25/09/11Кез келген өлшеу жүйесінде — сымсыз байланыстан сандық фотосуретке дейін — сигнал-шу қатынасы (SNR) сапаның негізгі көрсеткіші болып табылады. Телескоп кескіндерін талдасаңыз, микрофон жазбаларын жақсартсаңыз немесе сымсыз байланыс ақауларын жойсаңыз, SNR сізге қажет емес фондық шудан қаншалықты пайдалы ақпарат ерекшеленетінін көрсетеді.
Бірақ SNR дұрыс есептеу әрқашан оңай емес. Жүйеге байланысты күңгірт ток, оқу шуы немесе пиксельді біріктіру сияқты қосымша факторларды ескеру қажет болуы мүмкін. Бұл нұсқаулық сізге теорияны, негізгі формулаларды, жалпы қателерді, қолданбаларды және SNR жақсартудың практикалық жолдарын көрсетеді, бұл оны контексттердің кең ауқымында дәл қолдануға мүмкіндік береді.
Сигнал-шу қатынасы (SNR) дегеніміз не?
Сигнал-шу қатынасы өз негізінде қалаған сигналдың күші мен оны жасыратын фондық шу арасындағы қатынасты өлшейді.
● Сигнал = мағыналы ақпарат (мысалы, қоңыраудағы дауыс, телескоп кескініндегі жұлдыз).
● Шу = сигналды бұрмалайтын немесе жасыратын кездейсоқ, қажетсіз ауытқулар (мысалы, статикалық, сенсорлық шу, электрлік кедергі).
Математикалық тұрғыдан SNR келесідей анықталады:
Бұл арақатынастар шаманың көптеген реттері бойынша өзгеруі мүмкін болғандықтан, SNR әдетте децибелмен (дБ) көрсетіледі:
● Жоғары SNR (мысалы, 40 дБ): сигнал басым болады, нәтижесінде анық және сенімді ақпарат болады.
● Төмен SNR (мысалы, 5 дБ): шу сигналды басып, түсіндіруді қиындатады.
SNR қалай есептеу керек
Сигнал-шу арақатынасын есептеу қандай шу көздеріне кіретініне байланысты әртүрлі дәлдік деңгейлерімен орындалуы мүмкін. Бұл бөлімде екі пішін енгізіледі: біреуі қараңғы токты есептейтін және оны елемеу мүмкін деп есептейтін.
Ескертпе: Тәуелсіз шу мәндерін қосу оларды квадратта қосуды қажет етеді. Шудың әрбір көзі шаршыланады, жинақталады және жиынтықтың квадрат түбірі алынады.
Қараңғы токпен сигнал-шу қатынасы
Төменде қара ток шуы қосуды талап ететіндей үлкен болған жағдайларда қолданылатын теңдеу берілген:
Міне, терминдердің анықтамасы:
Сигнал (e-): Бұл қараңғы ток сигналын алып тастаған фотоэлектрондардағы қызығушылық сигналы
Жалпы сигнал (e-) қызықтыратын пикселдегі фотоэлектрондар саны болады – сұр деңгей бірліктеріндегі пиксельдік мән емес. Теңдеудің төменгі жағындағы Сигналдың (e-) екінші данасы фотон түсіру шуы болып табылады.
Қараңғы ток (тұрақты ток):Сол пикселге арналған күңгірт ток мәні.
t: Экспозиция уақыты секундтарда
σr:Камера режимінде шуды оқу.
Елеусіз қараңғы ток үшін сигнал-шу қатынасы
қысқа жағдайларда (< 1 секунд) экспозиция уақыттары, сонымен қатар салқындатылған, өнімділігі жоғары камералар, қараңғы ток шуы әдетте оқылған шуылдан әлдеқайда төмен болады және қауіпсіз түрде еленбейді.
Терминдер қайтадан жоғарыда анықталғандай болғанда, күңгірт ток сигналын есептеу және сигналдан алып тастау қажет емес, өйткені ол нөлге тең болуы керек.
Бұл формулалардың шектеулері және жетіспейтін терминдер
Қарама-қарсы формулалар тек CCD және үшін дұрыс жауаптарды бередіCMOS камералары. EMCCD және күшейтілген құрылғылар қосымша шу көздерін енгізеді, сондықтан бұл теңдеулерді пайдалану мүмкін емес. Осы және басқа үлестерді есепке алатын сигнал-шу қатынасының неғұрлым толық теңдеуі үшін.
SNR теңдеулеріне жиі кіретін (немесе бұрыннан бар) басқа шу термині фото-жауаптың біркелкі еместігі (PRNU) болып табылады, сонымен қатар кейде «тіркелген үлгі шуы» (FPN) деп белгіленеді. Бұл сенсордағы күшейту мен сигнал реакциясының біркелкі еместігін білдіреді, ол жеткілікті үлкен болса, жоғары сигналдарда басым болып, SNR-ді төмендетеді.
