25/08/19כשמדובר בלכידת תמונות מדויקות ואמינות במחקר מדעי, איכות הנתונים תלויה ביותר מאשר רק רזולוציה או גודל חיישן. אחד המדדים החשובים ביותר - אך לעיתים מתעלמים ממנו - הוא יחס אות לרעש (SNR). במערכות הדמיה, יחס אות לרעש קובע עד כמה ניתן להבחין בבירור בין האות בפועל (מידע שימושי) לרעש לא רצוי.
ביישומי הדמיה מדעית כמו מיקרוסקופיה, אסטרונומיה וספקטרוסקופיה, יחס אות לרעש נמוך יכול להיות ההבדל בין גילוי מטרה חלשה לבין החמצתה לחלוטין. מאמר זה בוחן כיצד מוגדר יחס אות לרעש, מדוע הוא חשוב, כיצד הוא משפיע על הניגודיות, וכיצד לבחור ולמטב מצלמה מדעית על סמך מדד קריטי זה.
מהו יחס אות לרעש וכיצד הוא מוגדר?
יחס אות לרעש (SNR) הוא המדד החשוב ביותר לאיכות התמונה שלנו, בסיסי בניגודיות התמונה, ולעתים קרובות הגורם הקובע ביותר האם מצלמה רגישה מספיק עבור היישום שלך.
ניסיונות לשפר את רגישות המצלמה סובבים סביב שיפור האות הנאסף:
● באמצעות שיפורים ביעילות הקוונטית או הגדלת גודל הפיקסלים
● הפחתת מקורות רעש התלויים במצלמה
מקורות רעש מצטברים יחד, אך בהתאם לנסיבות אחד יכול לשלוט, ויש להתמקד בהם כשמנסים לשפר את יחס האות לרעש - בין אם באמצעות אופטימיזציה של הגדרות או התקנה, או באמצעות שדרוג למקורות אור, אופטיקה ומצלמות טובים יותר.
זהו קיצור נפוץ לתאר תמונות במונחים של יחס אות לרעש יחיד, לדוגמה לטעון שלתמונה יש יחס אות לרעש של '15'. עם זאת, כפי שעולה מהשם, יחס האות לרעש תלוי באות, שיהיה כמובן שונה עבור כל פיקסל. זה מה שנותן לנו את התמונה שלנו.
יחס ה-SNR של תמונה מתייחס בדרך כלל ליחס ה-SNR של אות השיא הרצוי בתוך התמונה. לדוגמה, יחס אות לרעש מתמונה של תאים פלואורסצנטיים על רקע כהה ישתמש בעוצמת אות השיא מהפיקסלים של מבנה הרצוי בתוך התא.
לא מייצג לקחת, לדוגמה, ערך ממוצע עבור יחס האות לרעש (SNR) של התמונה כולה. בטכניקות כמו מיקרוסקופ פלואורסצנטי, שבהן רקע כהה עם אפס פוטונים שזוהו יכול להיות נפוץ, לפיקסלים ללא אות יש יחס אות לרעש של אפס. לכן, כל ממוצע על פני תמונה יהיה תלוי במספר הפיקסלים ברקע הנראים.
מדוע יחס אות לרעש (SNR) חשוב למצלמות מדעיות
בהדמיה מדעית, יחס אות לרעש (SNR) משפיע ישירות על מידת היכולת לזהות פרטים חלשים, למדוד נתונים כמותיים ולשחזר תוצאות.
●בהירות תמונה– יחס אות לרעש גבוה יותר מפחית גרגיריות ומאפשר נראות מבנים עדינים.
●דיוק הנתונים– מפחית שגיאות מדידה בניסויים מבוססי עוצמה.
●ביצועים בתאורה חלשה– חיוני למיקרוסקופיה פלואורסצנטית, אסטרופוטוגרפיה בשמיים עמוקים וספקטרוסקופיה, שבהן ספירת הפוטונים נמוכה באופן טבעי.
בין אם אתה משתמש ב-מצלמת sCMOSעבור הדמיה במהירות גבוהה או CCD מקורר עבור יישומים עם חשיפה ארוכה, הבנת יחס אות לרעש (SNR) עוזרת לך לאזן בין פשרות ביצועים.
כיצד יחס אות לרעש (SNR) משפיע על ניגודיות התמונה
ניגודיות היא ההבדל היחסי בעוצמה בין אזורים בהירים לאזורים כהים בתמונה. עבור יישומים רבים, ניגודיות תמונה טובה בתוך אזורים מעניינים היא המטרה הסופית.
ישנם גורמים רבים בתוך נושא הצילום, המערכת האופטית ותנאי הצילום שהם הגורמים הקובעים העיקריים של ניגודיות התמונה, כגון איכות העדשה וכמות אור הרקע.
●יחס אות לרעש גבוההפרדה ברורה בין אזורים בהירים וכהים; הקצוות נראים חדים; פרטים עדינים נשארים גלויים.
