2025/09/19Dirbant su pažangiomis vaizdo gavimo sistemomis, tokiomis kaip CMOS ir sCMOS kameros, nedaug nustatymų yra tokie įtakingi kaip stiprinimas. Stiprinimas lemia, kaip jutiklio signalai yra sustiprinami prieš konvertuojant juos į skaitmenines vertes, tiesiogiai formuojant ryškumą, triukšmą ir dinaminį diapazoną. Vis dėlto daugelis vartotojų susiduria su klaidingu supratimu apie tai, kas iš tikrųjų yra stiprinimas, kada naudoti rankinį, o kada automatinį stiprinimą ir kaip jį optimizuoti savo pritaikymui.
Šiame vadove pateikiamas aiškus ir praktiškas paaiškinimas, kas yra stiprinimas, kokie yra dažniausiai pasitaikantys nesusipratimai, kaip jis veikia vaizdo kokybę ir kaip jį tinkamai nustatyti.
Kas yra pelnas?
Kameros sistemos stiprinimas yra rodomų pilkos spalvos lygių ir aptiktų fotoelektronų santykis, matuojamas pilkos spalvos lygiais vienam elektronui. Kartais pateikiamas atvirkštinis dydis – elektronais vienam pilkos spalvos lygiui – tačiau abu apibūdina tą patį ryšį.
Tikslią stiprinimo vertę (arba verčių diapazoną) nustato kamerų konstruktoriai, naudodami analoginius-skaitmeninius keitiklius (ADC), stiprintuvus ir kondensatorius nuskaitymo architektūroje. Tai lemia, kiek pilkos spalvos lygių bus vaizduojamas kiekvienas fotoelektronas, be bazinio poslinkio. Stiprinimas taip pat apibrėžia, kiek kameros fizinės pilnos talpos yra sprendžiama neviršijant skirtingų režimų galimo bitų gylio.
●Mažas pelnas: sukuria tamsesnį, bet švaresnį vaizdą su platesniu dinaminiu diapazonu.
●Didelis pelnas: pašviesina vaizdą, bet prideda daugiau triukšmo ir sumažina dinaminį diapazoną.
1 pav.: Keičiamos stiprinimo vertės poveikis
Priklausomai nuo stiprinimo vertės, tas pats signalas fotoelektronuose gali lemti žymiai skirtingas pilkumo lygio vertes. Nežinant stiprinimo vertės, pilkumo lygio vertė kaip signalo matavimas yra beprasmė.
Taigi, stiprinimas lemia mūsų signalo intensyvumo matavimų „žingsnio dydį“ – tikslumą, kuriuo skaitmeniniu būdu imamas fotoelektronų skaičius. Paprasta analogija yra garsas: padidinus garsumą, sustiprinama ir muzika, ir foninis šnypštimas. Panašiai ir fotoaparatuose, padidinus stiprinimą, sustiprinamas ir signalas, ir triukšmas.
PastabaVartotojiškoje fotografijoje jautrumo didinimas vadinamas „ISO nustatymu“. Šis terminas kilo iš juostinės fotografijos, kur ISO matavo juostos jautrumą. Didesni ISO skaičiai skaitmeniniuose fotoaparatuose atitinka didesnį elektroninį jautrumo didinimą.
Dažni nesusipratimai dėl pelno
Nors terminas „stiprinimas“ yra gerai žinomas garso ar elektronikos srityje, jo vartojimas vaizdavimo srityje dažnai veda prie nenaudingų prielaidų. Dėl nesusipratimų vaizdai gali būti neteisingai interpretuojami arba stiprinimo nustatymai gali būti nepaisomi.
1,"Pelnas yra apgaulė."
Nuomonė, kad didinant stiprinimą kažkaip „dirbtinai sustiprinami“ signalai, nėra teisinga – didinant stiprinimą, tik padidėja įtampos matavimo tikslumas.
2.„1× padidėjimas reiškia jokio padidėjimo.“
Numatytasis kameros stiprinimo nustatymas, kai galimi keli nustatymai, vis tiek atitinka pasirinktą stiprinimo vertę pilkos spalvos lygiais vienam elektronui. Pasakyti „ši kamera neturi stiprinimo“ yra tas pats, kas sakyti „šis žmogus neturi ūgio“! Stiprinimas yra tiesiog išmatuojama kameros veikimo savybė.
3."Didesnis stiprinimas signalus daro ryškesnius, bet triukšmingesnius."