Ерте камералар оны қосуды талап ететін айтарлықтай PRNU болғанымен, ең заманауиғылыми камераларәсіресе борттық түзетулер қолданылғаннан кейін фотонды түсіру шуынан әлдеқайда төмен үлес қосу үшін жеткілікті төмен PRNU бар. Сондықтан қазір ол әдетте SNR есептеулерінде еленбейді. Дегенмен, PRNU кейбір камералар мен қолданбалар үшін әлі де маңызды және толықтық үшін неғұрлым жетілдірілген SNR теңдеуіне енгізілген. Бұл берілген теңдеулердің CCD/CMOS жүйелерінің көпшілігі үшін пайдалы екенін білдіреді, бірақ оны әмбебап ретінде қолдануға болмайды.
SNR есептеулеріндегі шу түрлері
SNR есептеу сигналды бір шу мәнімен салыстыру ғана емес. Іс жүзінде көптеген тәуелсіз шу көздері үлес қосады және оларды түсіну өте маңызды.
Атыс шуы
● Origin: фотондардың немесе электрондардың статистикалық келуі.
● Сигналдың квадрат түбірі бар масштабтар.
● Фотонмен шектелген бейнелеуде (астрономия, флуоресцентті микроскопия) басым.
Термиялық шу
● Оны резисторлардағы электрон қозғалысы нәтижесінде пайда болатын Джонсон – Найквист шуы деп те атайды.
● Температура мен өткізу қабілеттілігіне байланысты артады.
● Электроника және сымсыз байланыс үшін маңызды.
Қараңғы ток шуы
● Датчиктердің ішіндегі күңгірт токтың кездейсоқ өзгеруі.
● Ұзақ экспозицияларда немесе жылы детекторларда маңыздырақ.
● Сенсорды салқындату арқылы азайтылады.
Шуды оқу
● Күшейткіштердің шуы және аналогты-сандық түрлендіру.
● Әр оқуға бекітілген, сигнал төмен режимдерде өте маңызды.
Кванттау шуы
● Цифрландыру арқылы енгізілген (дискретті деңгейлерге дейін дөңгелектеу).
● Тереңдігі төмен жүйелерде маңызды (мысалы, 8 биттік дыбыс).
Қоршаған орта/жүйе шуы
● EMI, қиылысу, қуат көзінің толқыны.
● Қорғау/жерге қосу нашар болса, басым болуы мүмкін.
Олардың қайсысы басым екенін түсіну дұрыс формула мен жұмсарту әдісін таңдауға көмектеседі.
SNR есептеудегі жиі кездесетін қателер
Бейнелеуде сигнал/шу қатынасын бағалау үшін көптеген «төте жол» әдістерін кездестіру оңай. Олар қарама-қарсы теңдеулерге қарағанда күрделірек болады, оқу шуы сияқты камера параметрлерін немесе екеуін де білуді талап етпей, кескіннің өзінен оңай шығаруға мүмкіндік береді. Өкінішке орай, бұл әдістердің әрқайсысы дұрыс емес және бұрмаланған және пайдалы емес нәтижелерге әкелуі мүмкін. Қарама-қарсы теңдеулерді (немесе кеңейтілген нұсқасын барлық жағдайларда пайдалану керек) қатаң түрде ұсынылады.
Ең жиі кездесетін жалған таңбашалардың кейбірі мыналарды қамтиды:
1、Сұр деңгейлерде сигнал қарқындылығы мен фондық қарқындылықты салыстыру. Бұл тәсіл ең жоғары қарқындылықты фондық қарқындылықпен салыстыру арқылы камераның сезімталдығын, сигнал күшін немесе сигналдың шуға қатынасын бағалауға тырысады. Бұл тәсіл өте қате, себебі камераның ығысуының әсері фон қарқындылығын ерікті түрде орнатуы мүмкін, күшейту сигнал қарқындылығын ерікті түрде орнатуы мүмкін және сигналда да, фонда да шудың үлесі ескерілмейді.
2、Сигнал шыңдарын фондық пикселдер аймағының стандартты ауытқуына бөлу. Немесе, сызық профилі арқылы анықталған фондық визуалды шуылмен ең жоғары мәндерді салыстыру. Бөлу алдындағы мәндерден ығысу дұрыс алынып тасталды деп есептесек, бұл тәсілдегі ең маңызды қауіп фондық жарықтың болуы болып табылады. Кез келген фондық жарық әдетте фондық пикселдердегі шуды басым болады. Әрі қарай, атыс шуы сияқты қызығушылық сигналындағы шу іс жүзінде мүлде қарастырылмайды.
3、Қызықты пикселдердегі орташа сигнал және пиксель мәндерінің стандартты ауытқуы: Көрші пикселдер немесе дәйекті кадрлар бойынша шың сигналының қаншалықты өзгеретінін салыстыру немесе бақылау басқа төте жол әдістеріне қарағанда дұрыс болуға жақынырақ, бірақ шудан туындамайтын сигналдың өзгеруі сияқты мәндерді бұрмалайтын басқа әсерлерден аулақ болу екіталай. Бұл әдіс салыстырудағы төмен пиксельдер санына байланысты дәл болмауы мүмкін. Ауыстыру құнын шегеруді де ұмытпау керек.
