25/08/19Кога станува збор за снимање прецизни и сигурни слики во научните истражувања, квалитетот на вашите податоци зависи од повеќе од само резолуцијата или големината на сензорот. Една од најважните - но понекогаш занемарени - метрики е односот сигнал-шум (SNR). Во системите за снимање, SNR одредува колку јасно можете да го разликувате вистинскиот сигнал (корисни информации) од несаканата бучава.
Во научните апликации за снимање како што се микроскопијата, астрономијата и спектроскопијата, слабиот SNR може да биде разлика помеѓу откривање на слаба цел и целосно пропуштање на истата. Оваа статија истражува како се дефинира SNR, зошто е важен, како влијае на контрастот и како да се избере и оптимизира научна камера врз основа на оваа критична метрика.
Што е однос сигнал-шум и како се дефинира?
Односот сигнал-шум (SNR) е најважната мерка за квалитетот на сликата, фундаментален за контрастот на сликата и честопати најкорисен одлучувачки фактор за тоа дали камерата е доволно чувствителна за вашата апликација.
Обидите за подобрување на чувствителноста на камерата се вртат околу подобрување на собраниот сигнал:
● Преку подобрувања во квантната ефикасност или зголемување на големината на пикселите
● Намалување на изворите на шум зависни од камерата
Изворите на шум се собираат заедно, но во зависност од околностите, еден може да доминира и треба да се фокусираме на него кога се обидуваме да го подобриме SNR - или преку оптимизирање на поставките или поставувањето, или преку надградба на подобри извори на светлина, оптика и камери.
Вообичаена кратенка е да се опишат сликите во однос на еден сооднос сигнал-шум, на пример, тврдењето дека сликата има SNR од „15“. Сепак, како што е очигледно од името, соодносот сигнал-шум зависи од сигналот, кој секако ќе биде различен за секој пиксел. Ова е она што ни ја дава нашата слика.
SNR на сликата обично се однесува на SNR на врвниот сигнал од интерес во рамките на сликата. На пример, SNR од слика од флуоресцентни ќелии на темна позадина би го користел врвниот интензитет на сигналот од пикселите на структурата од интерес во рамките на ќелијата.
Не е репрезентативно да се земе, на пример, средна вредност за SNR на целата слика. Во техники како што е флуоресцентната микроскопија каде што темната позадина со нула детектирани фотони може да биде честа појава, овие пиксели со нулти сигнал имаат SNR од нула. Затоа, секој просек на сликата би зависел од тоа колку пиксели во позадина биле видливи.
Зошто SNR е важен за научните камери
Во научното снимање, SNR директно влијае на тоа колку добро можете да идентификувате бледи детали, да мерите квантитативни податоци и да репродуцирате резултати.
●Јасност на сликата– Повисокиот SNR ја намалува зрнестата структура и ги прави фините структури видливи.
●Точност на податоците– Ги намалува грешките во мерењето во експериментите базирани на интензитет.
●Перформанси при слаба осветленост– Од суштинско значење за флуоресцентна микроскопија, астрофотографија на длабоко небо и спектроскопија, каде што бројот на фотони е природно низок.
Без разлика дали користитеsCMOS камераЗа снимање со голема брзина или ладен CCD за апликации со долга експозиција, разбирањето на SNR ви помага да ги балансирате компромисите помеѓу перформансите.
Како SNR влијае на контрастот на сликата
Контрастот е релативната разлика во интензитетот помеѓу светлите и темните области на сликата. За многу апликации, добриот контраст на сликата во рамките на областите од интерес е крајната цел.
Постојат многу фактори во рамките на субјектот на снимање, оптичкиот систем и условите на снимање кои се примарни фактори за одредување на контрастот на сликата, како што се квалитетот на објективот и количината на позадинско осветлување.
●Висок SNR→ Јасна поделба помеѓу светлите и темните региони; рабовите изгледаат остри; суптилните детали остануваат видливи.
