25.08.19.Runājot par precīzu un uzticamu attēlu iegūšanu zinātniskos pētījumos, datu kvalitāte ir atkarīga ne tikai no izšķirtspējas vai sensora izmēra. Viens no svarīgākajiem, bet dažreiz aizmirstajiem rādītājiem ir signāla un trokšņa attiecība (SNR). Attēlveidošanas sistēmās SNR nosaka, cik skaidri var atšķirt faktisko signālu (noderīgu informāciju) no nevēlama trokšņa.
Zinātniskās attēlveidošanas lietojumprogrammās, piemēram, mikroskopijā, astronomijā un spektroskopijā, slikts signāla un trokšņa līmenis (SNR) var nozīmēt atšķirību starp vāja mērķa noteikšanu un tā pilnīgu nepamanīšanu. Šajā rakstā ir aplūkota SNR definīcija, kāpēc tas ir svarīgs, kā tas ietekmē kontrastu un kā izvēlēties un optimizēt zinātnisko kameru, pamatojoties uz šo kritisko rādītāju.
Kas ir signāla un trokšņa attiecība un kā tā tiek definēta?
Signāla un trokšņa attiecība (SNR) ir vissvarīgākais attēla kvalitātes rādītājs, kas ir būtisks attēla kontrasta noteikšanā un bieži vien visnoderīgākais faktors, lai noteiktu, vai kamera ir pietiekami jutīga jūsu lietojumam.
Mēģinājumi uzlabot kameras jutību galvenokārt ir vērsti uz savāktā signāla uzlabošanu:
● Uzlabojot kvantu efektivitāti vai palielinot pikseļu izmēru
● No kameras atkarīgo trokšņa avotu samazināšana
Trokšņa avoti summējas, taču atkarībā no apstākļiem viens var dominēt, un uz to jākoncentrējas, mēģinot uzlabot signāla un trokšņa attiecību (SNR) — vai nu optimizējot iestatījumus vai uzstādījumus, vai arī uzlabojot gaismas avotus, optiku un kameras.
Attēlus parasti saīsināti apraksta ar vienu signāla un trokšņa attiecību, piemēram, apgalvojot, ka attēla SNR ir '15'. Tomēr, kā jau liecina nosaukums, signāla un trokšņa attiecība ir atkarīga no signāla, kas, protams, katram pikselim būs atšķirīgs. Tas ir tas, kas veido mūsu attēlu.
Attēla signāla un trokšņa attiecība (SNR) parasti attiecas uz attēlā esošā interesējošā signāla maksimālās intensitātes SNR. Piemēram, SNR no attēla, kurā redzamas fluorescējošas šūnas uz tumša fona, tiktu izmantota interesējošās struktūras pikseļu maksimālā signāla intensitāte šūnā.
Piemēram, nav reprezentatīvi ņemt, piemēram, visa attēla SNR vidējo vērtību. Tādās metodēs kā fluorescences mikroskopija, kur bieži var būt tumšs fons ar nulles detektētiem fotoniem, šiem nulles signāla pikseļiem SNR ir nulle. Tāpēc jebkura vidējā vērtība visā attēlā būtu atkarīga no tā, cik fona pikseļu bija redzami.
Kāpēc SNR ir svarīgs zinātniskajām kamerām
Zinātniskajā attēlveidošanā signāla un trokšņa attiecība (SNR) tieši ietekmē to, cik labi var identificēt vājas detaļas, izmērīt kvantitatīvos datus un reproducēt rezultātus.
●Attēla skaidrība– Augstāks signāla un trokšņa līmenis (SNR) samazina graudainību un padara smalkas struktūras redzamas.
●Datu precizitāte– Samazina mērījumu kļūdas intensitātes eksperimentos.
●Veiktspēja vājā apgaismojumā– Būtiski fluorescences mikroskopijai, dziļo debesu astrofotogrāfijai un spektroskopijai, kur fotonu skaits ir dabiski zems.
