25/09/04Во дигиталното снимање, лесно е да се претпостави дека повисоката резолуција автоматски значи подобри слики. Производителите на фотоапарати честопати продаваат системи базирани на бројот на мегапиксели, додека производителите на објективи ја истакнуваат моќта на резолуција и острината. Сепак, во пракса, квалитетот на сликата зависи не само од спецификациите на објективот или сензорот поединечно, туку и од тоа колку добро се усогласени.
Тука влегува во игра Никвистовото семплирање. Првично принцип од обработката на сигнали, критериумот на Никвист ја поставува теоретската рамка за прецизно снимање на деталите. При снимањето, тој гарантира дека оптичката резолуција што ја дава објективот и дигиталната резолуција на сензорот на камерата работат хармонично заедно.
Оваа статија го разоткрива Никвистовото семплирање во контекст на снимањето, го објаснува балансот помеѓу оптичката резолуција и резолуцијата на камерата и дава практични упатства за апликации кои се движат од фотографија до научно снимање.
Што е Nyquist семплирање?
Слика 1: Теоремата за Никвист за земање примероци
Врв:Синусоидален сигнал (цијан) се мери, или семплира, на повеќе точки. Сивата долга испрекината линија претставува 1 мерење по циклус на синусоидалниот сигнал, опфаќајќи само врвовите на сигналот, целосно криејќи ја вистинската природа на сигналот. Црвената ситно испрекината крива опфаќа 1,1 мерења по примерок, откривајќи синусоид, но погрешно претставувајќи ја неговата фреквенција. Ова е аналогно на Моареов модел.
Долу:Само кога се земаат 2 примероци по циклус (виолетова испрекината линија), почнува да се забележува вистинската природа на сигналот.
Теоремата за Никвистово земање примероци е принцип вообичаен во обработката на сигнали во електрониката, аудио обработката, снимањето и други области. Теоремата јасно става до знаење дека за да се реконструира дадена фреквенција во сигнал, мерењата мора да се направат најмалку двојно поголема од таа фреквенција, прикажана на Слика 1. Во случајот со нашата оптичка резолуција, ова значи дека големината на пикселите во просторот на објектот мора да биде најмногу половина од најмалиот детаљ што се обидуваме да го снимиме, или, во случај на микроскоп, половина од резолуцијата на микроскопот.
Слика 2: Најквистово семплирање со квадратни пиксели: ориентацијата е важна
Користејќи камера со мрежа од квадратни пиксели, факторот на семплирање 2x на теоремата на Никвист прецизно ќе ги долови само деталите што се совршено порамнети со мрежата на пиксели. Ако се обидувате да ги решите структурите под агол на мрежата на пиксели, ефективната големина на пикселот е поголема, до √2 пати поголема на дијагоналата. Затоа, стапката на семплирање мора да биде 2√2 пати поголема од посакуваната просторна фреквенција за да се долови детали на 45° во однос на мрежата на пиксели.
Причината за ова е очигледна со разгледување на Слика 2 (горната половина). Замислете дека големината на пикселот е поставена на оптичка резолуција, давајќи им на врвовите на два соседни точкести извори или на кој било детаљ што се обидуваме да го решиме, секој свој пиксел. Иако тие потоа се детектираат одделно, нема индикација во добиените мерења дека тие се два одделни врва - и повторно нашата дефиниција за „решавање“ не е исполнета. Потребен е пиксел помеѓу, кој ќе го долови дното на сигналот. Ова се постигнува со барем удвојување на просторната стапка на семплирање, т.е. преполовување на големината на пикселот во просторот на објектот.
Оптичка резолуција наспроти резолуција на камерата
За да разбереме како функционира Никвистовото семплирање при снимање, треба да направиме разлика помеѓу два вида резолуција:
● Оптичка резолуција: Определена од објективот, оптичката резолуција се однесува на неговата способност да репродуцира фини детали. Фактори како што се квалитетот на објективот, отворот на блендата и дифракцијата ја поставуваат оваа граница. Функцијата за пренос на модулација (MTF) често се користи за мерење на тоа колку добро објективот пренесува контраст на различни просторни фреквенции.
● Резолуција на камерата: Резолуцијата на камерата, одредена од сензорот, зависи од големината на пикселите, висината на пикселите и вкупните димензии на сензорот. Растојанието на пикселите наCMOS камерадиректно ја дефинира својата Никвистова фреквенција, која ги одредува максималните детали што сензорот може да ги сними.
Кога овие две не се усогласени, се јавуваат проблеми. Објектив што ја надминува резолуционата моќ на сензорот е ефикасно „пропаднат“, бидејќи сензорот не може да ги долови сите детали. Обратно, сензор со висока резолуција поврзан со објектив со низок квалитет резултира со слики што не се подобруваат и покрај повеќе мегапиксели.