4、Фотоэлектрондардың қарқындылық бірліктеріне түрлендірусіз немесе ығысуды жоймай SNR есептеу: Фотонды түсіру шуы әдетте ең үлкен шу көзі болып табылады және камераның ығысуы мен өлшеуге пайдасы туралы білімге негізделгендіктен, SNR есептеулері үшін фотоэлектрондарға кері есептеуден аулақ болу мүмкін емес.
5、SNR-ді көзбен бағалау: Кейбір жағдайларда SNR-ді көзбен бағалау немесе салыстыру пайдалы болуы мүмкін, сонымен қатар күтпеген қателіктер де бар. Жоғары мәнді пикселдердегі SNR мәнін бағалау төменірек мәнге немесе фондық пикселдерге қарағанда қиынырақ болуы мүмкін. Неғұрлым нәзік әсерлер де рөл атқара алады: Мысалы, әртүрлі компьютер мониторлары кескіндерді өте әртүрлі контрастпен көрсете алады. Бұдан басқа, бағдарламалық құралда кескіндерді әртүрлі масштабтау деңгейлерінде көрсету шудың көрнекі көрінісіне айтарлықтай әсер етуі мүмкін. Бұл, әсіресе, әртүрлі объект кеңістігінің пиксель өлшемдері бар камераларды салыстыруға әрекет жасағанда қиын. Соңында, фондық жарықтың болуы SNR-ді визуалды түрде бағалау әрекетін жоққа шығаруы мүмкін.
SNR қолданбалары
SNR – кең ауқымды қолданбалары бар әмбебап метрика:
● Аудио және музыканы жазу: жазбалардың анықтығын, динамикалық ауқымын және нақтылығын анықтайды.
● Сымсыз байланыс: SNR бит қателерінің жылдамдығына (BER) және деректерді өткізу қабілетіне тікелей қатысты.
● Ғылыми кескіндеу: астрономияда аспанның фондық жарқылына қарсы әлсіз жұлдыздарды анықтау жоғары SNR қажет.
● Медициналық жабдық: ЭКГ, МРТ және КТ сканерлеу сигналдарды физиологиялық шуылдан ажырату үшін жоғары SNR-ге сүйенеді.
● Камералар және фотосуреттер: тұтынушы камералары мен ғылыми CMOS сенсорлары төмен жарықта өнімділікті салыстыру үшін SNR пайдаланады.
SNR жақсарту
SNR өте маңызды шара болғандықтан, оны жақсартуға айтарлықтай күш жұмсалады. Стратегияларға мыналар жатады:
Аппараттық тәсілдер
● Төмен қараңғы токпен жақсырақ сенсорларды пайдаланыңыз.
● EMI азайту үшін экрандауды және жерге қосуды қолданыңыз.
● Термиялық шуды басу үшін салқын детекторлар.
Бағдарламалық қамтамасыз ету тәсілдері
● Қажет емес жиіліктерді жою үшін сандық сүзгілерді қолданыңыз.
● Бірнеше кадрдың орташа мәнін пайдаланыңыз.
● Бейнелеуде немесе дыбысты өңдеуде шуды азайту алгоритмдерін қолданыңыз.
Пиксельді бөлу және оның SNR-ге әсері
Қаптаудың сигнал-шу қатынасына әсері камера технологиясына және сенсор әрекетіне байланысты, өйткені біріктірілген және қосылмаған камералардың шу өнімділігі айтарлықтай өзгеруі мүмкін.
CCD камералары көрші пикселдердің "чиптегі" зарядын қоса алады. Оқу шуы тек бір рет пайда болады, бірақ әрбір пикселден келетін күңгірт ток сигналы да қосылатын болады.
Көптеген CMOS камералары чиптен тыс жинақтауды орындайды, яғни мәндер алдымен өлшенеді (және оқу шуы енгізілген), содан кейін сандық түрде жинақталады. Мұндай қосындылар үшін оқылған шу қосынды пикселдер санының квадрат түбіріне көбейту арқылы, яғни 2x2 байланыстыру үшін 2 есе артады.
Датчиктердің шу әрекеті күрделі болуы мүмкін болғандықтан, сандық қолданбалар үшін қосылатын режимде камераның ығысуын, күшейтуін және оқу шуын өлшеген жөн және осы мәндерді сигнал-шуыл қатынасы теңдеуі үшін қолданған жөн.
Қорытынды
Сигнал-шу қатынасы (SNR) ғылымдағы, техникадағы және технологиядағы ең маңызды көрсеткіштердің бірі болып табылады. SNR телефон қоңырауларының анықтығын анықтаудан қашықтағы галактикаларды анықтауға дейін өлшеу және байланыс жүйелерінің сапасын негіздейді. SNR-ді меңгеру тек формулаларды есте сақтау ғана емес — бұл жорамалдар, шектеулер және нақты дүниедегі айырбастарды түсіну. Осы тұрғыдан алғанда, инженерлер мен зерттеушілер тіпті шулы жағдайларда да мағыналы түсініктерді шығаратын сенімдірек өлшемдер мен жобалау жүйелерін жасай алады.
Толығырақ білгіңіз келе ме? Қатысты мақалаларды қараңыз:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
