25/08/19Илимий изилдөөдө так жана ишенимдүү сүрөттөрдү тартууга келгенде, сиздин маалыматтарыңыздын сапаты резолюциядан же сенсордун өлчөмүнөн гана көз каранды. Эң маанилүү, бирок кээде көңүл бурулбай калган көрсөткүчтөрдүн бири - бул сигналдын ызы-чуунун катышы (SNR). Сүрөттөө системаларында SNR чыныгы сигналды (пайдалуу маалыматты) керексиз ызы-чуудан канчалык так айырмалай ала турганыңызды аныктайт.
Микроскопия, астрономия жана спектроскопия сыяктуу илимий сүрөттөө колдонмолорунда начар SNR алсыз бутаны аныктоо менен аны толугу менен жок кылуунун ортосундагы айырманы билдирет. Бул макалада SNR кантип аныкталат, эмне үчүн маанилүү, ал контрастка кандай таасир этет жана бул критикалык метрикага негизделген илимий камераны кантип тандоо жана оптималдаштыруу керек.
Сигнал-ызы-чуу катышы деген эмне жана ал кантип аныкталат?
Сигналдын ызы-чуу катышы (SNR) биздин сүрөт сапатыбыздын эң маанилүү өлчөмү, сүрөттөлүштүн контрастында негизги жана көбүнчө камера сиздин колдонмоңуз үчүн жетиштүү сезимтал экендигин аныктоочу эң пайдалуу фактор.
Камеранын сезгичтигин жакшыртуу аракеттери чогултулган сигналды жакшыртуунун айланасында болот:
● Кванттык эффективдүүлүктү жакшыртуу же пикселдин өлчөмүн көбөйтүү аркылуу
● Камерага көз каранды ызы-чуу булактарын азайтуу
Ызы-чуу булактары биригет, бирок жагдайга жараша бирөө үстөмдүк кылышы мүмкүн жана SNRди жакшыртууга аракет кылууда – жөндөөлөрдү оптималдаштыруу же орнотуу аркылуу, же жарык булактарын, оптиканы жана камераларды жакшыртуу аркылуу көңүл буруу керек.
Сүрөттөрдү бир сигналдын ызы-чуу катышы боюнча сүрөттөө кеңири таралган стенография, мисалы, сүрөттүн SNR '15' деп ырастоо. Бирок, аталышынан көрүнүп тургандай, сигналдын ызы-чуу катышы сигналга көз каранды, ал албетте ар бир пиксел үчүн ар кандай болот. Бул бизге имиджин берет.
Сүрөттүн SNR адатта сүрөттүн ичиндеги кызыгуунун чокусу сигналынын SNRине тиешелүү. Мисалы, караңгы фондогу флуоресценттик клеткалардын сүрөтүнөн алынган SNR клетканын ичиндеги кызыкчылык структурасынын пикселдеринен эң жогорку сигнал интенсивдүүлүгүн колдонот.
Мисалы, бүт сүрөттүн SNR үчүн орточо маанисин алуу репрезентативдик эмес. Флуоресценттик микроскопия сыяктуу техникаларда нөл аныкталган фотондор менен караңгы фон кеңири таралышы мүмкүн, бул нөл сигнал пикселдеринин SNR нөлгө барабар. Демек, бир сүрөттөлүш боюнча кандайдыр бир орточо көрүнүш канча фон пикселдерине жараша болот.
Эмне үчүн SNR илимий камералар үчүн маанилүү
Илимий сүрөттөөдө SNR сиз алсыз деталдарды канчалык жакшы аныктай алсаңыз, сандык маалыматтарды өлчөп, натыйжаларды чыгара ала турганыңызга түздөн-түз таасир этет.
●Сүрөттүн ачыктыгы– Жогорку SNR бүртүкчөлүүлүгүн азайтат жана майда структураларды көрүнөө кылат.
●Маалыматтын тактыгы– Интенсивдүүлүккө негизделген эксперименттерде өлчөө каталарын азайтат.
