판독 노이즈란 무엇인가요?

판독 잡음은 카메라가 감지한 광전자 수를 전자적으로 측정할 때 발생하는 불확실성입니다. 일반적으로 판독 잡음은 다음과 같은 값으로 명시됩니다.전자(e⁻ RMS)또한 판독 속도, 이득/변환 이득 모드, ADC 구성 및 ROI에 따라 달라지므로 조건이 일치할 때만 비교 가능합니다.

밝은 장면에서,총소리일반적으로 신호 대 잡음비가 지배적이며 판독 잡음은 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 저조도 이미징(약한 형광, 천문학, 단시간 고속 노출 작업)에서는 판독 잡음이 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 제한하고 심지어 검출 가능성까지 떨어뜨릴 수 있습니다.

이 가이드에서는 판독 노이즈 사양을 해석하는 방법, 언제 중요한지, 어떤 설정이 노이즈를 변화시키는지, 그리고 신뢰할 수 있게 측정하는 방법을 설명합니다.

판독 노이즈란 무엇인가요?

판독 노이즈(흔히 이렇게 불림)읽기 소음)는 카메라가 작동할 때 발생하는 무작위 불확실성입니다.읽어낸다이미지를 판독하는 과정은 각 픽셀에 모인 전하가 전압으로 변환된 후 디지털 숫자(DN)로 디지털화될 때 발생합니다. 완벽한 광학 장치와 안정적인 장면에서도 판독 전자 장치는 완벽하게 잡음이 없는 것은 아닙니다. 증폭기, 리셋 및 샘플링 회로, 아날로그 신호 경로, 아날로그-디지털 변환기(ADC) 모두 미세한 변동을 일으킬 수 있습니다. 그 결과, 판독 과정에서 픽셀별, 프레임별로 무작위 오류가 발생합니다.

그림 1: 판독 노이즈 제한 이미지

이 초저조도 환경에서는 신호 값이 판독 잡음과 유사하므로 판독 잡음이 SNR을 제한하는 주요 요인입니다.

센서가 궁극적으로 빛을 측정하기 때문입니다.전자판독 노이즈는 일반적으로 다음과 같이 명시됩니다.전자(e⁻)일반적으로 다음과 같습니다.e⁻ RMS노이즈를 전자 단위로 표현하면 카메라 설정 및 모델 간 성능 비교가 더 쉬워집니다. (DN에서 시작하는 경우, e⁻로 변환하려면 시스템 변환 이득이 필요합니다.)e⁻/DN.) 최신 과학용 카메라에서는 판독 노이즈가 매우 낮을 수 있습니다.저잡음 모드에서 ~1–3 e⁻ RMS 레벨저조도 이미징의 경우 정확한 값은 판독 속도, 게인/변환 게인 모드, ADC 구성, ROI 및 온도에 따라 달라집니다.

일반적인 값과 변동 이유

많은 사람들에게sCMOS 카메라판독 노이즈가 충분히 낮아져 매우 작은 신호도 높은 정확도로 측정할 수 있게 되었습니다. 다른 센서 기술 및 작동 모드에서는 특히 최대 프레임 속도에 최적화된 경우 판독 노이즈가 더 높게 나타날 수 있습니다. 표 1에서 몇 가지 대표적인 값을 참조하십시오. 따라서 판독 노이즈는 동일한 테스트 조건(모드, 판독 속도, 게인, 비트 심도, ROI 등)에서만 비교하는 것이 중요합니다.

표 1: 다양한 과학 카메라 기술에 대한 일반적인 RMS 판독 잡음 값

* EMCCD는 감도를 저하시키는 추가적인 잡음 발생원을 가지고 있습니다.