●יחס אות לרעש נמוךאזורים כהים מתבהרים עקב רעש, אזורים בהירים מתעממים, והניגודיות הכללית של התמונה מתיישרת.
לדוגמה, במיקרוסקופ פלואורסצנטי, יחס אות לרעש נמוך יכול לגרום לדגימה פלואורסצנטית חלשה להשתלב ברקע, מה שהופך את הניתוח הכמותי ללא אמין. באסטרונומיה, כוכבים או גלקסיות חלשות יכולים להיעלם לחלוטין בנתונים רועשים.
עם זאת, ישנם גם גורמים בתוך המצלמה עצמה – הגורם העיקרי הוא יחס אות לרעש. יתר על כן, ובמיוחד בתאורה חלשה, שינוי גודל עוצמת התמונה, אופן הצגת התמונה על הצג, משחק תפקיד גדול בניגודיות התמונה הנתפסת. עם רעש גבוה באזורים חשוכים של התמונה, אלגוריתמים של שינוי גודל תמונה אוטומטי עלולים לגרום לגבול התחתון שלהם להיות מוגדר נמוך מדי על ידי פיקסלים רועשים בעלי ערך נמוך, בעוד שהגבול העליון גדל עקב רעש בפיקסלים בעלי אות גבוה. זוהי הסיבה למראה האפור ה"דהוי" האופייני של תמונות בעלות יחס אות לרעש נמוך. ניתן להשיג ניגודיות טובה יותר על ידי הגדרת הגבול התחתון להיסט המצלמה.
גורמים המשפיעים על יחס אות לרעש (SNR) במצלמות מדעיות
מספר פרמטרים עיצוביים ותפעוליים משפיעים על רמת ה-SNR של מערכת מצלמה:
טכנולוגיית חיישנים
● sCMOS – משלב רעש קריאה נמוך וקצב פריימים גבוה, אידיאלי להדמיה דינמית.
● CCD – מבחינה היסטורית מציע רעש נמוך בחשיפות ארוכות, אך איטי יותר מתכנני CMOS מודרניים.
● EMCCD – משתמש בהגברה על השבב כדי לחזק אותות חלשים, אך יכול להכניס רעש כפלי.
גודל פיקסל וגורם מילוי
פיקסלים גדולים יותר אוספים יותר פוטונים, מה שמגדיל את האות ולכן את ה-SNR.
יעילות קוונטית (QE)
QE גבוה יותר פירושו שיותר פוטונים נכנסים מומרים לאלקטרונים, מה שמשפר את יחס האות לרעש.
זמן חשיפה
חשיפות ארוכות יותר אוספות יותר פוטונים, מה שמגביר את האות, אך עשויות גם להגביר את רעש הזרם האפל.
מערכות קירור
קירור מפחית את זרם החושך, ומשפר משמעותית את יחס האות לרעש (SNR) בחשיפות ארוכות.
אופטיקה ותאורה
עדשות איכותיות ותאורה יציבה ממקסמות את לכידת האות וממזערות את השונות.
דוגמאות לערכי יחס אות לרעש (SNR) שיא שונים
בצילום, PSNR מתייחס לעתים קרובות למקסימום תיאורטי ביחס לרוויית הפיקסלים. למרות הבדלים בנושאי הצילום, תנאי הצילום וטכנולוגיית המצלמה, עבור מצלמות מדעיות קונבנציונליות, תמונות בעלות אותו יחס אות לרעש יכולות להיות בעלות קווי דמיון. מידת ה"גרגיריות", השונות מפריים לפריים, ובמידה מסוימת גם הניגודיות, כולן יכולות להיות דומות בתנאים השונים הללו. לכן, ניתן להבין את ערכי יחס האות לרעש ואת התנאים והאתגרים השונים שהם מרמזים עליהם מתמונות מייצגות, כגון אלו המוצגות בטבלה.
פֶּתֶק: ערכי שיא האות בפוטואלקטרונים עבור כל שורה ניתנים בכחול. כל התמונות מוצגות עם קנה מידה אוטומטי של היסטוגרמה, תוך התעלמות (רוויה) של 0.35% מהפיקסלים הבהירים והכהים ביותר. שתי עמודות תמונה שמאליות: הדמיה מבוססת עדשה של מטרת בדיקת הדמיה. ארבע עמודות ימין: אסקריס שנלכד בפלואורסצנציה עם מטרת מיקרוסקופ 10x. כדי להמחיש את השינויים בין פריים לפריים בערכי הפיקסלים ב-SNR נמוך יותר, מוצגות שלוש פריימים עוקבים.
מוצגות תמונה של מטרת בדיקה המבוססת על עדשה, יחד עם תמונה של מיקרוסקופ פלואורסצנטי, יחד עם תצוגה מוגדלת של התמונה הפלואורסצנטית המציגה את השונות בתוך 3 פריימים עוקבים. כמו כן ניתן שיא ספירת הפוטואלקטרונים בכל רמת אות.
