2022/05/13Daugelyje vaizdavimo programų kamera turi aptikti tiek labai stiprius, tiek labai silpnus signalus tame pačiame matymo lauke. Tai taikoma ne tik moksliniam vaizdavimui, bet ir pramoninėms apžiūros bei mašininio matymo sistemoms. Dinaminis diapazonas apibūdina, kaip gerai kamera gali susidoroti su šiuo iššūkiu, apibrėždamas atstumą tarp stipriausio signalo, kurį ji gali įrašyti be sodrumo, ir silpniausio signalo, kurį ji gali atskirti virš triukšmo ribos.
Nepaisant jo svarbos, išsami dinaminio diapazono analizė vis dar daugiausia apsiriboja specializuotomis mokslo sritimis. Pramoninėje ir vartotojų vaizdavimo srityje jis dažnai suprantamas pirmiausia kaip fotoaparato gebėjimo apdoroti šviesias ir tamsias sritis rodiklis, o pagrindiniai jo principai praktiškai nagrinėjami mažiau. Todėl šiame straipsnyje dinaminis diapazonas bus nagrinėjamas iš fundamentalesnės ir į taikymą orientuotos perspektyvos, siekiant padėti panaikinti šią spragą.
Kodėl dinaminis diapazonas svarbus moksliniame vaizdavime?
Dinaminis diapazonas apibūdina, kaip efektyviai kamera gali įrašyti tiek stiprius, tiek silpnus signalus tame pačiame vaizde. Moksliniame vaizdavime ši galimybė yra labai svarbi, nes daugelyje realaus pasaulio scenų signalo intensyvumas labai skiriasi – nuo ryškių elementų, kurie gali sukelti sodrumą, iki blankių detalių, esančių arti triukšmo ribos.
Kamera su didesniu dinaminiu diapazonu geriau išsaugo informaciją visame šiame diapazone. Ji gali užfiksuoti šviesias sritis neprarasdama detalių dėl sodrumo, tuo pačiu išlaikydama jautrumą silpniems signalams. Ši pusiausvyra tiesiogiai veikia bendrą vaizdo kokybę, ypač tais atvejais, kai abu kraštutinumai yra vienu metu.
Dinaminio diapazono svarba dar labiau išryškėja atliekant vaizdo gavimo užduotis, kai intensyvumas labai skiriasi visame matymo lauke. Pavyzdžiui, kai vienu nuskaitymu reikia užfiksuoti ir stiprius, ir silpnus signalus, nepakankamas dinaminis diapazonas gali lemti iškirptus ryškius vaizdus arba trūkstamas žemo lygio detales.
Be vizualinės vaizdo kokybės, dinaminis diapazonas taip pat gali turėti įtakos matavimo tikslumui. Darbo eigoje, kuri remiasi signalo intensyvumo aptikimu arba palyginimu, galimybė atskirti skirtumus plačiame diapazone gali pagerinti rezultatų patikimumą.
Koks pilnas šulinio pajėgumas ir koks nuskaitymo triukšmo formos dinaminis diapazonas?
Dinaminį diapazoną iš esmės lemia jutiklio signalo talpos ir jo triukšmo minimumo santykis. Viršutinėje riboje dinaminį diapazoną riboja maksimalus elektronų skaičius, kurį pikselis gali sutalpinti prieš įsotinimą, paprastai vadinamas visa talpa. Apatinėje riboje jį riboja minimalus signalas, kurį galima atskirti nuo triukšmo, dažnai apibūdinamas skaitymo triukšmu.
1 paveiksle pavaizduotas viso gręžinio pajėgumo ir dinaminio diapazono ryšys.
1A pav.: Dėl mažo pilno šulinio pajėgumo vaizdas praranda ryškių signalų informaciją.
1B pav.: Didelė viso šulinio talpa leidžia gauti visą informaciją nuo silpnų iki ryškių signalų.
Pilna talpa apibrėžia, kiek signalo pikselis gali sukaupti, kol taps persotintas. Jei ši talpa per maža, šviesios vaizdo sritys gali greitai viršyti jutiklio ribas, todėl didelio intensyvumo srityse gali būti prarastos detalės. Kai įvyksta persotinimas, papildomo signalo įrašyti negalima, o informacija tose srityse prarandama visam laikui.
