklega við aðstæður með litlum birtuskilum.
Hvernig hefur skammtavirkni (QE) áhrif á signal-snertingu (SNR)?
Kvantanýtni mælir hversu áhrifaríkt skynjari breytir ljóseindir sem berast í rafeindir. Hærri magngreiningarhlutfall þýðir að meira af tiltæku ljósi er fangað sem merki, sem eykur teljarann í signal-svörunarjöfnunni. Þetta er sérstaklega mikilvægt í aðstæðum með litla birtu, þar sem hver einasta ljóseind skiptir máli. Til dæmis mun sCMOS myndavél með 80% magngreiningarhlutfall ná hærra signal-svörunarhlutfalli við sömu aðstæður samanborið við skynjara með 50% magngreiningarhlutfall, einfaldlega vegna þess að hún fangar meira nothæft merki.
Hver er munurinn á SNR og hlutfalli andstæðu og suðs (CNR)?
Þótt SNR mæli heildarmerkisstyrk miðað við hávaða, þá einbeitir CNR sér að sýnileika tiltekins eiginleika gegn bakgrunni hans. Í vísindalegri myndgreiningu eru báðir þættir mikilvægir: SNR segir til um hversu „hrein“ myndin er í heildina, en CNR ákvarðar hvort tiltekinn áhugaverður hlutur sker sig nógu mikið úr til að greina eða mæla.
Viltu læra meira? Skoðaðu tengdar greinar:
Skammtanýtni í vísindamyndavélum: Leiðbeiningar fyrir byrjendur
Tucsen Photonics Co., Ltd. Allur réttur áskilinn. Vinsamlegast getið heimildar þegar vitnað er í:www.tucsen.com