●Төмөн жарык аткаруу– Фотондордун саны табигый түрдө аз болгон флуоресценттик микроскопия, терең асман астрофотографиясы жана спектроскопия үчүн зарыл.
А колдонуп жатасызбыsCMOS камеражогорку ылдамдыктагы сүрөттөө үчүн же узак экспозициялык колдонмолор үчүн муздатылган CCD үчүн, SNRди түшүнүү сизге өндүрүмдүүлүктү тең салмактоого жардам берет.
SNR сүрөттүн контрастына кандай таасир этет
Контраст - бул сүрөттөлүштүн жарык аймактары менен караңгы аймактарынын ортосундагы интенсивдүүлүктүн салыштырмалуу айырмасы. Көптөгөн тиркемелер үчүн, кызыккан аймактардагы жакшы сүрөт контрастын түпкү максаты болуп саналат.
Сүрөт тартуу объектисинде, оптикалык системада жана сүрөттөө шарттарында объективдин сапаты жана фондо жарыктын көлөмү сыяктуу сүрөттөлүштүн контрастын аныктоочу негизги факторлор көп.
●Жогорку SNR→ Жарык жана караңгы аймактардын так бөлүнүшү; четтери кытырак көрүнөт; майда-чүйдөсүнө чейин көрүнгөн бойдон калууда.
●Төмөн SNR→ Караңгы аймактар ызы-чуудан улам жаркырайт, жаркыраган аймактар күңүрт болуп, сүрөттүн жалпы контрасттары тегиздейт.
Мисалы, флуоресценттик микроскопияда төмөн SNR начар флуоресценттүү үлгүнү фонго аралаштырып, сандык анализди ишенимсиз кылат. Астрономияда бүдөмүк жылдыздар же галактикалар ызы-чуу маалыматтарда толугу менен жок болушу мүмкүн.
Бирок, камеранын өзүндө дагы факторлор бар - негизги фактор болуп сигналдын ызы-чуу катышы. Андан ары, өзгөчө аз жарыкта, сүрөттүн интенсивдүүлүгүнүн масштабы, сүрөттүн монитордо кандайча көрсөтүлүшү, кабыл алынган сүрөттүн контрастында чоң роль ойнойт. Сүрөттүн караңгы аймактарында жогорку ызы-чуу болгондо, сүрөттү автоматтык масштабдоо алгоритмдеринин төмөнкү чеги төмөн маанидеги ызы-чуулуу пикселдер менен өтө төмөн коюлушу мүмкүн, ал эми жогорку чек жогорку сигналдык пикселдердеги ызы-чуу менен көбөйөт. Бул SNR деңгээли төмөн сүрөттөрдүн мүнөздүү "жуулуп кеткен" боз көрүнүшүнүн себеби. Төмөнкү чекти камеранын жылышына коюу менен жакшыраак контрастты алууга болот.
Илимий камералардагы SNRге таасир этүүчү факторлор
Бир нече дизайн жана операциялык параметрлер камера системасынын SNRине таасир этет:
Sensor Technology
● sCMOS – төмөн окуу ызы-чуусун жана жогорку кадр ылдамдыгын айкалыштырат, динамикалык сүрөттөө үчүн идеалдуу.
● CCD – Тарыхый жактан узак экспозицияларда аз ызы-чууну сунуштайт, бирок заманбап CMOS конструкцияларына караганда жайыраак.
● EMCCD – Алсыз сигналдарды күчөтүү үчүн чиптеги күчөтүүнү колдонот, бирок мультипликативдик ызы-чуу киргизиши мүмкүн.
Пиксел өлчөмү жана толтуруу фактору
Чоңураак пикселдер көбүрөөк фотондорду чогултуп, сигналды жана SNRди жогорулатат.
Кванттык эффективдүүлүк (QE)
Жогорку QE көбүрөөк келген фотондор электрондорго айланып, SNRди жакшыртат дегенди билдирет.
Таасир этүү убактысы
Узакыраак экспозициялар көбүрөөк фотондорду чогултуп, сигналды көбөйтөт, бирок караңгы токтун ызы-чуусун да күчөтүшү мүмкүн.
