25/09/04Санариптик сүрөттөөдө жогорку резолюция автоматтык түрдө жакшыраак сүрөттөрдү билдирет деп болжолдоо оңой. Камера өндүрүүчүлөрү көбүнчө мегапикселдердин санына негизделген системаларды сатышат, ал эми линзаларды жасоочулар чечүүчү кубаттуулукту жана тактыкты баса белгилешет. Бирок, иш жүзүндө, сүрөттүн сапаты линзанын же сенсордун өзгөчөлүктөрүнөн гана эмес, ошондой эле алардын канчалык дал келгендигинен да көз каранды.
Бул жерде Nyquist үлгүлөрү ишке кирет. Башында сигналды иштетүү принциби болгон, Найквисттин критерийи деталдарды так басып алуу үчүн теориялык негизди түзөт. Сүрөттөөдө ал линза тарабынан берилген оптикалык резолюция менен камеранын сенсорунун санариптик резолюциясы шайкеш иштешин камсыздайт.
Бул макала Nyquist үлгүсүн сүрөттөө контекстинде ачат, оптикалык жана камеранын резолюциясынын ортосундагы тең салмактуулукту түшүндүрөт жана фотосүрөттөн илимий сүрөткө чейин колдонуу үчүн практикалык көрсөтмөлөрдү берет.
Nyquist Sampling деген эмне?
1-сүрөт: Nyquist үлгү алуу теоремасы
Жогорку:Синусоиддик сигнал (көк) бир нече чекиттерде өлчөнөт же үлгү алынат. Боз узун сызык сызык синусоидалдык сигналдын циклине 1 өлчөөнү билдирет, сигналдын нукура табиятын толугу менен жашырып, сигналдын чокуларын гана басып алат. Кызыл майда сызыкча ийри сызык ар бир үлгүдөгү 1,1 өлчөө менен синусоидди ачып, бирок анын жыштыгын туура эмес көрсөтөт. Бул Moiré үлгүсүнө окшош.
Төмөнкү:Циклге 2 үлгү алынганда гана (кызгылт көк чекиттүү сызык) сигналдын чыныгы табияты тартыла баштайт.
Nyquist үлгү алуу теоремасы электроникада, аудио иштетүүдө, сүрөттөөдө жана башка тармактарда сигналдарды иштетүүдө кеңири таралган принцип. Теорема сигналдагы берилген жыштыкты кайра куруу үчүн өлчөөлөр 1-сүрөттө көрсөтүлгөн жыштыктан кеминде эки эсе жүргүзүлүшү керек экенин ачык-айкын көрсөтүп турат. Биздин оптикалык резолюцияда, бул биздин объекттин мейкиндик пикселинин өлчөмү биз тартып жаткан эң кичине деталдардын жарымынан көп болушу керек дегенди билдирет, же микроскоптун учурда, микроскоптун резолюциясынын жарымы.
2-сүрөт: Чарчы пикселдер менен Nyquist үлгүсүн алуу: ориентация маселелери
Квадрат пикселдер торчосу бар камераны колдонуу менен, Nyquist теоремасынын 2x үлгү алуу фактору пикселдик торго эң сонун тегизделген деталдарды гана так тартат. Эгер структураларды пикселдик тордун бурчунда чечүүгө аракет кылсаңыз, эффективдүү пиксел өлчөмү чоңураак, диагонал боюнча √2 эсеге чейин чоңураак. Демек, пикселдик торго 45o деталдарды тартуу үчүн үлгү алуу ылдамдыгы каалаган мейкиндик жыштыгынан 2√2 эсе көп болушу керек.
Мунун себеби 2-сүрөттү (жогорку жарымын) карап чыгуу менен айкын көрүнүп турат. Пикселдин өлчөмү оптикалык резолюцияга коюлганын элестетип көрүңүз, бул эки коңшу чекит булагынын чокуларын же биз чечүүгө аракет кылып жаткан деталдарды, ар бири өзүнүн пикселин берет. Булар өз-өзүнчө аныкталса да, натыйжада алынган өлчөөлөрдө алардын эки өзүнчө чоку экенин көрсөткөн эч кандай көрсөткүч жок – жана дагы бир жолу биздин “чечим” аныктамабыз аткарылган жок. Сигналдын бир бөлүгүн басып алуу үчүн ортодогу пиксел керек. Бул мейкиндикти тандап алуу ылдамдыгын жок дегенде эки эсеге көбөйтүү, башкача айтканда объект мейкиндигинин пикселдик өлчөмүн эки эсе азайтуу аркылуу жетишилет.
