25/08/19Ғылыми зерттеулерде дәл және сенімді кескіндерді түсіруге келетін болсақ, деректеріңіздің сапасы тек рұқсат немесе сенсор өлшеміне ғана байланысты емес. Ең маңызды, бірақ кейде назардан тыс қалдырылатын көрсеткіштердің бірі - сигнал-шу қатынасы (SNR). Бейнелеу жүйелерінде SNR нақты сигналды (пайдалы ақпаратты) қажетсіз шудан қаншалықты анық айыра алатыныңызды анықтайды.
Микроскопия, астрономия және спектроскопия сияқты ғылыми бейнелеу қолданбаларында нашар SNR әлсіз нысананы анықтау мен оны толығымен жіберіп алу арасындағы айырмашылықты білдіруі мүмкін. Бұл мақалада SNR қалай анықталғаны, оның неліктен маңызды екені, оның контрастқа қалай әсер ететіні және осы маңызды көрсеткішке негізделген ғылыми камераны таңдау және оңтайландыру жолы қарастырылады.
Сигнал-шу қатынасы дегеніміз не және ол қалай анықталады?
Сигналдан шуылға қатынасы (SNR) кескін сапасының ең маңызды өлшемі, кескін контрастында негізгі және көбінесе камераның қолданбаңыз үшін жеткілікті сезімталдығын анықтайтын ең пайдалы фактор.
Камераның сезімталдығын жақсарту әрекеттері жиналған сигналды жақсартуға байланысты:
● Кванттық тиімділікті жақсарту немесе пиксел өлшемін ұлғайту арқылы
● Камераға тәуелді шу көздерін азайту
Шу көздері біріктіріледі, бірақ мән-жайларға байланысты біреу басым болуы мүмкін және SNR жақсартуға тырысқанда - параметрлерді немесе орнатуды оңтайландыру арқылы немесе жақсырақ жарық көздеріне, оптикаға және камераларға жаңарту арқылы назар аудару керек.
Кескіндерді бір сигнал-шуыл қатынасы тұрғысынан сипаттау әдеттегі стенография, мысалы, суретте SNR '15' деп мәлімдеу. Дегенмен, атаудан көрініп тұрғандай, сигнал-шу қатынасы сигналға байланысты, әрине, әр пиксел үшін әр түрлі болады. Бұл бізге біздің бейнемізді береді.
Кескіннің SNR әдетте кескіндегі қызығушылықтың ең жоғары сигналының SNR мәнін білдіреді. Мысалы, қараңғы фонда флуоресцентті ұяшықтар кескінінен алынған SNR ұяшық ішіндегі қызықтыратын құрылымның пикселдерінен сигналдың ең жоғары қарқындылығын пайдаланады.
Мысалы, бүкіл кескіннің SNR үшін орташа мәнін алу репрезентативті емес. Нөлдік анықталған фотондары бар күңгірт фон жиі кездесетін флуоресценциялық микроскопия сияқты әдістерде бұл нөлдік сигнал пикселдерінің SNR нөлге тең болады. Сондықтан кескін бойынша кез келген орташа мән қанша фондық пиксельдің көрінетініне байланысты болады.
Неліктен SNR ғылыми камералар үшін маңызды
Ғылыми бейнелеуде SNR әлсіз мәліметтерді анықтау, сандық деректерді өлшеу және нәтижелерді шығару қаншалықты жақсы екеніне тікелей әсер етеді.
●Кескін анықтығы– Жоғары SNR түйіршікті азайтады және жұқа құрылымдарды көрінеді.
●Деректер дәлдігі– Қарқындылыққа негізделген эксперименттерде өлшеу қателіктерін азайтады.
●Төмен жарық өнімділігі– Фотондар саны табиғи түрде төмен болатын флуоресцентті микроскопия, терең аспан астрофотографиясы және спектроскопия үшін өте қажет.
a пайдаланып жатсаңыз даsCMOS камерасыжоғары жылдамдықты бейнелеу үшін немесе ұзақ экспозициялық қолданбаларға арналған салқындатылған CCD үшін SNR түсіну өнімділік сәйкестігін теңестіруге көмектеседі.
SNR кескін контрастына қалай әсер етеді
Контраст - кескіннің жарық аймақтары мен күңгірт аймақтары арасындағы қарқындылықтың салыстырмалы айырмашылығы. Көптеген қолданбалар үшін қызығушылық аймақтарындағы жақсы кескін контрастын сақтау түпкілікті мақсат болып табылады.
Бейнелеу нысанында, оптикалық жүйеде және кескіндеу шарттарында объектив сапасы мен фондық жарықтың мөлшері сияқты кескін контрастын анықтайтын негізгі факторлар болып табылатын көптеген факторлар бар.
●Жоғары SNR→ Жарық және қараңғы аймақтарды айқын ажырату; шеттері қытырлақ болып көрінеді; жіңішке детальдар көрінетін болып қалады.
●Төмен SNR→ Күңгірт аймақтар шудың әсерінен жарқырайды, жарық аймақтар күңгірттенеді және жалпы кескін контрастын тегістейді.
