25/09/04Сандық бейнелеуде жоғары ажыратымдылық автоматты түрде жақсырақ суреттерді білдіреді деп болжау оңай. Камера өндірушілері көбінесе мегапиксельдер санына негізделген жүйелерді сатады, ал линзаларды жасаушылар шешуші қуат пен айқындықты ерекшелейді. Дегенмен, іс жүзінде кескін сапасы линзаның немесе сенсордың жеке сипаттамаларына ғана емес, сонымен қатар олардың қаншалықты сәйкес келетініне де байланысты.
Бұл жерде Nyquist сынамалары ойнайды. Бастапқыда сигналды өңдеу принципі, Nyquist критерийі мәліметтерді дәл түсіру үшін теориялық негізді белгілейді. Бейнелеуде ол объектив беретін оптикалық ажыратымдылық пен камера сенсорының сандық ажыратымдылығы үйлесімді жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.
Бұл мақала бейнелеу контекстінде Nyquist сынамасын ашады, оптикалық және камера ажыратымдылығы арасындағы тепе-теңдікті түсіндіреді және фотосуреттен ғылыми кескінге дейінгі қолданбаларға практикалық нұсқаулар береді.
Nyquist Sampling дегеніміз не?
1-сурет: Найквист таңдау теоремасы
Жоғарғы:Синусоидалы сигнал (көгілдір) бірнеше нүктелерде өлшенеді немесе іріктеледі. Ұзын сызықты сұр сызық синусоидалы сигналдың цикліне 1 өлшемді білдіреді, сигналдың шынайы табиғатын толығымен жасырып, тек сигнал шыңдарын түсіреді. Қызыл жіңішке сызықша қисық сынамаға 1,1 өлшемде түсіреді, синусоидты көрсетеді, бірақ оның жиілігін бұрмалайды. Бұл муар үлгісіне ұқсас.
Төменгі:Циклге 2 үлгі алынғанда ғана (күлгін нүктелі сызық) сигналдың шынайы сипаты түсіріле бастайды.
Nyquist дискретизация теоремасы электроникада, аудио өңдеуде, бейнелеуде және басқа салаларда сигналдарды өңдеуде ортақ принцип болып табылады. Теорема сигналдағы берілген жиілікті қайта құру үшін өлшеулерді 1-суретте көрсетілген жиіліктен кем дегенде екі еселеу қажет екенін анық көрсетеді. Біздің оптикалық ажыратымдылығымыз жағдайында бұл біздің объект кеңістігінің пиксель өлшемі біз түсіруге әрекеттеніп жатқан ең кішкентай бөлшектің жартысынан көбі немесе микроскоп жағдайында микроскоптың ажыратымдылығының жартысы болуы керек дегенді білдіреді.
2-сурет: шаршы пикселдермен Nyquist таңдауы: бағдар маңызды
Квадрат пикселдер торы бар камераны пайдалану, Nyquist теоремасының 2x іріктеу коэффициенті тек пикселдер торына тамаша тураланған мәліметтерді дәл түсіреді. Егер құрылымдарды пикселдер торына бұрышпен шешуге әрекет жасасаңыз, тиімді пиксел өлшемі үлкенірек, диагональ бойынша √2 есеге дейін үлкен болады. Демек, 45o пиксельдік тордағы мәліметтерді түсіру үшін іріктеу жылдамдығы қажетті кеңістіктік жиіліктен 2√2 есе көп болуы керек.
Мұның себебі 2-суретті (жоғарғы жартысы) қарастыру арқылы анық болады. Пиксел өлшемі оптикалық ажыратымдылыққа орнатылғанын елестетіп көріңіз, ол екі көрші нүкте көзінің шыңдарын немесе біз шешуге тырысып жатқан кез келген бөлшекті, әрқайсысының өз пикселін береді. Содан кейін олар бөлек анықталғанымен, алынған өлшемдерде олардың екі бөлек шың екендігі туралы ешқандай белгі жоқ – және тағы да біздің «шешу» анықтамасына сәйкес келмейді. Сигналдың шұңқырын түсіру үшін олардың арасында пиксель қажет. Бұл кеңістіктік іріктеу жылдамдығын кем дегенде екі есе арттыру, яғни объект кеңістігінің пиксель өлшемін екі есе азайту арқылы қол жеткізіледі.
