2022/05/13Rodmenų triukšmas yra neapibrėžtumas, būdingas elektroniniam kameros aptiktų fotoelektronų skaičiaus matavimui. Jis paprastai nurodomaselektronai (e⁻ RMS)ir priklauso nuo nuskaitymo greičio, stiprinimo / konversijos-stiprinimo režimo, ADC konfigūracijos ir investicijų grąžos (ROI), todėl palyginamas tik tada, kai sąlygos sutampa.
Ryškiose scenose,šūvio triukšmaspaprastai dominuoja, o rodmenų triukšmas turi mažai įtakos. Vaizduojant prasto apšvietimo sąlygomis – silpna fluorescencija, astronomijoje, dirbant su trumpu išlaikymu dideliu greičiu – rodmenų triukšmas gali iš esmės apriboti signalo ir triukšmo santykį ir net aptikimą.
Šiame vadove parodyta, kaip interpretuoti rodmenų triukšmo specifikacijas, kada tai svarbu, kurie nustatymai jį keičia ir kaip jį patikimai išmatuoti.
Kas yra rodmenų triukšmas?
Nuskaitymo triukšmas (dažnai vadinamasskaitymo triukšmas) yra atsitiktinis neapibrėžtumas, atsirandantis, kai kameragarsiai skaitovaizdas – t. y. kai kiekviename pikselyje sukauptas krūvis paverčiamas įtampa ir tada skaitmeninamas į skaitmeninį skaičių (DN). Net ir esant nepriekaištingai optikai bei stabiliam vaizdui, nuskaitymo elektronika niekada nebūna visiškai be triukšmo: stiprintuvai, atstatymo ir diskretizavimo grandinės, analoginio signalo keliai ir analoginis-skaitmeninis keitiklis (ADC) gali sukelti nedidelius svyravimus. Rezultatas – kiekvienam pikseliui, kiekvienam kadrui nuskaitymo metu pridedama atsitiktinė paklaida.
1 pav.: Nuskaitytas vaizdas su triukšmo apribojimu
Šiame itin prasto apšvietimo režime signalo vertės yra panašios į skaitymo triukšmą, o tai reiškia, kad skaitymo triukšmas yra pagrindinis SNR ribojantis veiksnys.
Kadangi jutiklis galiausiai matuoja šviesą kaipelektronai, nuskaitymo triukšmas dažniausiai nurodomaselektronai (e⁻), paprastai kaipe⁻ RMSTriukšmo išreiškimas elektronais leidžia lengviau palyginti skirtingų fotoaparatų nustatymų ir modelių našumą. (Jei pradedate nuo DN, konvertuojant į e⁻ reikia sistemos konversijos stiprinimo,e⁻/DNŠiuolaikinėse mokslinėse kamerose rodmenų triukšmas gali būti labai mažas – dažnai ties~1–3 e⁻ RMS lygis mažo triukšmo režimuosevaizduojant prasto apšvietimo sąlygomis, nors tiksli vertė priklauso nuo nuskaitymo greičio, stiprinimo / konversijos-stiprinimo režimo, ADC konfigūracijos, investicijų grąžos (ROI) ir temperatūros.
Tipinės vertės ir kodėl jos skiriasi
DaugeliuisCMOS kameros, skaitymo triukšmas tapo pakankamai mažas, kad būtų galima tiksliai išmatuoti labai mažus signalus. Kitos jutiklių technologijos ir veikimo režimai gali rodyti didesnį nuskaitymo triukšmą, ypač kai optimizuota maksimaliam kadrų dažniui. Žr. 1 lentelę, kurioje pateiktos kai kurios reprezentatyvios vertės. Štai kodėl svarbu lyginti skaitymo triukšmą tik esant atitinkamoms bandymo sąlygoms (režimas, nuskaitymo greitis, stiprinimas, bitų gylis, investicijų grąža ir kt.).