Neatkarīgi no tā, vai izmantojatsCMOS kameraĀtrdarbīgai attēlveidošanai vai atdzesētam CCD ilgstošas ekspozīcijas lietojumprogrammām SNR izpratne palīdz līdzsvarot veiktspējas kompromisus.
Kā signāla un trokšņa attiecība (SNR) ietekmē attēla kontrastu
Kontrasts ir relatīvā intensitātes atšķirība starp attēla gaišajām un tumšajām zonām. Daudzos gadījumos labs attēla kontrasts interesējošajās zonās ir galvenais mērķis.
Attēla kontrastu galvenokārt nosaka daudzi faktori, kas saistīti ar attēlveidošanas objektu, optisko sistēmu un attēlveidošanas apstākļiem, piemēram, objektīva kvalitāte un fona gaismas daudzums.
●Augsts signāla un trokšņa līmenis (SNR)→ Skaidra atdalīšana starp gaišajiem un tumšajiem apgabaliem; malas izskatās asas; smalkas detaļas paliek redzamas.
●Zems signāla un trokšņa līmenis (SNR)→ Trokšņa dēļ tumšās zonas kļūst gaišākas, gaišās zonas kļūst blāvākas, un kopējais attēla kontrasts kļūst saplacināts.
Piemēram, fluorescences mikroskopijā zems signāla un trokšņa līmenis (SNR) var likt vāji fluorescējošam paraugam saplūst ar fonu, padarot kvantitatīvo analīzi neuzticamu. Astronomijā vājas zvaigznes vai galaktikas trokšņainos datos var pilnībā izzust.
Tomēr pastāv arī faktori pašā kamerā, no kuriem galvenais ir signāla un trokšņa attiecība. Turklāt, un jo īpaši vājā apgaismojumā, attēla intensitātes mērogošana, tas, kā attēls tiek parādīts monitorā, spēlē lielu lomu uztvertajā attēla kontrastā. Ar augstu trokšņu līmeni attēla tumšajās zonās automātiskās attēla mērogošanas algoritmu apakšējā robeža var būt iestatīta pārāk zema ar zemu trokšņainu pikseļu vērtību, savukārt augšējo robežu palielina troksnis pikseļos ar augstu signāla līmeni. Tas ir raksturīgā "izbalējušā" pelēktoņu izskata cēlonis attēliem ar zemu signāla un trokšņa attiecību. Labāku kontrastu var iegūt, iestatot apakšējo robežu uz kameras nobīdi.
Faktori, kas ietekmē signāla un trokšņa attiecību (SNR) zinātniskajās kamerās
Kameru sistēmas signāla un trokšņa attiecību (SNR) ietekmē vairāki konstrukcijas un darbības parametri:
Sensoru tehnoloģija
● sCMOS — apvieno zemu lasīšanas troksni un augstu kadru ātrumu, kas ir ideāli piemērots dinamiskai attēlveidošanai.
● CCD – vēsturiski piedāvā zemu trokšņu līmeni ilgās ekspozīcijās, taču lēnāku darbību nekā mūsdienu CMOS modeļi.
● EMCCD – Izmanto mikroshēmā iebūvētu pastiprināšanu, lai pastiprinātu vājus signālus, bet var radīt multiplikatīvu troksni.
Pikseļu izmērs un aizpildījuma koeficients
Lielāki pikseļi savāc vairāk fotonu, palielinot signālu un līdz ar to arī signāla un trokšņa attiecību (SNR).
Kvantu efektivitāte (QE)
Augstāks QE nozīmē, ka vairāk ienākošo fotonu tiek pārvērsti elektronos, uzlabojot signāla un trokšņa attiecību (SNR).
Iedarbības laiks
Ilgāka ekspozīcija savāc vairāk fotonu, palielinot signālu, bet var arī palielināt tumšās strāvas troksni.
