2019-08-25Kalbant apie tikslių ir patikimų vaizdų fiksavimą moksliniuose tyrimuose, jūsų duomenų kokybė priklauso ne tik nuo skiriamosios gebos ar jutiklio dydžio. Vienas iš svarbiausių, bet kartais nepastebimų, rodiklių yra signalo ir triukšmo santykis (SNR). Vaizdavimo sistemose SNR lemia, kaip aiškiai galite atskirti tikrąjį signalą (naudingą informaciją) nuo nepageidaujamo triukšmo.
Mokslinio vaizdavimo srityje, pavyzdžiui, mikroskopijoje, astronomijoje ir spektroskopijoje, prastas signalo ir triukšmo santykis (SNR) gali lemti, ar bus aptiktas silpnas taikinys, ar jo visiškai nepastebėta. Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip apibrėžiamas SNR, kodėl jis svarbus, kaip jis veikia kontrastą ir kaip pasirinkti bei optimizuoti mokslinę kamerą remiantis šiuo svarbiu rodikliu.
Kas yra signalo ir triukšmo santykis ir kaip jis apibrėžiamas?
Signalo ir triukšmo santykis (SNR) yra svarbiausias mūsų vaizdo kokybės matas, esminis vaizdo kontrasto veiksnys ir dažnai naudingiausias veiksnys, lemiantis, ar kamera yra pakankamai jautri jūsų pritaikymui.
Bandymai pagerinti kameros jautrumą sukasi apie surinkto signalo gerinimą:
● Pagerinus kvantinį efektyvumą arba padidinus pikselių dydį
● Sumažinti su kamera susijusius triukšmo šaltinius
Triukšmo šaltiniai sumuojasi, tačiau priklausomai nuo aplinkybių, vienas iš jų gali dominuoti ir į jį reikėtų sutelkti dėmesį bandant pagerinti signalo ir triukšmo santykį (SNR) – optimizuojant nustatymus ar sąranką arba atnaujinant šviesos šaltinius, optiką ir kameras.
Vaizdus dažnai trumpai apibūdinama vienu signalo ir triukšmo santykiu, pavyzdžiui, teigiant, kad vaizdo SNR yra „15“. Tačiau, kaip matyti iš pavadinimo, signalo ir triukšmo santykis priklauso nuo signalo, kuris, žinoma, kiekvienam pikseliui bus skirtingas. Tai ir sukuria vaizdą.
Vaizdo SNR paprastai reiškia dominančio signalo piko SNR vaizde. Pavyzdžiui, fluorescencinių ląstelių vaizdo tamsiame fone SNR būtų naudojamas dominančios struktūros ląstelės viduje pikselių didžiausias signalo intensyvumas.
Pavyzdžiui, nėra reprezentatyvu imti viso vaizdo SNR vidurkio vertę. Taikant tokius metodus kaip fluorescencinė mikroskopija, kur dažnai pasitaiko tamsus fonas su nuliu aptiktų fotonų, šių nulinio signalo pikselių SNR yra lygus nuliui. Todėl bet koks vidurkis visame vaizde priklausytų nuo to, kiek fono pikselių buvo matoma.
Kodėl SNR svarbus mokslinėms kameroms
Moksliniame vaizdavime SNR tiesiogiai veikia tai, kaip gerai galite atpažinti silpnas detales, išmatuoti kiekybinius duomenis ir atkurti rezultatus.
●Vaizdo aiškumas– Didesnis signalo ir triukšmo santykis (SNR) sumažina grūdėtumą ir padaro matomas smulkias struktūras.
●Duomenų tikslumas– Sumažina matavimo paklaidas intensyvumu pagrįstuose eksperimentuose.
●Veikimas esant prastam apšvietimui– Būtinas fluorescencinei mikroskopijai, giliojo dangaus astrofotografijai ir spektroskopijai, kur fotonų skaičius natūraliai mažas.
Nesvarbu, ar naudojatesCMOS kameraDidelės spartos vaizdavimo atveju arba aušinamo CCD ilgo išlaikymo taikymams, SNR supratimas padeda subalansuoti našumo kompromisus.
Kaip SNR veikia vaizdo kontrastą
Kontrastas yra santykinis intensyvumo skirtumas tarp šviesių ir tamsių vaizdo sričių. Daugeliu atvejų geras vaizdo kontrastas dominančiose srityse yra galutinis tikslas.
Yra daug veiksnių, susijusių su fotografuojamu objektu, optine sistema ir vaizdo gavimo sąlygomis, kurie yra pagrindiniai vaizdo kontrasto veiksniai, pavyzdžiui, objektyvo kokybė ir fono šviesos kiekis.
●Didelis signalo ir triukšmo santykis (SNR)→ Ryškus ryškių ir tamsių sričių atskyrimas; kraštai atrodo aiškūs; subtilios detalės lieka matomos.
●Žemas signalo ir triukšmo santykis (SNR)→ Dėl triukšmo tamsios sritys tampa ryškesnės, šviesios – pritemusios, o bendras vaizdo kontrastas suplokštėja.