1 lentelė. Tipinės RMS nuskaitymo triukšmo vertės, naudojamos skirtingoms mokslinių kamerų technologijoms
* Elektromagnetinio rezonanso įtaisai (EMCCD) turi papildomų triukšmo šaltinių, kurie sumažina jų jautrumą
** Didelės spartos sCMOS, pvz.„Tucsen Dhyana 2100 sCMOS“ kamera
*** Didelio greičioCMOS kamerosnaudojami tiek moksliniame vaizdavime, tiek filmuose greitam judesio fiksavimui. Šios kameros paprastai negali būti naudojamos vaizdavimui esant silpnam apšvietimui dėl didelio triukšmo lygio, kuris slopina silpno apšvietimo signalus.
RMS ir medianinis skaitymo triukšmas (ir kodėl kai kuriuose duomenų lapuose rodomi du skaičiai)
CMOS/sCMOS jutikliuose nuskaitymo triukšmas gali šiek tiek skirtis priklausomai nuo pikselio, todėl gali būti naudinga nuskaitymo triukšmą laikyti pasiskirstymu, o ne viena verte. Kai kuriuose fotoaparatuose taip pat yra nedidelė didesnio triukšmo pikselių „uodega“, kur tokie efektai kaip atsitiktinis telegrafo triukšmas (RTN) gali būti ryškesni.
Apibendrinant šį pasiskirstymą, gamintojai gali nurodyti vidutinę (tipinę) nuskaitymo triukšmo vertę, o kartais ir papildomą RMS rodiklį, kuris yra jautresnis didesnio triukšmo pikseliams. Apibrėžimai gali skirtis priklausomai nuo gamintojo, todėl saugiausias būdas yra patikrinti nurodytą matavimo metodą ir sąlygas, ypač lyginant kameras arba renkantis režimą darbui esant prastam apšvietimui.
Kaip skaityti rodmenų triukšmo specifikacijas?
Nuskaitymo triukšmo vertė yra reikšminga tik tada, kai ji susijusi su tuo, kaip kamera buvo valdoma matavimo metu. Režimas, bitų gylis, nuskaitymo greitis, stiprinimo / konversijos stiprinimas ir investicijų grąža gali pakeisti skaičių, todėl visada lyginkite specifikacijas atitinkamomis sąlygomis.
Bandymo sąlygos svarbios
Nuskaitymo triukšmo skaičius prasmingas tik tada, kai jis susietas sueksploatavimo sąlygosnaudojamas jam matuoti. Ta pati kamera gali pateikti skirtingas vertes, priklausomai nuo nuskaitymo režimo ir konfigūracijos, todėl „mažesnė“ nebūtinai reiškia „geresnė“, nebent lyginate panašius. Prieš lygindami kameras – ar net du režimus toje pačioje kameroje – duomenų lapo lentelėje, išnašose arba našumo diagramose ieškokite šių sąlygų:
●Nuskaitymo greitis / pikselių dažnis (kHz–MHz):Greitesnis nuskaitymas paprastai padidina nuskaitymo triukšmą.
Stiprinimo / konversijos-stiprinimo režimas (pvz., HCG / LCG): keičia e⁻ / DN ir gali pakeisti praneštą triukšmo vertę.
●ADC kelias / bitų gylis:Kai kurios kameros siūlo kelis ADC režimus, kurie turi įtakos triukšmo ir kvantavimo elgsenai.
●ROI ir rodmenų kanalai:ROI gali pakeisti jutiklio nuskaitymo būdą ir kai kurių architektūrų našumą.
●Temperatūra (jei nurodyta):Specifikacijos dažnai matuojamos esant nustatytai jutiklio temperatūrai; visada lyginkite panašiomis sąlygomis.
Jei antraštės skaitymo triukšmo paveikslas rodomas be režimo / greičio konteksto, laikykite jį nepilnu ir suraskite išsamią režimo lentelę arba grafiką.
Tipinės ir maksimalios / medianinės ir RMS vertės: kodėl galite matyti du skaičius
Dėl lygiagrečių nuskaitymo architektūrų,dauguma CMOS/sCMOS jutikliųrodo tam tikrus nuskaitymo triukšmo skirtumus tarp pikselių, todėl gali būti naudinga galvoti apie nuskaitymo triukšmą kaip apie pasiskirstymą, o ne kaip vieną vertę. Štai kodėl kai kuriuose specifikacijų lapuose pateikiami du skaičiai.