Оптикалық ажыратымдылық пен камераның ажыратымдылығы
Бейнелеуде Nyquist сынамасының қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін ажыратымдылықтың екі түрін ажыратуымыз керек:
● Оптикалық ажыратымдылық: Объектив арқылы анықталатын оптикалық ажыратымдылық оның ұсақ бөлшектерді шығару мүмкіндігін білдіреді. Линзаның сапасы, апертура және дифракция сияқты факторлар бұл шектеуді белгілейді. Модуляцияны тасымалдау функциясы (MTF) жиі линзаның әртүрлі кеңістіктік жиіліктердегі контрастты қаншалықты жақсы өткізетінін өлшеу үшін қолданылады.
● Камера ажыратымдылығы: сенсор арқылы анықталады, камера ажыратымдылығы пиксел өлшеміне, пиксель қадамына және сенсордың жалпы өлшемдеріне байланысты. a пикселінің қадамыCMOS камерасыоның Nyquist жиілігін тікелей анықтайды, ол сенсор түсіре алатын максималды мәліметтерді анықтайды.
Бұл екеуі сәйкес келмесе, проблемалар туындайды. Сенсордың ажырату қабілетінен асатын линза тиімді түрде «ысырап болады», өйткені сенсор барлық мәліметтерді түсіре алмайды. Керісінше, сапасы төмен линзамен жұптастырылған жоғары ажыратымдылықтағы сенсор көбірек мегапиксельдерге қарамастан жақсармайтын кескіндерге әкеледі.
Оптикалық және камера ажыратымдылығын қалай теңестіруге болады
Оптика мен сенсорларды теңдестіру сенсордың Nyquist жиілігін линзаның оптикалық кесу жиілігімен сәйкестендіруді білдіреді.
● Камера сенсорының Nyquist жиілігі 1 / (2 × пиксель қадамы) ретінде есептеледі. Бұл сенсор бүркеншік атынсыз таңдай алатын ең жоғары кеңістіктік жиілікті анықтайды.
● Оптикалық кесу жиілігі линзаның сипаттамаларына және дифракцияға байланысты.
Жақсы нәтижеге қол жеткізу үшін сенсордың Nyquist жиілігі объективтің шешу қабілетіне сәйкес келуі немесе одан сәл жоғары болуы керек. Практикада пиксель қадамының объективтің ең кіші шешілетін функция өлшемінің жартысына жуығы болуын қамтамасыз етудің жақсы ережесі.
Мысалы, егер линза 4 микрометрге дейінгі мәліметтерді шеше алатын болса, пиксел өлшемдері ~2 микрометр болатын сенсор жүйені жақсы теңестіреді.
Nyquist-ті камераның ажыратымдылығымен және шаршы пикселдердің қиындығымен сәйкестендіру
Нысан кеңістігінің пиксель өлшемін азайту арқылы айырбастау жарық жинау мүмкіндігінің төмендеуі болып табылады. Сондықтан ажыратымдылық пен жарық жинау қажеттілігін теңестіру маңызды. Оған қоса, үлкенірек нысан кеңістігінің пиксель өлшемдері бейнелеу нысанының үлкенірек көру өрісін береді. Дәлірек ажыратымдылықты қажет ететін қолданбалар үшін оңтайлы тепе-теңдіктің «бас бармақ ережесі» келесідей белгіленеді: Nyquist-ті есепке алу үшін кейбір факторға көбейтілген нысанның пиксель өлшемі оптикалық ажыратымдылыққа тең болуы керек. Бұл шама камера ажыратымдылығы деп аталады.
Оптика мен сенсорларды теңдестіру көбінесе камераның тиімді таңдау ажыратымдылығы объективтің оптикалық ажыратымдылық шегіне сәйкес келуін қамтамасыз етеді. Жүйе «Nyquist-ке сәйкес» деп аталады, егер:
Камера ажыратымдылығы = Оптикалық ажыратымдылық
Камераның ажыратымдылығы қай жерде беріледі:
Nyquist үшін жиі ұсынылатын фактор 2 емес, 2.3. Мұның себебі келесідей.
Камера пикселдері (әдетте) төртбұрышты және 2 өлшемді торда реттелген. Қарама-қарсы теңдеуде пайдалану үшін анықталған пиксел өлшемі осы тордың осі бойындағы пикселдердің енін білдіреді. Егер біз шешуге тырысып жатқан мүмкіндіктер осы торға қатысты 90° тамаша еселігінен басқа кез келген бұрышта жатса, тиімді пиксел өлшемі 45° нүктедегі пиксел өлшемінен √2 ≈ 1,41 есе үлкенірек болады. Бұл 2-суретте көрсетілген (төменгі жартысы).