Pavyzdžiui, fluorescencinėje mikroskopijoje mažas signalo ir triukšmo santykis (SNR) gali priversti silpnai fluorescencinį mėginį susilieti su fonu, todėl kiekybinė analizė gali būti nepatikima. Astronomijoje silpnos žvaigždės ar galaktikos triukšminguose duomenyse gali visiškai išnykti.
Tačiau yra ir pačių fotoaparatų veiksnių, iš kurių pagrindinis yra signalo ir triukšmo santykis. Be to, ypač esant silpnam apšvietimui, vaizdo intensyvumo mastelio keitimas, tai, kaip vaizdas rodomas monitoriuje, vaidina didelį vaidmenį suvokiamam vaizdo kontrastui. Esant dideliam triukšmui tamsiose vaizdo srityse, automatinio vaizdo mastelio keitimo algoritmų apatinė riba gali būti nustatyta per žema dėl mažos vertės triukšmingų pikselių, o viršutinė riba padidėja dėl triukšmo didelio signalo pikseliuose. Dėl to mažo signalo ir triukšmo lygio vaizdai atrodo „išplauti“ pilka spalva. Geresnį kontrastą galima gauti nustatant apatinę ribą pagal fotoaparato poslinkį.
Mokslinių kamerų signalo ir triukšmo santykį (SNR) įtakojantys veiksniai
Kamerų sistemos SNR įtakoja keli projektavimo ir eksploatavimo parametrai:
Jutiklių technologija
● sCMOS – Mažas skaitymo triukšmas ir didelis kadrų dažnis idealiai tinka dinaminiam vaizdavimui.
● CCD – istoriškai pasižymi mažu triukšmo lygiu esant ilgoms ekspozicijoms, tačiau lėtesniu veikimu nei šiuolaikiniai CMOS modeliai.
● EMCCD – Naudoja integruotą stiprinimą silpniems signalams sustiprinti, tačiau gali sukelti dauginamąjį triukšmą.
Pikselių dydis ir užpildymo koeficientas
Didesni pikseliai surenka daugiau fotonų, padidindami signalą ir atitinkamai signalo bei triukšmo santykį (SNR).
Kvantinis efektyvumas (QE)
Didesnis QE reiškia, kad daugiau įeinančių fotonų paverčiama elektronais, todėl pagerėja signalo ir triukšmo santykis.
Kontakto trukmė
Ilgesnės ekspozicijos surenka daugiau fotonų, padidindamos signalą, bet taip pat gali padidinti tamsiosios srovės triukšmą.
Aušinimo sistemos
Aušinimas sumažina tamsiąją srovę, žymiai pagerindamas signalo ir triukšmo santykį ilgo išlaikymo metu.
Optika ir apšvietimas
Aukštos kokybės lęšiai ir stabilus apšvietimas maksimaliai padidina signalo aptikimą ir sumažina kintamumą.
Skirtingų didžiausių SNR verčių pavyzdžiai
Vaizduojant PSNR dažnai reiškia teorinį maksimumą, susijusį su pikselių sodrumu. Nepaisant fotografuojamų objektų, fotografavimo sąlygų ir kamerų technologijų skirtumų, įprastinių mokslinių kamerų vaizdai su tuo pačiu signalo ir triukšmo santykiu gali būti panašūs. „Grūdėtumo“ laipsnis, skirtumai tarp kadrų ir tam tikru mastu kontrastas gali būti panašūs esant skirtingoms sąlygoms. Todėl iš reprezentatyvių vaizdų, tokių kaip pateikti lentelėje, galima suprasti SNR vertes ir skirtingas sąlygas bei iššūkius, kuriuos jos kelia.
PASTABA: Kiekvienos eilutės fotoelektronų didžiausios signalo vertės pateiktos mėlyna spalva. Visi vaizdai rodomi su automatiniu histogramos mastelio keitimu, ignoruojant (prisotinant) 0,35 % ryškiausių ir tamsiausių pikselių. Kairėje du vaizdo stulpeliai: vaizdavimo bandymo objekto vaizdavimas objektyvu. Dešinėje keturi stulpeliai: askaridės, užfiksuotos fluorescenciniu būdu su 10 kartų didinančiu mikroskopo objektyvu. Norint iliustruoti pikselių verčių skirtumus tarp kadrų esant mažesniam SNR, pateikti trys iš eilės einantys kadrai.
Rodomas tiriamojo taikinio vaizdas, gautas pro objektyvą, ir fluorescencinės mikroskopijos vaizdas, taip pat priartintas fluorescencinio vaizdo rodinys, rodantis kitimą per 3 iš eilės einančius kadrus. Taip pat pateikiamas didžiausias fotoelektronų skaičius kiekviename signalo lygyje.
Šiame paveikslėlyje pateikiamos pilnos šių pavyzdžių versijos.