Priešingame galeskaitymo triukšmasnustato silpnų signalų aptikimo slenkstį. Kai signalo lygis yra artimas triukšmo lygiui, sunku atskirti tikrąjį signalą nuo foninių pokyčių. Jei nuskaitymo triukšmas yra per didelis, silpnos detalės gali būti nepatikimai užfiksuotos, net jei jos yra scenoje.
Todėl dinaminis diapazonas neapibrėžiamas vienu parametru, o šių dviejų ribų pusiausvyra. Kamera su dideliupilnas gręžinio pajėgumastačiau esant dideliam triukšmui vis tiek gali būti sunku aptikti silpnus signalus, o kamera su labai mažu triukšmu, bet ribotu signalo pajėgumu gali prarasti informaciją šviesiose srityse.
Dinaminis diapazonas dažnai apibūdinamas kaip šių dviejų ribų santykis, kartais išreiškiamas decibelais (dB), pavyzdžiui:
Praktiniame vaizdavime norint pasiekti platų dinaminį diapazoną, reikia ir pakankamo signalo pajėgumo, ir mažo triukšmo lygio.
Kodėl didelis dinaminio diapazono skaičius nepasako visos istorijos?
Kabutėse nurodyta dinaminio diapazono vertė gali būti naudingas atspirties taškas lyginantdidelio našumo mokslinės ir pramoninės kameros, tačiau jo nereikėtų interpretuoti izoliuotai. Praktiškai dinaminis diapazonas nėra fiksuota charakteristika visomis sąlygomis. Pateiktos vertės gali skirtis priklausomai nuo kameros režimo, stiprinimo nustatymo ir matavimo metodologijos, o tai reiškia, kad vienas skaičius ne visada atspindi, kaip kamera veiks konkrečioje darbo eigoje.
Dėl šios priežasties didesnis dinaminio diapazono specifikacija nebūtinai reiškia geresnį našumą kiekvienu atveju. Praktinė nauda priklauso nuo to, ar vaizdavimo užduočiai iš tikrųjų reikia užfiksuoti ir labai ryškius, ir labai silpnus signalus tame pačiame kadre. Jei signalo diapazonas scenoje yra ribotas, didesnio dinaminio diapazono pranašumas gali būti mažiau pastebimas.
Taip pat svarbu atsižvelgti į tai, kaip dinaminis diapazonas sąveikauja su kitomis kameros charakteristikomis. Tokie veiksniai kaip kvantinis efektyvumas, skaitymo triukšmas, ekspozicijos sąlygos ir kadrų dažnis turi įtakos tam, kaip efektyviai kamera fiksuoja tinkamus naudoti vaizdo duomenis. Kamera su didesniu dinaminiu diapazonu ant popieriaus ne visada gali duoti geresnių rezultatų, jei kiti našumo aspektai yra labiau ribojantys.
Praktiškai dinaminis diapazonas turėtų būti vertinamas kaip platesnio sistemos lygio našumo profilio dalis, o ne kaip atskira specifikacija.
Kada dinaminis diapazonas turėtų būti prioritetas?
Dinaminis diapazonas tampa ypač svarbus vaizdavimo situacijose, kai tame pačiame kadre turi būti užfiksuoti ir ryškūs, ir silpni signalai. Tai taikoma tiek moksliniams tyrimams, tiek pramoniniams patikrinimams.
Tai ypač aktualu tais atvejais, kai signalo intensyvumas labai skiriasi visame matymo lauke. Kai vienu metu yra stiprūs ir silpni signalai, nepakankamas dinaminis diapazonas gali lemti iškirptus paryškinimus arba trūkstamą žemo lygio detalę. Matavimais pagrįstuose darbo eigose šis apribojimas taip pat gali sumažinti intensyvumo palyginimų tikslumą.
Dinaminiam diapazonui taip pat reikėtų teikti pirmenybę, kai ryškių sričių sodrumas tiesiogiai paveiktų vaizdavimo užduoties rezultatus. Kai sritis tampa sodri, nebeįmanoma atkurti jokios papildomos signalo informacijos, o tai gali turėti įtakos tiek vizualizacijai, tiek kiekybinei analizei. Panašiai, kai silpni signalai yra labai svarbūs, pakankamas dinaminis diapazonas padeda užtikrinti, kad jie išliktų aptinkami ir atskiriami nuo triukšmo.