A medianaSkaitymo triukšmo vertė rodo, kad 50 % pikselių yra ties šiuo skaičiumi arba žemiau jo, o tai dažnai atspindi „tipinį“ našumą.RMSPaveikslėlis (jei pateikiamas) yra jautresnis pasiskirstymo sklaidai ir gali geriau užfiksuoti didesnio triukšmo pikselių įtaką uodegoje. Kadangi apibrėžimai gali skirtis priklausomai nuo gamintojo, visada patikrinkite nurodytas matavimo sąlygas ir ataskaitų teikimo tvarką.
CMOS/sCMOS jutikliai gali rodytipikselių skirtumaiskaitymo triukšme, todėl skaitymo triukšmą geriau laikytiplatinimaso ne viena vertė. Apibendrinant šį pasiskirstymą, gamintojai gali pateikti:
●Tipinis / mediana:„Tipinio pikselio“ skaičius, rodantis įprastą našumą tuo režimu.
●RMS (arba kartais konservatyvesnis skaičius):Statistika, kuri gali būti jautresnė didesnio triukšmo pikseliams ir geriau atspindi bendrą sklaidą.
Ne kiekvienas pardavėjas šiuos terminus vartoja visiškai vienodai, todėl visada patikrinkite nurodytą apibrėžimą ir matavimo metodą. Kilus abejonių, palyginkite kameras naudodami vertes, nurodytas pota pati statistika ir sąlygos.
Kameros režimų pavyzdžiai (kodėl viena kamera turi kelias skaitymo triukšmo specifikacijas)
Kad tai būtų konkretu, apsvarstykite„Tucsen Aries 6510“ itin jautri sCMOS kameraDuomenų lape nurodomas kelių nuskaitymo režimų nuskaitymo triukšmas, nes kamera gali būti valdoma skirtingu bitų gyliu ir nuskaitymo kanalais, ir kiekvienas turi skirtingą triukšmo lygį:
2 pav.: „Aries 6510“ rodmenų triukšmas
Kaip tai interpretuoti: šie skaičiai nėra prieštaringi – jie apibūdinaskirtingi veikimo taškaitos pačios kameros. Didesnės spartos kanalas (čia – greičio režimas) paprastai teikia pirmenybę pralaidumui ir gali rodyti didesnį nuskaitymo triukšmą, o jautrumui optimizuoti kanalai gali sumažinti nuskaitymo triukšmo minimumą. Būtent todėl nuskaitymo triukšmo specifikacijas visada reikėtų skaitytikartu su režimo pavadinimu ir nurodytu bitų gyliuLygindami kameras (arba lygindami kamerą su paskelbta verte), įsitikinkite, kad lyginatetas pats režimas, ne tik mažiausias antraštės skaičius.
Kada svarbus rodmenų triukšmas?
Nuskaitymo triukšmas neriboja kiekvieno eksperimento. Ar jis svarbus, priklauso nuo paprasto klausimo: ar nuskaitymo triukšmas yra reikšminga jūsų bendro triukšmo biudžeto dalis, esant jūsų naudojamam signalo lygiui? Ryškiomis sąlygomis fotonų (kadrų) triukšmas paprastai dominuoja. Silpno signalo sąlygomis nuskaitymo triukšmas gali tapti rodikliu, kuris lemia signalo ir triukšmo santykį (SNR), o kartais ir tai, ar apskritai matoma silpna struktūra.
Skaitymo triukšmas ir šūvio triukšmas: trumpa nykščio taisyklė
Šūvio triukšmas didėja kartu su signalu√N(kur N yra aptiktų fotoelektronų skaičius). Nuskaitymo triukšmas yra maždaugpastovus vienam pikseliui per kadrątam tikram režimui. Tai reiškia:
● Priedidelis N, √N yra didelis, o rodmenų triukšmas mažai prisideda.
● Priemažas N, √N yra mažas ir gali dominuoti rodmenų triukšmas.
Praktinis perėjimo taškas yra tada, kaišūvio triukšmas ≈ nuskaitymo triukšmas, t. y. kai√N ≈ RTai atitinkaN ≈ R².