Оптикалык чечилиш жана камеранын чечилиши
Nyquist үлгүсүнүн сүрөттөөдө кантип иштээрин түшүнүү үчүн, биз резолюциянын эки түрүн айырмалашыбыз керек:
● Оптикалык чечкиндүүлүк: линза менен аныкталат, оптикалык чечилиш анын майда-чүйдөсүнө чейин чыгаруу жөндөмүн билдирет. Линзанын сапаты, апертура жана дифракция сыяктуу факторлор бул чекти белгилейт. Модуляция өткөрүү функциясы (MTF) көбүнчө линзанын ар кандай мейкиндик жыштыктарында контрастты канчалык жакшы өткөрөрүн өлчөө үчүн колдонулат.
● Камеранын чечилиши: Сенсор тарабынан аныкталат, камеранын чечилиши пикселдин өлчөмүнө, пикселдин бийиктигине жана сенсордун жалпы өлчөмдөрүнө жараша болот. пикселдик бийиктиги aCMOS камератүздөн-түз анын Nyquist жыштыгын аныктайт, ал сенсор басып ала турган максималдуу деталдарды аныктайт.
Бул экөө бири-бирине шайкеш келбесе, көйгөйлөр жаралат. Сенсордун чечүүчү кубаттуулугунан ашкан линза эффективдүү "ысырап кылынат", анткени сенсор бардык деталдарды тарта албайт. Тескерисинче, сапаты төмөн линза менен жупташкан жогорку чечилиштеги сенсор көбүрөөк мегапикселдерге карабай жакшырбаган сүрөттөрдү жаратат.
Оптикалык жана камеранын резолюциясын кантип тең салмактоо керек
Оптиканы жана сенсорлорду баланстоо сенсордун Nyquist жыштыгын линзанын оптикалык кесүү жыштыгына дал келүүнү билдирет.
● Камера сенсорунун Nyquist жыштыгы 1 / (2 × пикселдик кадам) катары эсептелет. Бул сенсор лакап атсыз тандап ала турган эң жогорку мейкиндик жыштыгын аныктайт.
● Оптикалык кесүү жыштыгы линзанын өзгөчөлүктөрүнө жана дифракцияга жараша болот.
Эң жакшы натыйжаларга жетишүү үчүн сенсордун Nyquist жыштыгы линзанын чечүүчү жөндөмүнө дал келиши же андан бир аз жогору болушу керек. Иш жүзүндө, жакшы эреже пикселдик кадам линзанын эң кичинекей чечилүүчү өзгөчөлүк өлчөмүнүн жарымына жакынын камсыз кылуу болуп саналат.
Мисалы, эгер линза 4 микрометрге чейинки деталдарды чече алса, пиксел өлчөмү ~2 микрометр болгон сенсор системаны жакшы тең салмактайт.
Nyquistти камеранын чечилиши жана чарчы пикселдердин чакырыгы менен дал келтирүү
Объекттин мейкиндигинин пикселдик өлчөмүн азайтуу менен соодалашуу жарык чогултуу жөндөмдүүлүгүн төмөндөтөт. Бул чечим жана жарык чогултуу үчүн муктаждык балансы Ошондуктан маанилүү болуп саналат. Кошумчалай кетсек, объекттин чоңураак мейкиндик пикселдик өлчөмдөрү сүрөттөө объектисинин чоңураак көрүнүшүн берет. Жакшы чечүүнү талап кылган тиркемелер үчүн, оптималдуу баланс төмөнкүдөй белгиленет: Nyquist үчүн кандайдыр бир факторго көбөйтүлгөндө объекттин мейкиндигинин пикселинин өлчөмү оптикалык резолюцияга барабар болушу керек. Бул чоңдук камеранын резолюциясы деп аталат.
Оптиканы жана сенсорлорду тең салмактоо көбүнчө камеранын эффективдүү үлгү алуу резолюциясы линзанын оптикалык резолюциясынын чегине дал келүүсүн камсыз кылуу үчүн келет. Система "Никвистке дал келет" деп айтылат:
Камеранын резолюциясы = Оптикалык резолюция
Камеранын резолюциясы төмөнкү тарабынан берилет:
Көп учурда сунушталган Nyquist үчүн эсепке алуу фактору 2 эмес, 2.3. Мунун себеби төмөндөгүдөй.
Камеранын пикселдери (адатта) төрт бурчтуу жана эки өлчөмдүү тордо жайгаштырылган. Карама-каршы теңдемеде колдонуу үчүн аныкталган пикселдин өлчөмү бул тордун огу боюнча пикселдердин туурасын билдирет. Эгерде биз чечүүгө аракет кылып жаткан функциялар бул торго салыштырмалуу 90° кемчиликсиз эселенген бурчтан башка ар кандай бурчта жатса, эффективдүү пиксел өлчөмү чоңураак болот, √2 ≈ 1,41 эсе 45° пикселдик өлчөмүнө чейин. Бул 2-сүрөттө (төмөнкү жарым) көрсөтүлгөн.