** 고속 sCMOS (예: ...)투센 디야나 2100 sCMOS 카메라

*** 고속CMOS 카메라이 카메라들은 과학 영상 촬영과 고속 모션 캡처 영화 촬영 모두에 사용됩니다. 하지만 높은 노이즈로 인해 저조도 신호가 묻히기 때문에 일반적으로 저조도 환경에서는 사용하기 어렵습니다.

RMS와 중앙값 판독 노이즈의 차이 (그리고 일부 데이터시트에 두 가지 수치가 표시되는 이유)

CMOS/sCMOS 센서에서 판독 노이즈는 픽셀마다 약간씩 다를 수 있으므로, 판독 노이즈를 단일 값이 아닌 분포로 생각하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 일부 카메라에서는 노이즈가 높은 픽셀들이 특정 영역에 집중되는 현상도 나타나는데, 이 영역에서는 무작위 텔레그래프 노이즈(RTN)와 같은 현상이 더욱 두드러지게 나타날 수 있습니다.

이러한 분포를 요약하자면, 제조업체는 일반적으로 중앙값(일반적인) 판독 노이즈 값을 보고하고, 경우에 따라 노이즈가 심한 픽셀에 더 민감한 RMS 값을 추가로 제공하기도 합니다. 정의는 제조업체마다 다를 수 있으므로, 특히 카메라를 비교하거나 저조도 촬영 모드를 선택할 때는 명시된 측정 방법과 조건을 확인하는 것이 가장 안전합니다.

판독 노이즈 사양을 읽는 방법은 무엇입니까?

판독 노이즈 값은 측정 시 카메라 작동 방식과 연관지어 생각할 때만 의미가 있습니다. 모드, 비트 심도, 판독 속도, 게인/변환 게인, ROI(관심 영역) 등이 모두 이 값에 영향을 미칠 수 있으므로 항상 동일한 조건에서 사양을 비교해야 합니다.

시험 조건이 중요합니다

판독 노이즈 수치는 그것이 다음 사항과 연관될 때만 의미가 있습니다.작동 조건측정에 사용되는 값입니다. 동일한 카메라라도 판독 모드 및 구성에 따라 다른 값을 표시할 수 있으므로, 동일한 조건에서 비교하지 않는 한 "낮은 값"이 자동으로 "더 좋은 값"을 의미하는 것은 아닙니다. 카메라를 비교하거나 동일한 카메라의 두 가지 모드를 비교하기 전에 데이터시트 표, 각주 또는 성능 그래프에서 다음 조건을 확인하십시오.

●판독 속도/픽셀 속도(kHz~MHz):판독 속도가 빠를수록 일반적으로 판독 노이즈가 증가합니다.
이득/변환 이득 모드(예: HCG/LCG): e⁻/DN 값을 변경하여 보고되는 노이즈 값을 바꿀 수 있습니다.

●ADC 경로/비트 심도:일부 카메라는 노이즈 및 양자화 동작에 영향을 미치는 여러 ADC 모드를 제공합니다.

●ROI 및 판독 채널:ROI는 센서 판독 방식을 변경할 수 있으며 일부 아키텍처에서 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

●온도(명시된 경우):사양은 대개 특정 센서 온도에서 측정되므로 항상 유사한 조건에서 비교해야 합니다.

모드/속도 관련 정보 없이 헤드라인 판독 잡음 수치가 표시되는 경우, 해당 수치는 불완전한 것으로 간주하고 자세한 모드 표 또는 그래프를 참조하십시오.

일반값 vs 최대값 / 중앙값 vs RMS: 두 가지 숫자가 나타나는 이유

병렬 판독 아키텍처 덕분에,대부분의 CMOS/sCMOS 센서판독 노이즈는 픽셀마다 약간의 변동이 있을 수 있으므로, 단일 값이 아닌 분포로 생각하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 이것이 일부 사양서에서 두 개의 수치를 보고하는 이유입니다.

A 중앙값판독 노이즈 값은 픽셀의 50%가 해당 수치 이하임을 나타내며, 이는 일반적으로 "일반적인" 성능을 반영합니다. 추가적으로RMS(제공되는 경우) 해당 그림은 분포의 확산에 더 민감하며 꼬리 부분의 노이즈가 높은 픽셀의 영향을 더 잘 포착할 수 있습니다. 제조사에 따라 정의가 다를 수 있으므로 항상 명시된 측정 조건 및 보고 규칙을 확인하십시오.