האיור הבא מציג את הגרסאות המלאות של תמונות לדוגמה אלה לצורך עיון.
תמונות בגודל מלא המשמשות לטבלת דוגמאות ליחס אות לרעש
שְׁמֹאלמטרת בדיקת הדמיה שצולמה באמצעות עדשה.
יָמִינָהדגימה של חתך תולעת נמטודה Ascaris שנצפה באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי בהגדלה פי 10.
יחס אות לרעש (SNR) ביישומים
SNR הוא קריטי למשימה במגוון תחומים:
● מיקרוסקופיה – גילוי פלואורסצנציה חלשה בדגימות ביולוגיות דורש יחס אות לרעש גבוה כדי למנוע תוצאות שליליות שגויות.
● אסטרונומיה – זיהוי גלקסיות או כוכבי לכת רחוקים דורש חשיפות ארוכות עם רעש מינימלי.
● ספקטרוסקופיה – יחס אות לרעש גבוה מבטיח מדידות מדויקות של עוצמת שיא בניתוח כימי.
● בדיקה תעשייתית – בקווי הרכבה עם תאורה נמוכה, יחס אות לרעש גבוה מסייע בזיהוי פגמים בצורה אמינה.
בחירת מצלמה מדעית עם יחס אות לרעש (SNR) נכון
בעת הערכת מצלמה מדעית חדשה:
●בדיקת מפרט יחס אות לרעש– השווה ערכי dB בתנאים דומים ליישום שלך.
●איזון מדדים אחרים– יש לקחת בחשבון את היעילות הקוונטית, הטווח הדינמי וקצב הפריימים.
●התאמת טכנולוגיה למקרה השימוש– עבור סצנות דינמיות במהירות גבוהה, מצלמת sCMOS עשויה להיות אידיאלית; עבור נושאים סטטיים עם תאורה נמוכה במיוחד, CCD מקורר או EMCCD עשויים לתפקד טוב יותר.
●קישוריות ליעילות זרימת עבודה– למרות שהן אינן משפיעות ישירות על יחס האות לרעש (SNR), תכונות כמו פלט HDMI יכולות לאפשר סקירת תמונה בזמן אמת, ולעזור לך לוודא במהירות שהגדרות הרכישה שלך משיגות את יחס האות לרעש הרצוי.
מַסְקָנָה
יחס אות לרעש (SNR) הוא מדד ביצועים מרכזי המשפיע ישירות על הבהירות והאמינות של תמונות מדעיות. הבנת האופן שבו מוגדר יחס אות לרעש, הגורמים המשפיעים עליו וההשלכות של ערכי אות לרעש שונים מאפשרת לחוקרים ולמשתמשים טכניים להעריך מערכות הדמיה בצורה יעילה יותר. על ידי יישום ידע זה - בין אם בבחירת מכשיר חדש...מצלמה מדעיתאו אופטימיזציה של הגדרה קיימת - תוכלו להבטיח שתהליך העבודה של ההדמיה שלכם לוכד נתונים ברמת הדיוק הנדרשת ליישום הספציפי שלכם.
שאלות נפוצות
מה נחשב יחס אות לרעש (SNR) "טוב" עבור מצלמות מדעיות?
יחס ה-SNR האידיאלי תלוי ביישום. עבור עבודה כמותית תובענית מאוד - כגון מיקרוסקופ פלואורסצנטי או אסטרונומיה - מומלץ בדרך כלל יחס ...
כיצד יעילות קוונטית (QE) משפיעה על יחס אות לרעש (SNR)?
יעילות קוונטית מודדת את היעילות שבה חיישן ממיר פוטונים נכנסים לאלקטרונים. יעילות קוונטית גבוהה יותר פירושה שיותר מהאור הזמין נלכד כאות, מה שמגביר את המונה במשוואת יחס האות לרעש (SNR). זה חשוב במיוחד בתרחישים של תאורה חלשה, שבהם כל פוטון נחשב. לדוגמה, מצלמת sCMOS עם QE של 80% תשיג יחס אות לרעש גבוה יותר בתנאים זהים בהשוואה לחיישן עם QE של 50%, פשוט משום שהיא לוכדת אות שמיש יותר.
מה ההבדל בין יחס אות לרעש (SNR) לבין יחס ניגודיות לרעש (CNR)?
בעוד ש-SNR מודד את עוצמת האות הכוללת ביחס לרעש, CNR מתמקד בנראות של מאפיין ספציפי על רקעו. בהדמיה מדעית, שניהם חשובים: SNR מציין עד כמה התמונה "נקייה" באופן כללי, בעוד ש-CNR קובע האם אובייקט מסוים בולט מספיק לגילוי או מדידה.
רוצה ללמוד עוד? עיין במאמרים קשורים:
יעילות קוונטית במצלמות מדעיות: מדריך למתחילים
Tucsen Photonics Co., Ltd. כל הזכויות שמורות. בעת ציטוט, אנא ציינו את המקור:www.tucsen.com