Išskyrus EMCCD kameras, tai beveik visada yra klaidinga. Didesnės stiprinimo vertės, gautos sudauginus signalą ir triukšmą, gali tiesiog atskleisti vaizduose jau esantį triukšmą. Nors iš tikrųjų didesnis stiprinimas paprastai sumažina nuskaitymo triukšmą, o didžiausias kameros siūlomas stiprinimo nustatymas paprastai yra mažiausias triukšmo lygis.
Kaip stiprinimas veikia vaizdo kokybę
Stiprinimo nustatymai turi įtakos trims pagrindiniams vaizdo kokybės aspektams:
1,Ryškumas– Didesnis ryškumas paryškina vaizdus, ypač esant prastam apšvietimui.
2.Triukšmas– Silpnų signalų stiprinimas taip pat sustiprina triukšmą, įskaitant skaitymo ir kadravimo triukšmą. Esant dideliam stiprinimui, vaizdai gali atrodyti grūdėti.
3.Dinaminis diapazonas– Didesnis stiprinimas sumažina maksimalų signalų diapazoną, kurį jutiklis gali užfiksuoti nesukeldamas sodrumo. Tai riboja galimybę tame pačiame vaizde įrašyti ir labai ryškias, ir labai silpnas detales.
UžCMOS kameros, esant aukštiems nustatymams, stiprinimas gali gerokai sumažinti efektyvų dinaminį diapazoną.sCMOS kamerosdėl dvigubo stiprinimo architektūros dažnai pasiekia mažesnį triukšmą, išlaikydami platesnį dinaminį diapazoną, todėl jie idealiai tinka moksliniam vaizdavimui.
Tinkamas stiprinimo nustatymas
2 pav.: Tinkamas stiprinimo nustatymas
Viršuje: Vaizdai, užfiksuoti naudojant nurodytus stiprinimo nustatymus.
ApačiaVaizdo intensyvumo histogramos viršutiniams vaizdams.
Stiprinimas yra pagrindinis kompromisas moksliniame vaizdavime: jis lemia, kaip subalansuojamas jautrumas ir dinaminis diapazonas.
Didėjantis pelnas:
● Sumažina skaitymo triukšmą, pagerindamas signalo ir triukšmo santykį esant prastam apšvietimui
● Pagerina silpnų signalų kvantavimo tikslumą (daugiau pilkos spalvos lygių vienam elektronui)
● Pagerina kontrastą vaizduojant silpnas struktūras
Mažėjantis pelnas:
Padidina pilną šulinėlio talpą, leidžiančią užfiksuoti ryškesnius signalus be persotinimo
Nors ne visi fotoaparatai turi keičiamus stiprinimo nustatymus, daugelis jų turi, kad būtų galima subalansuoti didelį dinaminį diapazoną / pilną pajėgumą ir didelio jautrumo režimus.
Nykščio taisyklėPasirinkite didžiausią įmanomą stiprinimo nustatymą (daugiausia pilkos spalvos lygių vienam elektronui) arba stiprinimo nustatymą su mažiausiu skaitymo triukšmu (jei jis skiriasi), tačiau nepriartėkite prie norimo signalo pikselių sodrumo. Jei kai kurie pikseliai dėl atsitiktinių triukšmo svyravimų pasiekia sodrumo vertę, jūsų stiprinimas gali būti per didelis, jei duomenys iš šių pikselių yra svarbūs.
PastabaTačiau būkite atsargūs, nes stiprinimo nustatymai kartais susieti su kitais kameros režimais, kur keičiant režimus pasikeičia ne tik stiprinimas, bet ir bitų gylis, kameros greitis ar kiti kameros veikimo režimai.
Rankinis ir automatinis stiprinimas: kurį naudoti?
| Aspektas | Rankinis stiprinimas | Automatinis stiprinimas |
| Valdymas | Visiška naudotojo kontrolė | Kamera prisitaiko automatiškai |
| Nuoseklumas | Aukštas (atkartojama visuose duomenų rinkiniuose) | Kintamas, gali keistis į kadrą |
| Naudojimo paprastumas | Reikalinga patirtis | Paprasta ir greita |
| Geriausiai tinka | Kiekybiniai eksperimentai, mikroskopija, astronomija | Tiesioginis vaizdas, stebėjimas, dinaminis apšvietimas |
Rankinis stiprinimas yra pageidaujamas moksliniams taikymams, kur svarbus atkuriamumas ir kiekybinis tikslumas. Automatinis stiprinimas yra patogus stebėjimui realiuoju laiku arba tikrinimo užduotims, kai apšvietimo sąlygos svyruoja.