Signalo ir triukšmo santykio pavyzdžių lentelėje naudojami viso dydžio vaizdai
KairėVaizdavimo bandymo taikinys, nufotografuotas objektyvu.
DešinėAscaris nematodo kirmino pjūvio mėginys, matomas fluorescencine mikroskopija 10 kartų padidinus.
SNR programose
SNR yra labai svarbus įvairiose srityse:
● Mikroskopija – norint aptikti silpną fluorescenciją biologiniuose mėginiuose, reikia didelio signalo ir triukšmo santykio (SNR), kad būtų išvengta klaidingai neigiamų rezultatų.
● Astronomija – Tolimų galaktikų ar egzoplanetų identifikavimas reikalauja ilgo išlaikymo su minimaliu triukšmu.
● Spektroskopija – didelis signalo ir triukšmo santykis (SNR) užtikrina tikslius cheminės analizės piko intensyvumo matavimus.
● Pramoninė apžiūra – Prasto apšvietimo sąlygomis surinkimo linijose didelis signalo ir triukšmo santykis padeda patikimai aptikti defektus.
Mokslinės kameros su tinkamu SNR pasirinkimas
Vertinant naują mokslinį fotoaparatą:
●Patikrinkite SNR specifikacijas– Palyginkite dB vertes panašiomis sąlygomis, kaip ir jūsų atveju.
●Subalansuoti kitus rodiklius– Atsižvelkite į kvantinį efektyvumą, dinaminį diapazoną ir kadrų dažnį.
●Pritaikykite technologiją prie naudojimo atvejo– Didelės spartos dinaminėms scenoms idealiai gali tikti sCMOS kamera; itin prasto apšvietimo statiniams objektams geriau gali veikti aušinamas CCD arba EMCCD.
●Ryšys darbo eigos efektyvumui užtikrinti– Nors tokios funkcijos kaip HDMI išvestis tiesiogiai neturi įtakos SNR, jos gali įgalinti vaizdų peržiūrą realiuoju laiku ir padėti greitai patikrinti, ar jūsų nustatymuose pasiekiamas norimas SNR.
Išvada
Signalo ir triukšmo santykis (SNR) yra pagrindinis našumo rodiklis, tiesiogiai veikiantis mokslinių vaizdų aiškumą ir patikimumą. Supratimas, kaip apibrėžiamas SNR, kokie veiksniai jį veikia ir kokios yra skirtingų SNR vertės, leidžia tyrėjams ir techniniams vartotojams efektyviau įvertinti vaizdo gavimo sistemas. Taikydami šias žinias – nesvarbu, ar renkantis naują...mokslinė kameraArba optimizuodami esamą sąranką, galite užtikrinti, kad jūsų vaizdavimo darbo eiga fiksuos duomenis tokiu tikslumu, kokio reikalauja jūsų konkreti programa.
DUK
Koks SNR laikomas „geru“ mokslinėms kameroms?
Idealus SNR priklauso nuo taikymo. Atliekant itin sudėtingus, kiekybinius darbus, tokius kaip fluorescencinė mikroskopija ar astronomija, paprastai rekomenduojamas didesnis nei 40 dB SNR, nes taip gaunami vaizdai su minimaliu matomu triukšmu ir išsaugomos smulkios detalės. Bendram laboratoriniam naudojimui arba pramoninėms patikroms gali pakakti 35–40 dB. Bet koks mažesnis nei 30 dB rodiklis paprastai parodys matomą grūdėtumą ir gali sumažinti tikslumą, ypač esant mažam kontrastui.
Kaip kvantinis efektyvumas (QE) veikia signalo ir triukšmo santykį (SNR)?
Kvantinis efektyvumas matuoja, kaip efektyviai jutiklis paverčia įeinančius fotonus elektronais. Didesnis kvantinis efektyvumas reiškia, kad daugiau prieinamos šviesos užfiksuojama kaip signalas, o tai padidina skaitiklį SNR lygtyje. Tai ypač svarbu esant prastam apšvietimui, kai kiekvienas fotonas yra svarbus. Pavyzdžiui, sCMOS kamera, kurios QE yra 80 %, pasieks didesnį SNR esant tokioms pačioms sąlygoms, palyginti su jutikliu, kurio QE yra 50 %, tiesiog todėl, kad jis užfiksuoja daugiau naudingo signalo.
Kuo skiriasi SNR ir kontrasto ir triukšmo santykis (CNR)?
Nors SNR matuoja bendrą signalo stiprumą, palyginti su triukšmu, CNR sutelkia dėmesį į konkretaus elemento matomumą fone. Moksliniame vaizdavime svarbūs abu šie rodikliai: SNR nurodo, koks „švarus“ yra bendras vaizdas, o CNR nustato, ar konkretus dominantis objektas pakankamai išsiskiria, kad būtų galima jį aptikti ar išmatuoti.
Norite sužinoti daugiau? Peržiūrėkite susijusius straipsnius:
Kvantinis efektyvumas mokslinėse kamerose: pradedančiųjų vadovas
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