●Низок SNR→ Темните области стануваат посветли поради шум, светлите области стануваат потемни, а целокупниот контраст на сликата се израмнува.
На пример, во флуоресцентната микроскопија, нискиот SNR може да предизвика слабо флуоресцентен примерок да се измеша со позадината, што ја прави квантитативната анализа несигурна. Во астрономијата, бледите ѕвезди или галаксии можат целосно да исчезнат во бучните податоци.
Сепак, постојат и фактори во самата камера - примарен фактор е односот сигнал-шум. Понатаму, а особено при слаба осветленост, скалирањето на интензитетот на сликата, односно начинот на кој сликата се прикажува на мониторот, игра голема улога во перцепираниот контраст на сликата. Со висок шум во темните области на сликата, алгоритмите за автоматско скалирање на сликата можат да ја постават долната граница премногу ниско поради пикселите со бучава со ниска вредност, додека високата граница е зголемена поради шум кај пикселите со висок сигнал. Ова е причината за карактеристичниот „избледен“ сив изглед на сликите со низок SNR. Подобар контраст може да се добие со поставување на долната граница на поместувањето на камерата.
Фактори што влијаат на SNR кај научните камери
Неколку параметри на дизајнот и работењето влијаат на SNR на системот на камери:
Сензорска технологија
● sCMOS – Комбинира низок шум за читање и високи стапки на слики, идеално за динамичко снимање.
● CCD – Историски гледано, нуди низок шум при долги експозиции, но побавно од модерните CMOS дизајни.
● EMCCD – Користи вградено засилување за засилување на слабите сигнали, но може да воведе мултипликативен шум.
Големина на пиксел и фактор на полнење
Поголемите пиксели собираат повеќе фотони, зголемувајќи го сигналот, а со тоа и SNR.
Квантна ефикасност (QE)
Повисокиот QE значи дека повеќе дојдовни фотони се претвораат во електрони, подобрувајќи го SNR.
Време на изложеност
Подолгите експозиции собираат повеќе фотони, зголемувајќи го сигналот, но исто така можат да го зголемат шумот од темната струја.
Системи за ладење
Ладењето ја намалува темната струја, значително подобрувајќи го SNR за долги експозиции.
Оптика и осветлување
Висококвалитетните леќи и стабилното осветлување го максимизираат снимањето на сигналот и ја минимизираат варијабилноста.
Примери за различни вредности на врвен SNR
При снимањето, PSNR често се однесува на теоретски максимум во однос на сатурацијата на пикселите. И покрај разликите во субјектите што се снимаат, условите за снимање и технологијата на камерата, за конвенционалните научни камери, сликите со ист сооднос сигнал-шум можат да имаат сличности. Степенот на „зрнестост“, варијацијата од кадар до кадар и до одреден степен контрастот, сите можат да бидат слични во овие различни услови. Затоа, можно е да се стекне разбирање за вредностите на SNR и различните услови и предизвици што тие ги подразбираат од репрезентативни слики, како што се оние прикажани во табелата.
ЗАБЕЛЕШКА: Вредностите на врвниот сигнал кај фотоелектроните за секој ред се дадени во сина боја. Сите слики се прикажани со автоматско скалирање на хистограмот, игнорирајќи (заситувајќи) 0,35% од најсветлите и најтемните пиксели. Леви две колони на сликата: Сликање базирано на леќа на тест цел за снимање. Десни четири колони: Аскариди снимени со флуоресценција со 10x микроскопски објектив. За да се илустрираат варијациите од кадар до кадар во вредностите на пикселите при понизок SNR, обезбедени се три последователни кадри.
Прикажани се слика од тест цел базирана на објектив, заедно со слика од флуоресцентна микроскопија, заедно со зумиран поглед на флуоресцентната слика што ја прикажува варијацијата во 3 последователни кадри. Даден е и врвниот број на фотоелектрони на секое ниво на сигнал.
Следната слика ги прикажува целосните верзии на овие примерни слики за референца.