Бардык багыттарда Nyquist критерийи боюнча сунушталган фактор 2√2 ≈ 2,82 болот. Бирок, мурда резолюция менен жарык чогултуунун ортосунда айтылган соодалоого байланыштуу, эреже катары 2,3 компромисстик маани сунушталат.
Сүрөттөөдө Nyquist үлгүсүнүн ролу
Nyquist Sampling сүрөттүн ишенимдүү дарбазасы болуп саналат. Тандоо ылдамдыгы Nyquist чегинен төмөн түшкөндө:
● Төмөн үлгү алуу → лакап атка алып келет: жалган деталдар, тиштүү четтери же муар үлгүлөрү.
● Oversampling → оптика жеткире алгандан көбүрөөк маалыматтарды басып алат, бул кирешелердин азайышына алып келет: көрүнөө жакшыртууларсыз чоңураак файлдар жана жогорку иштетүү талаптары.
Туура тандоо сүрөттөрдүн курч жана чындыкка туура келишин камсыздайт. Ал оптикалык киргизүү менен санарип тартуунун ортосундагы тең салмактуулукту камсыздайт, бир жагынан ысырапкерчиликтен же экинчи жагынан адаштырган артефакттардан качат.
Практикалык колдонмолор
Nyquist үлгүлөрүн алуу жөн гана теория эмес, ал сүрөттөө дисциплиналары боюнча маанилүү колдонмолорго ээ:
● Микроскопия:Изилдөөчүлөр объективдүү линзалар чече ала турган эң кичинекей деталдарды кеминде эки эселенген үлгүдөгү сенсорлорду тандашы керек. Туура тандоомикроскопиялык камерапикселдин өлчөмү микроскоптун объективинин дифракция менен чектелген резолюциясына дал келиши керек болгондуктан, маанилүү. Заманбап лабораториялар көбүнчө тандашатsCMOS камералары, жогорку натыйжалуу биологиялык сүрөттөө үчүн сезгичтиктин, динамикалык диапазонун жана майда пикселдик структуралардын балансын камсыз кылат.
● Сүрөт тартуу:Жогорку мегапикселдүү сенсорлорду бирдей майда деталдарды чече албаган линзалар менен жупташтыруу көбүнчө тактыктын анча деле жакшырышына алып келет. Кесипкөй фотографтар резолюцияны текке кетирбөө үчүн линзаларды жана камераларды тең салмакташат.
● Сүрөт тартуу:Жогорку мегапикселдүү сенсорлорду бирдей майда деталдарды чече албаган линзалар менен жупташтыруу көбүнчө тактыктын анча деле жакшырышына алып келет. Кесипкөй фотографтар резолюцияны текке кетирбөө үчүн линзаларды жана камераларды тең салмакташат.
● Machine Vision &Илимий камераларСапатты контролдоодо жана өнөр жай инспекциясында үлгүлөрдүн жетишсиздигинен улам майда функциялардын жетишсиздиги бузулган бөлүктөрдүн байкалбай калышын билдирет. Ашыкча үлгүнү санариптик масштабдоо же өркүндөтүлгөн иштетүү үчүн атайылап колдонсо болот.
Nyquistке качан дал келүү керек: Ашыкча тандоо жана жетишсиз тандоо
Nyquist тандап алуу идеалдуу балансты билдирет, бирок иш жүзүндө, сүрөттөө системалары колдонууга жараша атайылап ашыкча же азыраак үлгүлөшү мүмкүн.
Undersampling деген эмне
Эң майда деталдарды чечүүдөн сезгичтик маанилүүрөөк болгон тиркемелерде, Nyquist талаптарынан чоңураак объект мейкиндигинин пикселдик өлчөмүн колдонуу жарык чогултуунун олуттуу артыкчылыктарына алып келиши мүмкүн. Бул undersempling деп аталат.
Бул майда-чүйдөсүнөн баш тартат, бирок төмөнкү учурларда пайдалуу болушу мүмкүн:
● Сезгичтик маанилүү: чоңураак пикселдер көбүрөөк жарыкты чогултуп, аз жарыкта сүрөттөөдө сигналдын ызы-чуу катышын жакшыртат.
● Ылдамдык маанилүү: азыраак пикселдер окуу убактысын кыскартып, тезирээк алууга мүмкүндүк берет.
● Маалыматтын эффективдүүлүгү талап кылынат: өткөрүү жөндөмдүүлүгү чектелген системаларда файлдын кичине өлчөмдөрү жакшыраак.