Dzesēšanas sistēmas
Dzesēšana samazina tumšo strāvu, ievērojami uzlabojot signāla un trokšņa attiecību (SNR) ilgām ekspozīcijām.
Optika un apgaismojums
Augstas kvalitātes lēcas un stabils apgaismojums maksimāli palielina signāla uztveršanu un samazina mainīgumu.
Dažādu maksimālo SNR vērtību piemēri
Attēlveidošanā PSNR bieži attiecas uz teorētisko maksimumu attiecībā pret pikseļu piesātinājumu. Neskatoties uz atšķirībām attēlveidošanas objektos, attēlveidošanas apstākļos un kameru tehnoloģijās, parastajām zinātniskajām kamerām attēliem ar vienādu signāla un trokšņa attiecību var būt līdzības. "Graudainības" pakāpe, variācijas no kadra uz kadru un zināmā mērā arī kontrasts šajos dažādajos apstākļos var būt līdzīgi. Tādēļ ir iespējams izprast SNR vērtības un dažādos apstākļus un izaicinājumus, ko tie rada, no reprezentatīviem attēliem, piemēram, tabulā parādītajiem.
PIEZĪME: Katras rindas fotoelektronu maksimālās signāla vērtības ir norādītas zilā krāsā. Visi attēli tiek parādīti ar automātisko histogrammas mērogošanu, ignorējot (piesātinot) 0,35% no spilgtākajiem un tumšākajiem pikseļiem. Kreisās divas attēlu kolonnas: attēlveidošanas testa mērķa attēlveidošana, izmantojot objektīvu. Labās četras kolonnas: askarides, kas uzņemtas fluorescencē ar 10x mikroskopa objektīvu. Lai ilustrētu pikseļu vērtību atšķirības no viena kadra uz otru pie zemāka signāla un trokšņa līmeņa (SNR), ir sniegti trīs secīgi kadri.
Tiek parādīts testa mērķa attēls, kas uzņemts ar lēcu, kā arī fluorescences mikroskopijas attēls, un fluorescences attēla palielināts skats, kurā redzamas izmaiņas 3 secīgos kadros. Tiek norādīts arī maksimālais fotoelektronu skaits katrā signāla līmenī.
Šajā attēlā ir redzamas šo piemēru attēlu pilnas versijas atsaucei.
Signāla un trokšņa attiecības piemēru tabulā izmantotie pilna izmēra attēli
KreisāAttēlveidošanas testa mērķis, kas fotografēts ar objektīvu.
Pa labiAscaris nematodes tārpa griezuma paraugs, kas aplūkots ar fluorescences mikroskopiju 10x palielinājumā.
Signāla un trokšņa attiecība (SNR) lietojumprogrammās
SNR ir misijai kritiski svarīga dažādās jomās:
● Mikroskopija – vājas fluorescences noteikšanai bioloģiskajos paraugos ir nepieciešams augsts signāla un trokšņa līmenis (SNR), lai izvairītos no viltus negatīviem rezultātiem.
● Astronomija — tālu galaktiku vai eksoplanētu identificēšanai nepieciešama ilga ekspozīcija ar minimālu troksni.
● Spektroskopija – Augsts signāla un trokšņa līmenis (SNR) nodrošina precīzus maksimālās intensitātes mērījumus ķīmiskajā analīzē.
● Rūpnieciskā pārbaude — vāja apgaismojuma montāžas līnijās augsts signāla un trokšņa līmenis palīdz droši noteikt defektus.
Zinātniskās kameras izvēle ar pareizo signāla un trokšņa attiecību (SNR)
Novērtējot jaunu zinātnisko kameru:
●Pārbaudiet SNR specifikācijas– Salīdziniet dB vērtības apstākļos, kas ir līdzīgi jūsu lietojumam.
●Līdzsvarot citus rādītājus– Apsveriet kvantu efektivitāti, dinamisko diapazonu un kadru ātrumu.