Слики во полна големина користени за табела со примери за односот сигнал-шум
Лево: Тест-цел за снимање фотографирана со објектив.
Десно: Примерок од пресек од црви со нематоди Ascaris гледан со флуоресцентна микроскопија со зголемување од 10x.
SNR во апликации
SNR е критичен за мисијата во различни области:
● Микроскопија – Детектирањето на слаба флуоресценција во биолошки примероци бара висок SNR за да се избегнат лажно негативни резултати.
● Астрономија – Идентификувањето на далечни галаксии или егзопланети бара долги експозиции со минимален шум.
● Спектроскопија – Високиот SNR обезбедува точни мерења на интензитетот на врвовите во хемиската анализа.
● Индустриска инспекција – Кај линиите за склопување при слаба осветленост, високиот SNR помага сигурно да се откријат дефектите.
Избор на научна камера со вистински SNR
При оценување на нова научна камера:
●Проверете ги спецификациите на SNR– Споредете ги вредностите на dB под услови слични на вашата апликација.
●Балансирање на други метрики– Размислете за квантната ефикасност, динамичкиот опсег и фреквенцијата на слики.
●Усогласување на технологијата со случајот на употреба– За динамички сцени со голема брзина, sCMOS камера може да биде идеална; за статични објекти со ултра слаба светлина, ладен CCD или EMCCD може да има подобри перформанси.
●Поврзување за ефикасност на работниот процес– Иако не влијаат директно на SNR, функциите како што е HDMI излезот можат да овозможат преглед на слики во реално време, помагајќи ви брзо да потврдите дека вашите поставки за снимање го постигнуваат посакуваниот SNR.
Заклучок
Односот сигнал-шум (SNR) е клучна метрика за перформанси што директно влијае на јасноста и сигурноста на научните слики. Разбирањето како се дефинира SNR, факторите што влијаат на него и импликациите од различните вредности на SNR им овозможува на истражувачите и техничките корисници поефикасно да ги оценуваат системите за снимање. Со примена на ова знаење - без разлика дали при избор на новнаучна камераили оптимизирање на постоечка поставеност - можете да се осигурате дека вашиот работен процес на снимање ги снима податоците со нивото на прецизност потребно за вашата специфична апликација.
Најчесто поставувани прашања
Што се смета за „добар“ SNR за научни камери?
Идеалниот SNR зависи од апликацијата. За високо барана, квантитативна работа - како што се флуоресцентна микроскопија или астрономија - генерално се препорачува SNR над 40 dB, бидејќи создава слики со минимален видлив шум и ги зачувува фините детали. За општа лабораториска употреба или индустриска инспекција, 35–40 dB може да биде доволно. Сè што е под 30 dB обично ќе покаже видливо зрно и може да ја наруши точноста, особено во ситуации со низок контраст.
Како квантната ефикасност (QE) влијае на SNR?
Квантната ефикасност мери колку ефикасно сензорот ги претвора дојдовните фотони во електрони. Повисок QE значи дека повеќе од достапната светлина се зафаќа како сигнал, зголемувајќи го броителот во равенката на SNR. Ова е особено важно во сценарија со слаба осветленост, каде што секој фотон се брои. На пример, sCMOS камера со QE од 80% ќе постигне повисок SNR под идентични услови во споредба со сензор со 50% QE, едноставно затоа што зафаќа повеќе употреблив сигнал.
Која е разликата помеѓу SNR и односот контраст-шум (CNR)?
Додека SNR ја мери вкупната јачина на сигналот во однос на шумот, CNR се фокусира на видливоста на одредена карактеристика во однос на нејзината позадина. Во научното снимање, обете се важни: SNR ви кажува колку е „чиста“ сликата во целина, додека CNR одредува дали одреден објект од интерес се издвојува доволно за откривање или мерење.
Сакате да дознаете повеќе? Погледнете ги поврзаните статии:
Квантна ефикасност кај научните камери: Водич за почетници
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