Мисал: Кальцийди же чыңалууну сүрөттөөдө сигналдар көбүнчө кызыккан аймактар боюнча орточо алынат, андыктан азыраак үлгү алуу илимий натыйжага доо кетирбестен жарыкты чогултууну жакшыртат.
Oversampling деген эмне
Тескерисинче, майда деталдарды чечүү маанилүү болгон көптөгөн тиркемелер же дифракция чегинен ашкан кошумча маалыматты калыбына келтирүү үчүн сатып алуудан кийинки талдоо ыкмаларын колдонгон тиркемелер, Nyquist талаптарына караганда кичине сүрөттөө пикселдерин талап кылат, алар oversampling деп аталат.
Бул чыныгы оптикалык чечкиндүүлүктү жогорулатпаса да, бул артыкчылыктарды бере алат:
● Сапаты азыраак жоготуу менен санариптик масштабды иштетет.
● Пост-процессингди жакшыртат (мисалы, деконволюция, деноиздөө, супер резолюция).
● Сүрөттөр кийинчерээк төмөндөтүлгөндө көрүнүүчү лакап атын азайтат.
Мисал: Микроскопияда жогорку резолюциядагы sCMOS камерасы уюлдук структураларды ашыкча үлгүлөштүрө алат, ошондуктан эсептөө алгоритмдери дифракция чегинен тышкары майда деталдарды чыгара алат.
Жалпы жаңылыш түшүнүктөр
1、Көбүрөөк мегапикселдер дайыма курч сүрөттөрдү билдирет.
Чын эмес. Айкындуулук линзанын чечүүчү күчүнөн да, сенсор туура тандап алган-албагандыгынан да көз каранды.
2、Кандай жакшы линза болбосун жогорку чечилиштеги сенсор менен жакшы иштейт.
Линзанын дааналыгы менен пикселдин бийиктигинин ортосундагы начар дал келүү аткарууну чектейт.
3、Nyquist үлгүсүн алуу сигналды иштетүүдө гана тиешелүү, сүрөттөө эмес.
Тескерисинче, санариптик сүрөттөө негизинен тандап алуу процесси болуп саналат жана Nyquist бул жерде аудио же байланыштагыдай актуалдуу.
Корутунду
Nyquist үлгүсүн алуу математикалык абстракция эмес — бул оптикалык жана санариптик резолюциянын чогуу иштешин камсыз кылган принцип. Линзалардын чечүүчү күчүн сенсорлордун үлгү алуу мүмкүнчүлүктөрү менен тегиздөө менен, сүрөттөө системалары артефакттарсыз же текке кетирилген кубаттуулуктарсыз максималдуу ачык-айкындуулукка жетишет.
Микроскопия, астрономия, фотография жана машина көрүү сыяктуу ар түрдүү тармактардагы адистер үчүн Nyquist үлгүсүн түшүнүү ишенимдүү натыйжаларды берген сүрөттөө системаларын долбоорлоо же тандоонун ачкычы болуп саналат. Акыр-аягы, сүрөттүн сапаты бир спецификацияны чектен чыгаруудан эмес, тең салмактуулукка жетишүүдөн келип чыгат.
Көп берилүүчү суроолор
Nyquist үлгүлөрү камерада канааттандырылбаса эмне болот?
Үлгү алуу ылдамдыгы Nyquist чегинен төмөн түшкөндө, сенсор майда деталдарды туура көрсөтө албайт. Бул лакап атка алып келет, ал тиштүү четтер, муар үлгүлөрү же чыныгы сахнада жок жалган текстуралар катары көрүнөт.
Пикселдин өлчөмү Nyquist үлгүсүнө кандай таасир этет?
Кичинекей пикселдер Nyquist жыштыгын жогорулатат, демек сенсор теориялык жактан майда деталдарды чече алат. Бирок, эгерде линза ошол деңгээлдеги резолюцияны бере албаса, кошумча пикселдер бир аз маани кошуп, ызы-чууну күчөтүшү мүмкүн.
Monoxrom жана түстүү сенсорлор үчүн Nyquist үлгүлөрү айырмаланабы?
Ооба. Монохромдук сенсордо ар бир пиксел түздөн-түз жаркырап турат, ошондуктан эффективдүү Nyquist жыштыгы пикселдин бийиктигине дал келет. Байер чыпкасы бар түстүү сенсордо ар бир түс каналы азыраак тандалып алынган, ошондуктан демозайизациядан кийинки эффективдүү чечим бир аз төмөн.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Бардык укуктар корголгон. Шилтеме бергенде булакты ырастаңыз:www.tucsen.com