Мысалы, флуоресцентті микроскопияда төмен SNR әлсіз флуоресцентті үлгіні фонға араластырып, сандық талдауды сенімсіз етеді. Астрономияда әлсіз жұлдыздар немесе галактикалар шулы деректерде толығымен жоғалып кетуі мүмкін.
Дегенмен, камераның өзінде де факторлар бар - негізгі фактор - шуылға сигналдың қатынасы. Әрі қарай, әсіресе жарық аз болғанда, кескіннің мониторда қалай көрсетілетіні кескіннің қарқындылығын масштабтау қабылданатын кескін контрастында үлкен рөл атқарады. Кескіннің күңгірт аймақтарында жоғары шуылмен автоматты кескінді масштабтау алгоритмдері олардың төменгі шекарасын төмен мәнді шулы пикселдер арқылы тым төмен орнатуы мүмкін, ал жоғары шекара жоғары сигнал пикселдеріндегі шу арқылы жоғарылайды. Бұл SNR деңгейі төмен кескіндердің тән «шайылған» сұр көрінісінің себебі. Төменгі шекараны камера ығысуына орнату арқылы жақсырақ контрастты алуға болады.
Ғылыми камералардағы SNR-ге әсер ететін факторлар
Бірнеше дизайн және пайдалану параметрлері камера жүйесінің SNR-іне әсер етеді:
Сенсорлық технология
● sCMOS – төмен оқу шуы мен жоғары кадр жиілігін біріктіреді, динамикалық кескіндеу үшін өте қолайлы.
● CCD – Тарихи түрде ұзақ экспозицияларда төмен шуды ұсынады, бірақ заманауи CMOS конструкцияларына қарағанда баяуырақ.
● EMCCD – әлсіз сигналдарды күшейту үшін чиптегі күшейтуді пайдаланады, бірақ мультипликативті шуды тудыруы мүмкін.
Пиксель өлшемі және толтыру факторы
Үлкенірек пикселдер көбірек фотондарды жинап, сигналды және осылайша SNR-ді арттырады.
Кванттық тиімділік (QE)
Жоғары QE көбірек түсетін фотондар электрондарға айналады, SNR жақсарады.
Экспозиция уақыты
Ұзақ экспозициялар көбірек фотондарды жинап, сигналды арттырады, бірақ сонымен бірге қараңғы ток шуды арттыруы мүмкін.
Салқындату жүйелері
Салқындату қараңғы токты азайтады, ұзақ экспозициялар үшін SNR-ді айтарлықтай жақсартады.
Оптика және жарықтандыру
Жоғары сапалы линзалар мен тұрақты жарықтандыру сигналдың түсірілуін барынша арттырады және өзгермелілігін азайтады.
Әртүрлі шыңы SNR мәндерінің мысалдары
Бейнелеуде PSNR көбінесе пикселдердің қанықтылығына қатысты теориялық максимумға сілтеме жасайды. Бейнелеу нысандарындағы, кескіндеу жағдайларындағы және камера технологиясындағы айырмашылықтарға қарамастан, әдеттегі ғылыми камералар үшін сигнал-шуыл қатынасы бірдей кескіндердің ұқсастықтары болуы мүмкін. «Түйірлік» дәрежесі, кадрдан кадрға өзгеруі және белгілі бір дәрежеде контраст осы әртүрлі шарттарда бірдей болуы мүмкін. Сондықтан SNR мәндері және олар білдіретін әртүрлі шарттар мен қиындықтар туралы түсінікті кестеде көрсетілгендер сияқты репрезентативті кескіндерден алуға болады.
ЕСКЕРТУ: Әрбір жол үшін фотоэлектрондардағы ең жоғары сигнал мәндері көк түспен берілген. Барлық кескіндер ең жарқын және ең күңгірт пикселдердің 0,35%-ын елемеу (қанықтыру) арқылы автоматты гистограмма масштабтауымен көрсетіледі. Сол жақтағы екі сурет бағанасы: бейнелеу сынағы мақсатының линзаға негізделген кескіні. Оң жақ төрт баған: 10x микроскоп объектісімен флуоресценцияда түсірілген Аскарида. Төменгі SNR деңгейінде пиксель мәндерінің кадрдан кадрға өзгеруін көрсету үшін келесі үш кадр берілген.
Сынақ нысанасының линзаға негізделген кескіні, флуоресцентті микроскопиялық кескінмен бірге, 3 дәйекті кадрдағы вариацияны көрсететін флуоресцентті кескіннің үлкейтілген көрінісімен бірге көрсетіледі. Әрбір сигнал деңгейіндегі ең жоғары фотоэлектрондар саны да берілген.
Төмендегі суретте анықтама үшін осы мысал суреттердің толық нұсқалары көрсетілген.
Сигнал-шу қатынасының мысалдар кестесі үшін пайдаланылатын толық өлшемді кескіндер
Солға: Объективпен суретке түсірілген бейнелеу сынағы нысанасы.