CMOS/sCMOS 센서는 다음과 같은 것을 나타낼 수 있습니다.픽셀 간 변동판독 노이즈에 있어서, 판독 노이즈는 다음과 같이 생각하는 것이 더 적절합니다.분포단일 값이 아닌 여러 값으로 표현됩니다. 이러한 분포를 요약하면 제조업체는 다음과 같이 보고할 수 있습니다.

●일반적인 / 중간값:해당 모드에서 일반적인 성능을 나타내는 "일반적인 픽셀" 수치입니다.

●RMS(또는 경우에 따라 더 보수적인 수치):이 통계는 노이즈가 심한 픽셀에 더 민감하고 전체적인 분포를 더 잘 반영합니다.

모든 업체가 이러한 용어를 정확히 같은 방식으로 사용하는 것은 아니므로, 명시된 정의와 측정 방법을 항상 확인하십시오. 확실하지 않은 경우, 아래에 보고된 값을 사용하여 카메라를 비교하십시오.동일한 통계 및 조건.

카메라 모드 예시 (하나의 카메라에 여러 개의 판독 노이즈 사양이 있는 이유)

이를 구체적으로 이해하기 위해 다음을 고려해 보세요.투센 아리에스 6510 최상급 감도 sCMOS 카메라데이터시트에는 여러 판독 모드에 대한 판독 노이즈가 보고되어 있습니다. 이는 카메라가 서로 다른 비트 심도와 판독 파이프라인에서 작동할 수 있으며, 각 모드마다 노이즈 플로어가 다르기 때문입니다.

그림 2: Aries 6510 판독 노이즈

이것을 어떻게 해석해야 할까요? 이 숫자들은 모순되는 것이 아니라, 설명하는 것입니다.서로 다른 작동 지점동일한 카메라의 경우입니다. 일반적으로 고속 파이프라인(여기서는 속도 모드)은 처리량을 우선시하여 판독 노이즈가 더 높게 나타날 수 있는 반면, 감도 최적화 파이프라인은 판독 노이즈 플로어를 낮출 수 있습니다. 바로 이러한 이유 때문에 판독 노이즈 사양을 항상 확인해야 합니다.모드 이름과 명시된 비트 심도와 함께 표시됩니다.카메라를 비교할 때 (또는 카메라 성능을 공개된 값과 비교할 때) 다음 사항을 반드시 확인하십시오.동일 모드단순히 가장 낮은 헤드라인 수치만이 아닙니다.

판독 노이즈가 중요한 경우는 언제일까요?

판독 잡음이 모든 실험을 제한하는 것은 아닙니다. 판독 잡음이 중요한지 여부는 간단한 질문으로 귀결됩니다. 즉, 사용 중인 신호 수준에서 판독 잡음이 전체 잡음 예산에서 의미 있는 부분을 차지하는가 하는 것입니다. 밝은 조건에서는 일반적으로 광자(샷) 잡음이 지배적입니다. 신호가 약한 조건에서는 판독 잡음이 SNR을 결정하는 요소가 될 수 있으며, 때로는 희미한 구조가 관측 가능한지 여부까지 좌우할 수 있습니다.

읽기 노이즈와 샷 노이즈: 간단한 경험 법칙

신호가 커질수록 샷 노이즈도 커집니다.√N(여기서 N은 검출된 광전자 수입니다.) 판독 잡음은 대략 다음과 같습니다.프레임당 픽셀별 상수주어진 모드에 대해. 즉, 다음과 같습니다.

● 에서높은 N√N 값이 크고 판독 노이즈의 영향은 미미합니다.

● 에서낮은 N√N이 작으면 판독 노이즈가 지배적일 수 있습니다.

실질적인 전환점은 다음과 같습니다.샷 노이즈 ≈ 판독 노이즈즉, ~할 때√N ≈ R그것은 다음과 같습니다.N ≈ R².