Pavyzdžiui, jei režimas turiR = 2 e⁻ RMS,nuskaitymo triukšmas tampa reikšmingas, kai signalo kiekis yra nuo kelių elektronų iki kelių dešimčių elektronų viename pikselyje (nes R2=4). JeiR = 10⁻, kryžminimas pasislenka iki maždaug 10² = 100 elektronų viename pikselyje.
Konkretus SNR pavyzdys (kodėl jis yra nereikšmingas ryškiose scenose)
Tarkime, kad pikselyje yra2 000 eurųsignalo. Šūvio triukšmas yra√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Jei rodmenų triukšmas yra10 eurų, bendras triukšmas (RMS) yra:
Taigi, SNR pasikeičia nuo 2000/44,7≈44,7 iki 2000/45,8≈43,7 – skirtumas nedidelis. Kitaip tariant, esant dideliam signalo lygiui, rodmenų triukšmo sumažinimas retai pakeičia tai, ką galite matyti.
Ryškiai apšviestose scenose, kur kiekvienas pikselis surenka tūkstančius fotoelektronų, nuskaitymo triukšmas tampa maža dalimi bendrame triukšmo biudžete. Pavyzdžiui, esant 2000 e⁻ signalo, pridėjus 10 e⁻ nuskaitymo triukšmo, SNR pasikeičia tik keliais procentais – dažnai nepastebimai – o esant dešimčiai elektronų viename pikselyje, nuskaitymo triukšmas gali iš esmės apriboti SNR ir matomas detales.
Kai rodmenų triukšmas tampa tikru ribotuvu
Nuskaitymo triukšmas yra svarbiausias, kai jūsų eksperimentą riboja signalas kiekvienam kadrui – tai reiškia, kad kiekvienas pikselis per vieną ekspoziciją surenka tik nedidelį skaičių fotoelektronų. Tokiu režimu nuskaitymo triukšmas gali dominuoti triukšmo biudžete, sumažinti signalo ir triukšmo santykį (SNR) ir užmaskuoti silpną struktūrą.
Įprasti taikymo nurodymai apima:
●Silpna fluorescencija / mažas žymėjimo tankis, ypač naudojant trumpą ekspoziciją arba greitą laiko intervalo filmavimą
●Vienos molekulės fluorescencijair lokalizacija pagrįsta super skiriamoji geba, kur signalai gali būti tik keli fotonai vienam emiteriui per kadrą
●Chemiliuminescencijos vaizdavimas, kur fotonų biudžetai iš esmės yra maži ir gali dominuoti rodmenų triukšmas
●Didelės spartos funkcinis vaizdavimas (įtampos / membranos potencialo, greitas kalcio vaizdavimas), kur trumpos ekspozicijos sumažina fotonų skaičių kadre
●Fotonų badu vaizdavimo darbo eigos(pvz., labai blankūs kadrai, net jei planuojate vėliau sudėti/vidurkinti)
Praktinis patikrinimas: jei jūsų tipinis pikselio signalas yrašimtai iki tūkstančių elektronųkiekviename kadre nuskaitymo triukšmas retai būna dominuojantis. Jei jis yradešimtys elektronų ar mažiau, rodmenų triukšmas ir režimo pasirinkimas gali stipriai paveikti vaizdo kokybę.
Išvada
Nuskaitymo triukšmas yra nuo režimo priklausomas, nuskaitymo grandinės ribojamas terminas, todėl vieninteliai prasmingi palyginimai atliekami esant sutapusioms sąlygoms (režimas, nuskaitymo greitis, stiprinimas / konversijos stiprinimas, ADC / bitų gylis, investicijų grąža). Ryškiose scenose jis dažnai yra nereikšmingas, tačiau vaizduose su silpnu signalu jis gali iš esmės apriboti SNR ir aptikimą.
Jei norite gauti rekomendaciją savo eksperimentui, pasidalykite savo taikymo informacija (signalo lygiu, ekspozicijos laiku, kadrų dažniu, bangos ilgiu ir tiksliniu SNR). Mūsų vaizdavimo specialistai gali pasiūlytiTucsen kamerair geriausią rodmenų režimą, kad būtų subalansuotas jautrumas, greitis ir dinaminis diapazonas.