●Pielāgojiet tehnoloģiju lietošanas gadījumam– Ātrdarbīgām dinamiskām ainām ideāla varētu būt sCMOS kamera; īpaši vāja apgaismojuma statiskiem objektiem labāk varētu darboties dzesējama CCD vai EMCCD kamera.
●Savienojamība darbplūsmas efektivitātei– Lai gan tādas funkcijas kā HDMI izeja tieši neietekmē signāla un trokšņa attiecību (SNR), tās var nodrošināt attēlu pārskatīšanu reāllaikā, palīdzot ātri pārliecināties, ka jūsu iegūšanas iestatījumi sasniedz vēlamo signāla un trokšņa attiecību (SNR).
Secinājums
Signāla un trokšņa attiecība (SNR) ir galvenais veiktspējas rādītājs, kas tieši ietekmē zinātnisko attēlu skaidrību un ticamību. Izpratne par to, kā SNR tiek definēts, kādi faktori to ietekmē, un dažādu SNR vērtību ietekme ļauj pētniekiem un tehniskajiem lietotājiem efektīvāk novērtēt attēlveidošanas sistēmas. Pielietojot šīs zināšanas — vai nu jaunas sistēmas izvēlē,zinātniskā kameravai optimizējot esošo iestatījumu — jūs varat nodrošināt, ka jūsu attēlveidošanas darbplūsma uztver datus ar jūsu konkrētajam lietojumam nepieciešamo precizitātes līmeni.
Bieži uzdotie jautājumi
Kāds SNR tiek uzskatīts par "labu" zinātniskajām kamerām?
Ideālais signāla un trokšņa līmenis (SNR) ir atkarīgs no pielietojuma. Ļoti prasīgiem, kvantitatīviem darbiem, piemēram, fluorescences mikroskopijai vai astronomijai, parasti ieteicams signāla un trokšņa līmenis virs 40 dB, jo tas rada attēlus ar minimālu redzamu troksni un saglabā smalkas detaļas. Vispārējai laboratorijas lietošanai vai rūpnieciskai pārbaudei var pietikt ar 35–40 dB. Jebkurš līmenis zem 30 dB parasti parādīs redzamu graudainību un var apdraudēt precizitāti, īpaši zema kontrasta apstākļos.
Kā kvantu efektivitāte (QE) ietekmē signāla un trokšņa attiecību (SNR)?
Kvantu efektivitāte mēra, cik efektīvi sensors pārveido ienākošos fotonus elektronos. Augstāks kvantu koeficients (QE) nozīmē, ka vairāk pieejamās gaismas tiek uztverta kā signāls, palielinot skaitītāju signāla un trokšņa attiecība (SNR) vienādojumā. Tas ir īpaši svarīgi vāja apgaismojuma apstākļos, kur katrs fotons ir svarīgs. Piemēram, sCMOS kamera ar 80% QE sasniegs augstāku SNR identiskos apstākļos salīdzinājumā ar sensoru ar 50% QE, vienkārši tāpēc, ka tā uztver vairāk izmantojama signāla.
Kāda ir atšķirība starp signāla un trokšņa attiecību (SNR) un kontrasta un trokšņa attiecību (CNR)?
Kamēr signāla un trokšņa attiecība (SNR) mēra kopējo signāla stiprumu attiecībā pret troksni, CNR koncentrējas uz konkrētas iezīmes redzamību uz tās fona. Zinātniskajā attēlveidošanā abi ir svarīgi: SNR norāda, cik “tīrs” attēls ir kopumā, savukārt CNR nosaka, vai konkrēts interesējošs objekts izceļas pietiekami, lai to noteiktu vai izmērītu.
Vai vēlaties uzzināt vairāk? Apskatiet saistītos rakstus:
Kvantu efektivitāte zinātniskajās kamerās: iesācēja ceļvedis
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