Tačiau dinaminis diapazonas ne visada yra pirmoji specifikacija, į kurią reikia atsižvelgti. Mažesnio kontrasto scenose, pavyzdžiui, kontroliuojamo apšvietimo tikrinimo sistemose, praktinė didesnio dinaminio diapazono nauda gali būti mažesnė. Kai kuriuose darbo procesuose kiti veiksniai, pvz., kvantinis efektyvumas, skaitymo triukšmas, kadrų dažnis arba sistemos pralaidumas, gali turėti didesnę įtaką našumui.
Dėl šios priežasties dinaminiam diapazonui reikėtų teikti pirmenybę, kai to tikrai reikalauja programa, o ne laikyti jį svarbiausia specifikacija kiekvienoje situacijoje.
Praktinis kontrolinis sąrašas, skirtas DR įvertinimui kamerų sistemoje
Vertinant dinaminį diapazoną, naudinga neapsiriboti specifikacijos verte ir apsvarstyti, kaip ji taikoma faktiniam vaizdų apdirbimo procesui: Šie klausimai gali būti naudojami kaip greita nuoroda lyginant fotoaparato veikimą:
● Ar scenoje yra ir ryškių, ir silpnų signalų?
Dinaminis diapazonas yra svarbiausias, kai tame pačiame vaizde reikia užfiksuoti stiprius ir silpnus signalus.
● Ar paryškintų šviesių vietų sodrumas šioje programoje kelia realią riziką?
Jei šviesūs regionai gali būti persotinti, didesnis dinaminis diapazonas gali padėti išsaugoti svarbią informaciją.
● Ar silpni signalai yra svarbūs aptikimui ar matavimui?
Kai silpni signalai turi likti matomi virš triukšmo lygio, pakankamas dinaminis diapazonas tampa būtinas.
● Kokiomis sąlygomis nurodomas dinaminis diapazonas?
Patikrinkite, ar nurodyta vertė priklauso nuo stiprinimo nustatymų, kameros režimo ar kitų matavimo sąlygų.
● Ar yra kitų labiau ribojančių veiksnių nei dinaminis diapazonas?
Kai kuriuose darbo eigose kvantinis efektyvumas, skaitymo triukšmas, kadrų dažnis arba bendras jautrumas gali turėti didesnę įtaką našumui. Skaitytojams, norintiems platesnio įvado apie kvantinį efektyvumą ir jo interpretavimą mokslinėse kamerose, žr.Kvantinis efektyvumas mokslinėse kamerose: pradedančiųjų vadovas.
● Ar fotoaparatas užtikrina tinkamą bendrą pusiausvyrą?
Geriausias pasirinkimas ne visada yra didžiausias dinaminis diapazonas, bet kamera, kuri atitinka visus vaizdo gavimo reikalavimus.
Šis kontrolinis sąrašas gali padėti vieną specifikaciją paversti praktiškesniu įvertinimu, užtikrinant, kad dinaminis diapazonas būtų vertinamas tinkamame kontekste.
Išvada
Dinaminis diapazonas yra pagrindinė mokslinio ir pramoninio vaizdavimo specifikacija, nes jis apibrėžia, kaip gerai kamera gali užfiksuoti tiek stiprius, tiek silpnus signalus tame pačiame kadre. Platesnis dinaminis diapazonas padeda išvengti sodrumo šviesiose srityse, išsaugant silpnas detales, pagerinant vaizdo kokybę ir matavimo patikimumą sudėtingose srityse.
Tuo pačiu metu dinaminis diapazonas neturėtų būti vertinamas atskirai. Praktinė didelio dinaminio diapazono vertė priklauso nuo vaizdo gavimo sąlygų, signalo kitimo scenoje ir to, kaip kamera veikia triukšmo, jautrumo ir ekspozicijos lankstumo požiūriu. Daugeliu atvejų geriausia kamera yra ne tik ta, kurios dinaminis diapazonas yra didžiausias, bet ir ta, kuri užtikrina tinkamą darbo eigos pusiausvyrą.
Vartotojams, dirbantiems su programomis, kurioms būdingas platus signalo kintamumas arba prastas apšvietimas, supratimas, kaip dinaminis diapazonas sąveikauja su kitais našumo veiksniais, gali padėti patikimiau pasirinkti kamerą. „Tucsen“ teikia mokslinius kamerų sprendimus ir techninius išteklius, kurie padės įvertinti tinkamiausią sistemą jūsų vaizdo gavimo poreikiams.
Susijęs straipsnisPlatesnį dinaminio diapazono pagrindų ir jo apskaičiavimo įvadą rasite skaitydamiDinaminio diapazono mokslas: kaip jį apskaičiuoti ir kodėl tai svarbu.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