Муздатуу системалары
Муздатуу караңгы токту азайтып, узак экспозициялар үчүн SNRди кыйла жакшыртат.
Оптика жана жарыктандыруу
Жогорку сапаттагы линзалар жана туруктуу жарык сигналды максималдуу кармап, өзгөрүлмөлүүлүгүн азайтат.
Ар кандай чокудагы SNR баалуулуктарынын мисалдары
Сүрөттөөдө PSNR көбүнчө пикселдин каныккандыгына карата теориялык максимумга кайрылат. Сүрөттөө объектилериндеги, сүрөттөө шарттарындагы жана камера технологиясындагы айырмачылыктарга карабастан, кадимки илимий камералар үчүн бирдей сигнал-ызы-чуу катышы бар сүрөттөр окшоштуктарга ээ болушу мүмкүн. "Бүртүктүүлүктүн" даражасы, кадрдан кадрга вариация жана кандайдыр бир деңгээлде контраст бул ар кандай шарттарда окшош болушу мүмкүн. Ошондуктан, SNR баалуулуктары жана алар көрсөткөн ар кандай шарттар жана кыйынчылыктар жөнүндө, мисалы, таблицада көрсөтүлгөн сүрөттөрдөн түшүнүк алууга болот.
ЭСКЕРТҮҮ: Ар бир сап үчүн фотоэлектрондордогу сигналдын чокусу көк түстө берилген. Бардык сүрөттөр эң жарык жана эң караңгы пикселдердин 0,35% этибарга алынбай (каныктыруучу) автогистограмма масштабы менен көрсөтүлөт. Сол жактагы эки сүрөт мамычасы: объективге негизделген сүрөттөө тестинин максаты. Оң жактагы төрт тилке: 10x микроскоптун объектиси менен флуоресценцияда тартылган Аскарис. Төмөнкү SNRде пикселдик маанилердин кадрдан кадрга өзгөрүшүн көрсөтүү үчүн үч ырааттуу кадр берилген.
Сыноочу бутанын линзага негизделген сүрөтү, флуоресценттик микроскопиялык сүрөтү менен бирге, 3 кадр ичиндеги вариацияны көрсөткөн флуоресценттик сүрөттүн чоңойтулган көрүнүшү да көрсөтүлөт. Ар бир сигнал деңгээлиндеги фотоэлектрондордун эң жогорку саны да берилген.
Төмөнкү сүрөттө шилтеме үчүн бул мисал сүрөттөрүнүн толук версиялары көрсөтүлгөн.
Толук өлчөмдөгү сүрөттөр сигналдын ызы-чуу катышы үчүн колдонулган мисалдар таблицасы
Солго: Объектив менен фотосүрөткө тартылган сынап көрүү максаты.
Туура: Аскарида нематодунун курт бөлүгүнүн үлгүсү 10x чоңойтуудо флуоресценттик микроскопия менен каралат.
Колдонмолордогу SNR
SNR ар кандай тармактарда миссиясы үчүн маанилүү болуп саналат:
● Микроскопия – Биологиялык үлгүлөрдөгү алсыз флуоресценцияны аныктоо жалган негативдерди болтурбоо үчүн жогорку SNRди талап кылат.
● Астрономия – Алыскы галактикаларды же экзопланеталарды аныктоо үчүн минималдуу ызы-чуу менен узак экспозицияны талап кылат.
● Спектроскопия – Жогорку SNR химиялык анализде эң жогорку интенсивдүүлүктү так өлчөөнү камсыз кылат.
● Өнөр жай инспекциясы – Жарыгы аз конвейерлерде жогорку SNR кемчиликтерди ишенимдүү аныктоого жардам берет.
Туура SNR менен илимий камераны тандоо
Жаңы илимий камераны баалоодо:
●SNR Specifications текшерүү– Колдонмоңузга окшош шарттарда дБ маанилерин салыштырыңыз.
●Башка көрсөткүчтөрдү баланс– Кванттык эффективдүүлүктү, динамикалык диапазонду жана кадр ылдамдыгын эске алыңыз.