예를 들어, 모드가 다음과 같은 경우R = 2 e⁻ RMS,신호가 픽셀당 수 전자에서 수십 전자 정도일 때 판독 잡음이 중요해집니다(R은 다음과 같습니다).²=4). 만약R = 10 e⁻그러면 교차점은 픽셀당 약 102=100개의 전자로 이동합니다.

구체적인 SNR 예시 (밝은 장면에서 SNR이 무시할 만한 수준인 이유)

픽셀에 다음 내용이 포함되어 있다고 가정해 봅시다.2,000 e⁻신호. 샷 노이즈는√2000 ≈ 44.7 e⁻.

판독 노이즈가 다음과 같을 경우10 e⁻총 잡음(RMS)은 다음과 같습니다.

따라서 SNR은 2000/44.7≈44.7에서 2000/45.8≈43.7로 변하는데, 이는 작은 차이입니다. 다시 말해, 신호 레벨이 높을 때는 판독 노이즈를 줄여도 화면에 보이는 결과는 거의 변하지 않습니다.

픽셀당 수천 개의 광전자가 모이는 고휘도 장면에서는 판독 노이즈가 전체 노이즈 예산에서 차지하는 비중이 매우 작습니다. 예를 들어, 신호가 2,000 e⁻일 때 판독 노이즈 10 e⁻가 추가되더라도 SNR은 몇 퍼센트 정도만 변화하여 거의 인지할 수 없습니다. 하지만 픽셀당 수십 개의 전자만 모이는 경우, 판독 노이즈는 SNR과 가시적인 세부 묘사를 크게 저해할 수 있습니다.

판독 노이즈가 실질적인 제한 요소가 될 때

판독 잡음은 실험에서 프레임당 신호가 제한될 때, 즉 각 픽셀이 단일 노출에서 소수의 광전자만 수집할 때 가장 중요합니다. 이러한 상황에서는 판독 잡음이 전체 잡음 예산에서 지배적인 역할을 하여 신호 대 잡음비(SNR)를 감소시키고 희미한 구조를 가릴 수 있습니다.

일반적인 지원서 작성 시 참고할 만한 사항은 다음과 같습니다.

●약한 형광 / 낮은 표지 밀도특히 짧은 노출 시간이나 빠른 타임랩스 촬영 시

●단일 분자 형광그리고 지역화 기반 초해상도여기서 신호는 프레임당 방출체당 몇 개의 광자만 포함할 수 있습니다.

●화학발광 이미징광자 예산이 본질적으로 낮고 판독 잡음이 지배적일 수 있는 경우

●고속 기능 영상화(전압/막전위, 고속 칼슘 영상화)여기서 노출 시간이 짧으면 프레임당 광자 수가 줄어듭니다.

●광자 부족 이미징 워크플로우(예: 나중에 합성/평균화할 계획이더라도 매우 어두운 프레임)

실질적인 확인을 위해: 일반적인 픽셀당 신호가 다음과 같은 경우수백에서 수천 개의 전자프레임당 판독 노이즈는 드물게 지배적입니다. 만약 그렇다면수십 개 이하의 전자판독 노이즈와 모드 선택은 이미지 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

결론

판독 노이즈는 모드에 따라 달라지고 판독 체인에 의해 제한되는 요소이므로, 의미 있는 비교는 동일한 조건(모드, 판독 속도, 이득/변환 이득, ADC/비트 심도, ROI)에서 이루어져야 합니다. 밝은 장면에서는 무시할 수 있을 정도로 작지만, 저신호 영상에서는 신호 대 잡음비(SNR)와 검출 능력을 크게 저하시킬 수 있습니다.

실험에 대한 추천을 원하시면 응용 프로그램 세부 정보(신호 레벨, 노출 시간, 프레임 속도, 파장 및 목표 SNR)를 공유해 주세요. 저희 영상 전문가들이 적절한 방법을 제안해 드리겠습니다.투센 카메라감도, 속도 및 동적 범위의 균형을 맞추는 최적의 판독 모드입니다.