Kaip sužinoti savo fotoaparato stiprinimo vertę
Žinoti tikrąją kameros pilkos spalvos lygių vienam elektronui stiprinimo vertę yra labai naudinga moksliniame vaizdavime ir yra būtina kai kuriose vaizdavimo programose. Tačiau beveik jokia kameros programinė įranga nerodo vartotojui kameros stiprinimo vertės dabartiniu režimu. Yra keletas galimų šaltinių, kaip sužinoti šią vertę:
1. Sertifikavimo dokumentuose, kurie gali būti pridedami prie kameros, nuskaitykite skirtingų kameros režimų stiprinimo vertes, kurias išmatavo kamerų gamintojai.mokslinės kameros.
2. Apskaičiuokite apytiksles vertes pagal kameros specifikacijų lapą, padalydami kiekvieno režimo pilną angos talpą (jei nurodyta) iš maksimalios pilkos spalvos lygio vertės (pagal bitų gylį), galimos tame režime. Tačiau atkreipkite dėmesį, kad specifikacijų lape nurodytos pilnos angos talpos vertės kartais gali būti gerokai pervertintos, palyginti su tikromis kameromis, net 40 %. Kiekvienos kameros pilnos angos talpa šiek tiek skiriasi.
3. Pats išmatuokite padidėjimą naudodami vidutinės dispersijos kriterijų.
Mokslinių programų stiprinimo nustatymai
Žemiau pateiktoje lentelėje parodyta siūloma stiprinimo verčių klasifikacija ir atitinkama visa duobutės talpa, kurią galima būtų spręsti 8 bitų, 12 bitų arba 16 bitų pikselių vertėms.
1 lentelė: Pavyzdinės stiprinimo vertės tipiniame diapazone, pilkos/elektroninės spalvos.
Pavyzdinės stiprinimo vertės ir atitinkamas atvirkštinis stiprinimas (e-/pilkumo lygtimi) bei gauta maksimali viso šulinio talpa, kurią pasiektų pasirinkus stiprinimą, esant tam tikram bitų gyliui (darant prielaidą, kad nėra poslinkio).
Išvada
Stiprinimas yra vienas svarbiausių ir dažniausiai nesuprantamų CMOS ir sCMOS vaizdavimo parametrų. Tai nėra stebuklingas jautrumo įrankis, ir didesnis jautrumas visada yra geresnis. Stiprinimas yra kompromisas tarp ryškumo, triukšmo ir dinaminio diapazono.
●Rankinis stiprinimasužtikrina kontrolę ir atkuriamumą, todėl idealiai tinka moksliniam ir kiekybiniam darbui.
●Automatinis stiprinimassiūlo patogumą ir pritaikomumą, puikiai tinka tiesioginiam stebėjimui ir kintančioms sąlygoms.
Suprasdami savo fotoaparato stiprinimo vertes, vengdami dažniausiai pasitaikančių klaidingų nuomonių ir taikydami geriausią praktiką, galite optimizuoti vaizdo kokybę, išlaikydami mokslinį tikslumą.
DUK
Kuo skiriasi stiprinimas ir ekspozicijos laikas?
Ekspozicijos laikas padidina surinktų fotonų skaičių, pagerindamas signalo ir triukšmo santykį (SNR). Stiprinimo koeficientas sustiprina gautą signalą ir triukšmą.
Ar didesnis stiprinimas visada reiškia daugiau triukšmo?
Ne visai tiksliai. Didesnis stiprinimas sumažina skaitymo triukšmą, bet sustiprina ir signalą, ir triukšmą, todėl triukšmas tampa labiau matomas.
Kuo skiriasi CMOS ir sCMOS kamerų stiprinimo nustatymai?
sCMOS kameros dažnai turi dvigubo stiprinimo rodmenis, derindamos didelį jautrumą ir platų dinaminį diapazoną. Standartinės CMOS gali būti naudojamos kaip pakaitinis elementas.
Norite sužinoti daugiau? Peržiūrėkite susijusius straipsnius:
[Dinaminis diapazonas] – Kas yra dinaminis diapazonas?
[Visas gręžinio pajėgumas] – Kas yra visas gręžinio pajėgumas?
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