●Технологияны колдонуу үчүн дал келүү– Жогорку ылдамдыктагы динамикалык көрүнүштөр үчүн sCMOS камерасы идеалдуу болушу мүмкүн; өтө аз жарык статикалык объекттер үчүн муздатылган CCD же EMCCD жакшыраак иштеши мүмкүн.
●Иш процессинин эффективдүүлүгү үчүн байланыш– SNRге түздөн-түз таасирин тийгизбесе да, HDMI чыгышы сыяктуу функциялар реалдуу убакыт режиминде сүрөттү карап чыгууну иштетип, алуу жөндөөлөрүңүз каалаган SNRге жеткенин тез текшерүүгө жардам берет.
Корутунду
Сигналдын ызы-чуу катышы (SNR) илимий сүрөттөрдүн тактыгына жана ишенимдүүлүгүнө түздөн-түз таасир этүүчү негизги көрсөткүч. SNR кантип аныкталганын, ага таасир этүүчү факторлорду жана ар кандай SNR баалуулуктарынын кесепеттерин түшүнүү изилдөөчүлөргө жана техникалык колдонуучуларга сүрөттөө системаларын натыйжалуураак баалоого мүмкүндүк берет. Бул билимди колдонуу менен — жаңысын тандоодоилимий камераже учурдагы орнотууну оптималдаштыруу — сиз сүрөттөө иш процесси сиздин конкреттүү колдонмоңуз үчүн талап кылынган тактыктын деңгээлинде берилиштерди басып аларын камсыздай аласыз.
Көп берилүүчү суроолор
Илимий камералар үчүн эмне "жакшы" SNR деп эсептелет?
Идеалдуу SNR колдонмосунан көз каранды. Флуоресценттик микроскопия же астрономия сыяктуу өтө талап кылынган сандык иштер үчүн жалпысынан 40 дБ жогору SNR сунушталат, анткени ал эң аз көрүнгөн ызы-чуу менен сүрөттөрдү чыгарат жана майда деталдарды сактайт. Жалпы лабораториялык же өндүрүштүк текшерүү үчүн 35–40 дБ жетиштүү болушу мүмкүн. 30 дБ төмөн бардык нерсе, адатта, көзгө көрүнгөн данды көрсөтөт жана тактыкты бузушу мүмкүн, өзгөчө контрасттуулугу төмөн жагдайларда.
Кванттык эффективдүүлүк (QE) SNRге кандай таасир этет?
Кванттык эффективдүүлүк сенсордун келген фотондорду электрондорго канчалык эффективдүү айландырарын өлчөйт. Жогорку QE SNR теңдемесинде санды күчөтүп, сигнал катары жеткиликтүү жарыктын көбүрөөк алынышын билдирет. Бул ар бир фотон эсептелген жарык аз болгон сценарийлерде өзгөчө маанилүү. Мисалы, QE 80% болгон sCMOS камерасы 50% QE менен сенсорго салыштырмалуу бирдей шарттарда жогорку SNRге жетишет, анткени ал колдонууга жарактуу сигналды кармайт.
SNR менен Contrast-to-Noise Ratio (CNR) ортосунда кандай айырма бар?
SNR ызы-чууга салыштырмалуу жалпы сигнал күчүн өлчөйт, ал эми CNR анын фонунда белгилүү бир өзгөчөлүктүн көрүнүүсүнө басым жасайт. Илимий сүрөттөөдө экөө тең маанилүү: SNR жалпысынан сүрөттөлүштүн канчалык "таза" экенин айтып берет, ал эми CNR белгилүү бир кызыкчылык объектинин аныктоо же өлчөө үчүн жетиштүү экендигин аныктайт.
Көбүрөөк билгиңиз келеби? Тиешелүү макалаларды карап көрүңүз:
Илимий камералардагы кванттык эффективдүүлүк: башталгыч үчүн колдонмо
Tucsen Photonics Co., Ltd. Бардык укуктар корголгон. Шилтеме бергенде булакты ырастаңыз:www.tucsen.com