Сондықтан барлық бағдарлардағы Nyquist критерийіне сәйкес ұсынылған коэффициент 2√2 ≈ 2,82 болады. Дегенмен, ажыратымдылық пен жарық жинау арасында бұрын айтылған айырбастың арқасында, 2,3 ымыралы мән негізгі ереже ретінде ұсынылады.
Бейнелеудегі Nyquist сынамасының рөлі
Nyquist Sampling кескіннің шынайылығының қақпашысы болып табылады. Таңдау жылдамдығы Nyquist шегінен төмен түскенде:
● Төмен үлгі алу → бүркеншік атын тудырады: жалған мәліметтер, жиектері немесе муар үлгілері.
● Шамадан тыс үлгілеу → оптика жеткізе алатын деректерден көбірек деректерді түсіреді, бұл кірістердің төмендеуіне әкеледі: көрінетін жақсартуларсыз үлкенірек файлдар және жоғары өңдеу талаптары.
Дұрыс таңдау кескіндердің анық және шындыққа сәйкестігін қамтамасыз етеді. Ол оптикалық кіріс пен сандық түсіру арасындағы тепе-теңдікті қамтамасыз етеді, бір жағынан босқа ажыратымдылықты немесе екінші жағынан жаңылыстыратын артефактілерді болдырмайды.
Практикалық қолданбалар
Nyquist таңдауы жай ғана теория емес, ол кескіндеу пәндерінде маңызды қолданбаларға ие:
● Микроскопия:Зерттеушілер объективті линзамен шешілетін ең кішкентай бөлшектердің кем дегенде екі еселенген үлгісін алатын сенсорларды таңдауы керек. Дұрыс таңдаумикроскопиялық камераөте маңызды, өйткені пиксель өлшемі микроскоп объективінің дифракциямен шектелген рұқсатымен сәйкес келуі керек. Қазіргі заманғы зертханалар жиі таңдайдыsCMOS камералары, олар сезімталдықтың, динамикалық диапазонның және жоғары өнімді биологиялық бейнелеуге арналған жұқа пикселдік құрылымдардың теңгерімін қамтамасыз етеді.
● Фотосурет:Жоғары мегапиксельді сенсорларды бірдей ұсақ бөлшектерді шеше алмайтын линзалармен жұптастыру жиі айқындықты елеусіз жақсартуға әкеледі. Кәсіби фотографтар ажыратымдылықты жоғалтпау үшін линзалар мен камераларды теңестіреді.
● Фотосурет:Жоғары мегапиксельді сенсорларды бірдей ұсақ бөлшектерді шеше алмайтын линзалармен жұптастыру жиі айқындықты елеусіз жақсартуға әкеледі. Кәсіби фотографтар ажыратымдылықты жоғалтпау үшін линзалар мен камераларды теңестіреді.
● Machine Vision &Ғылыми камераларСапаны бақылауда және өнеркәсіптік инспекцияда сынаманың жеткіліксіз болуына байланысты кішігірім мүмкіндіктердің болмауы ақаулы бөлшектердің анықталмауын білдіреді. Шамадан тыс іріктеу цифрлық масштабтау немесе жақсартылған өңдеу үшін әдейі пайдаланылуы мүмкін.
Nyquist-ке қай кезде сәйкес келу керек: артық іріктеу және төмен үлгілеу
Nyquist сынамалары идеалды тепе-теңдікті білдіреді, бірақ іс жүзінде кескіндеу жүйелері қолданбаға байланысты әдейі артық үлгілеу немесе кем үлгілеу мүмкін.
Төмен үлгілеу дегеніміз не
Сезімталдық ең ұсақ бөлшектерді шешуден маңыздырақ болатын қолданбаларда, Nyquist талаптарынан үлкенірек нысан кеңістігінің пиксель өлшемін пайдалану жарық жинаудың айтарлықтай артықшылықтарына әкелуі мүмкін. Бұл төмен үлгілеу деп аталады.
Бұл ұсақ бөлшектерді құрбан етеді, бірақ келесі жағдайларда тиімді болуы мүмкін:
● Сезімталдық маңызды: үлкенірек пикселдер көбірек жарық жинайды, бұл аз жарықта кескінде сигнал-шуыл арақатынасын жақсартады.
● Жылдамдық маңызды: азырақ пикселдер оқу уақытын азайтып, жылдамырақ алуға мүмкіндік береді.