Дұрыс: Аскарида нематодының құрт бөлігінің үлгісі 10 есе үлкейту кезінде флуоресцентті микроскоппен қаралған.
Қолданбалардағы SNR
SNR әртүрлі салаларда маңызды миссия болып табылады:
● Микроскопия – биологиялық үлгілерде әлсіз флуоресценцияны анықтау жалған негативтерді болдырмау үшін жоғары SNR қажет етеді.
● Астрономия – алыстағы галактикаларды немесе экзопланеталарды анықтау шуылсыз ұзақ экспозицияны қажет етеді.
● Спектроскопия – Жоғары SNR химиялық талдаудағы ең жоғары қарқындылықты дәл өлшеуді қамтамасыз етеді.
● Өнеркәсіптік инспекция – Жарық аз болатын құрастыру желілерінде жоғары SNR ақауларды сенімді анықтауға көмектеседі.
Дұрыс SNR бар ғылыми камераны таңдау
Жаңа ғылыми камераны бағалау кезінде:
●SNR техникалық сипаттамаларын тексеріңіз– Қолданбаңызға ұқсас жағдайларда дБ мәндерін салыстырыңыз.
●Басқа көрсеткіштерді теңестіру– Кванттық тиімділікті, динамикалық диапазонды және кадр жиілігін қарастырыңыз.
●Технологияны пайдалану жағдайына сәйкестендіру– Жоғары жылдамдықты динамикалық көріністер үшін sCMOS камерасы өте қолайлы болуы мүмкін; өте аз жарықты статикалық нысандар үшін салқындатылған CCD немесе EMCCD жақсырақ жұмыс істеуі мүмкін.
●Жұмыс үрдісінің тиімділігі үшін қосылым– SNR-ге тікелей әсер етпесе де, HDMI шығысы сияқты мүмкіндіктер нақты уақыттағы кескінді қарап шығуды қосады, бұл түсіру параметрлерінің қажетті SNR мәніне қол жеткізгенін жылдам тексеруге көмектеседі.
Қорытынды
Сигнал-шу қатынасы (SNR) – ғылыми кескіндердің анықтығы мен сенімділігіне тікелей әсер ететін негізгі өнімділік көрсеткіші. SNR қалай анықталатынын, оған әсер ететін факторларды және әртүрлі SNR мәндерінің салдарын түсіну зерттеушілер мен техникалық пайдаланушыларға бейнелеу жүйелерін тиімдірек бағалауға мүмкіндік береді. Осы білімді қолдану арқылы — жаңасын таңдаудағылыми камеранемесе бұрыннан бар орнатуды оңтайландыру — кескіндеу жұмыс үрдісінің нақты қолданбаға қажетті дәлдік деңгейімен деректерді түсіретініне көз жеткізуге болады.
Жиі қойылатын сұрақтар
Ғылыми камералар үшін «жақсы» SNR дегеніміз не?
Идеал SNR қолданбаға байланысты. Флуоресцентті микроскопия немесе астрономия сияқты жоғары талап ететін сандық жұмыс үшін әдетте 40 дБ-ден жоғары SNR ұсынылады, өйткені ол ең аз көрінетін шуы бар кескіндерді жасайды және ұсақ бөлшектерді сақтайды. Жалпы зертханалық пайдалану немесе өнеркәсіптік тексеру үшін 35–40 дБ жеткілікті болуы мүмкін. 30 дБ-ден төмен кез келген нәрсе әдетте көрінетін дәнді көрсетеді және дәлдікті бұзуы мүмкін, әсіресе контрасттылығы төмен жағдайларда.
Кванттық тиімділік (QE) SNR-ге қалай әсер етеді?
Кванттық тиімділік сенсордың кіріс фотонды электрондарға қаншалықты тиімді түрлендіретінін өлшейді. Жоғары QE қол жетімді жарықтың көбірек сигнал ретінде түсірілетінін білдіреді, бұл SNR теңдеуіндегі нумераторды арттырады. Бұл әсіресе әрбір фотон есептелетін жарық аз болатын сценарийлерде маңызды. Мысалы, QE 80% болатын sCMOS камерасы 50% QE бар сенсормен салыстырғанда бірдей жағдайларда жоғары SNR-ге қол жеткізеді, себебі ол пайдалырақ сигналды түсіреді.
SNR мен контраст пен шу қатынасының (CNR) айырмашылығы неде?
SNR шуға қатысты жалпы сигнал күшін өлшесе, CNR оның фонында белгілі бір мүмкіндіктің көрінуіне назар аударады. Ғылыми бейнелеуде екеуі де маңызды: SNR жалпы кескіннің қаншалықты «таза» екенін көрсетеді, ал CNR белгілі бір қызығушылық объектісі анықтау немесе өлшеу үшін жеткілікті түрде ерекшеленетінін анықтайды.
Толығырақ білгіңіз келе ме? Қатысты мақалаларды қараңыз:
Ғылыми камералардағы кванттық тиімділік: бастаушыға арналған нұсқаулық
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