● Деректер тиімділігі қажет: өткізу қабілеті шектеулі жүйелерде кішірек файл өлшемдері жақсырақ.
Мысал: Кальций немесе кернеуді бейнелеуде сигналдар жиі қызығушылық танытатын аймақтар бойынша орташаланады, сондықтан аз үлгілеу ғылыми нәтижеге зиян келтірместен жарық жинауды жақсартады.
Oversampling дегеніміз не
Керісінше, ұсақ бөлшектерді шешу маңызды болып табылатын көптеген қолданбалар немесе дифракция шегінен асатын қосымша ақпаратты қалпына келтіру үшін сатып алғаннан кейінгі талдау әдістерін пайдаланатын қолданбалар Nyquist талаптарына қарағанда, артық үлгілеу деп аталатын кескіндеу пикселдерін қажет етеді.
Бұл шынайы оптикалық ажыратымдылықты арттырмаса да, ол артықшылықтарды қамтамасыз ете алады:
● Сапаны азырақ жоғалтумен сандық масштабтауды қосады.
● Кейінгі өңдеуді жақсартады (мысалы, конволюция, деноизизация, аса ажыратымдылық).
● Кескіндер кейінірек кішірейтілген кезде көрінетін бүркеншік атын азайтады.
Мысал: Микроскопияда жоғары ажыратымдылықтағы sCMOS камерасы ұялы құрылымдарды шамадан тыс іріктей алады, осылайша есептеу алгоритмдері дифракция шегінен асатын ұсақ бөлшектерді ала алады.
Жалпы қате түсініктер
1、Көбірек мегапиксель әрқашан анық кескіндерді білдіреді.
Дұрыс емес. Айқындық линзаның ажырату қабілетіне және сенсордың дұрыс үлгі алуына байланысты.
2、Кез келген жақсы линза кез келген жоғары ажыратымдылықтағы сенсормен жақсы жұмыс істейді.
Объектив ажыратымдылығы мен пиксель қадамы арасындағы нашар сәйкестік өнімділікті шектейді.
3、Nyquist дискретизациясы бейнелеуге емес, сигналды өңдеуге ғана қатысты.
Керісінше, сандық бейнелеу негізінен іріктеу процесі болып табылады және Nyquist бұл жерде аудио немесе байланыс сияқты маңызды.
Қорытынды
Nyquist дискретизациясы математикалық абстракциядан гөрі көп — бұл оптикалық және сандық ажыратымдылықтың бірге жұмыс істеуін қамтамасыз ететін принцип. Объективтердің ажырату күшін сенсорлардың сынама алу мүмкіндіктерімен теңестіру арқылы бейнелеу жүйелері артефактілерсіз немесе бос сыйымдылықсыз максималды айқындыққа қол жеткізеді.
Микроскопия, астрономия, фотосурет және машиналық көру сияқты әртүрлі салалардағы кәсіпқойлар үшін Nyquist сынамасын түсіну сенімді нәтиже беретін бейнелеу жүйелерін жобалау немесе таңдаудың кілті болып табылады. Сайып келгенде, сурет сапасы бір спецификацияны шектен шығарудан емес, тепе-теңдікке жетуден туындайды.
Жиі қойылатын сұрақтар
Nyquist сынамасы камерада қанағаттандырылмаса не болады?
Сынама алу жылдамдығы Nyquist шегінен төмен түссе, сенсор ұсақ бөлшектерді дұрыс көрсете алмайды. Бұл нақты көріністе жоқ қиыршық жиектер, муар үлгілері немесе жалған текстуралар ретінде көрінетін бүркеншік атқа әкеледі.
Пиксель өлшемі Nyquist таңдауына қалай әсер етеді?
Кішірек пикселдер Nyquist жиілігін арттырады, яғни сенсор теориялық тұрғыдан ұсақ бөлшектерді шеше алады. Бірақ егер линза бұл ажыратымдылық деңгейін жеткізе алмаса, қосымша пикселдер аз мән береді және шуды арттыруы мүмкін.
Nyquist сынамасы монохромды және түсті сенсорлар үшін әртүрлі ме?
Иә. Монохромды сенсорда әрбір пиксель жарықтылықты тікелей таңдайды, сондықтан тиімді Nyquist жиілігі пиксель қадамына сәйкес келеді. Bayer сүзгісі бар түс сенсорында әрбір түс арнасы аз үлгіленбеген, сондықтан демозайдан кейінгі тиімді ажыратымдылық сәл төменірек.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