Како да се балансира оптичката резолуција и резолуцијата на камерата
Балансирањето на оптиката и сензорите значи усогласување на Никвистовата фреквенција на сензорот со оптичката отсечна фреквенција на објективот.
● Најквистовата фреквенција на сензорот на камерата се пресметува како 1 / (2 × пикселен чекор). Ова ја дефинира највисоката просторна фреквенција што сензорот може да ја семплира без алијасирање.
● Оптичката гранична фреквенција зависи од карактеристиките на леќата и дифракцијата.
За најдобри резултати, Никвистовата фреквенција на сензорот треба да се усогласи со или малку да ја надмине резолуциската способност на објективот. Во пракса, добро правило е да се осигурате дека растојанието на пикселите е околу половина од најмалата големина на резолуциската карактеристика на објективот.
На пример, ако леќата може да разложи детали до 4 микрометри, тогаш сензорот со големина на пиксели од ~2 микрометри ќе го балансира системот добро.
Усогласување на Nyquist со резолуцијата на камерата и предизвикот на квадратните пиксели
Компромисот со намалувањето на големината на пикселите во просторот на објектот е намалената способност за собирање светлина. Затоа е важно да се балансира потребата за резолуција и собирањето светлина. Дополнително, поголемите големини на пикселите во просторот на објектот имаат тенденција да обезбедат поголемо видно поле на субјектот што се снима. За апликации кои имаат потреба од фина резолуција, се вели дека оптималната рамнотежа „на палецот“ се постигнува на следниов начин: Големината на пикселите во просторот на објектот, кога се множи со некој фактор за да се земе предвид Никвист, треба да биде еднаква на оптичката резолуција. Оваа количина се нарекува резолуција на камерата.
Балансирањето на оптиката и сензорите честопати се сведува на осигурување дека ефективната резолуција на семплирање на камерата се совпаѓа со ограничувањето на оптичката резолуција на објективот. Се вели дека системот „се совпаѓа со Најквист“ кога:
Резолуција на камерата = Оптичка резолуција
Каде што резолуцијата на камерата е дадена со:
Факторот што често се препорачува за Nyquist е 2,3, а не 2. Причината за ова е следнава.
Пикселите на камерата се (обично) квадратни и распоредени на 2D мрежа. Големината на пикселот, како што е дефинирана за употреба во спротивната равенка, ја претставува ширината на пикселите по оските на оваа мрежа. Доколку карактеристиките што се обидуваме да ги решиме лежат под кој било агол освен совршен множител од 90° во однос на оваа мрежа, ефективната големина на пикселот ќе биде поголема, до √2 ≈ 1,41 пати поголема од големината на пикселот при 45°. Ова е прикажано на Слика 2 (долната половина).
Препорачаниот фактор според Најквистовиот критериум во сите ориентации затоа би бил 2√2 ≈ 2,82. Сепак, поради претходно споменатиот компромис помеѓу резолуцијата и собирањето светлина, како општо правило се препорачува компромисна вредност од 2,3.
Улогата на Најквистовото семплирање во снимањето
Најквистовото семплирање е чувар на верноста на сликата. Кога стапката на семплирање ќе падне под Никвистовата граница:
● Недоволно семплирање → предизвикува алијасирање: лажни детали, назабени рабови или моаре шеми.
● Прекумерното семплирање → собира повеќе податоци отколку што оптиката може да испорача, што доведува до намалување на приносите: поголеми датотеки и поголеми барања за обработка без видливи подобрувања.
Правилното семплирање гарантира дека сликите се остри и верни на реалноста. Обезбедува рамнотежа помеѓу оптичкиот влез и дигиталното снимање, избегнувајќи губење на резолуција од едната страна или погрешни артефакти од другата.
Практични апликации
Најквистовото семплирање не е само теорија - тоа има критични примени низ дисциплините за снимање:
● Микроскопија:Истражувачите мора да изберат сензори кои земаат примероци најмалку двапати од најмалите детали што може да се разрешат со објективот. Избор на вистинскиотмикроскопска камерае критично, бидејќи големината на пикселот мора да се усогласи со дифракционо-ограничената резолуција на објективот на микроскопот. Современите лаборатории често претпочитаатsCMOS камери, кои обезбедуваат рамнотежа помеѓу чувствителност, динамички опсег и фини пикселни структури за високо-перформансно биолошко снимање.
● Фотографија:Спарувањето на сензори со високи мегапиксели со објективи кои не можат да разрешат подеднакво фини детали честопати резултира со занемарливи подобрувања на острината. Професионалните фотографи ги балансираат објективите и фотоапаратите за да избегнат губење на резолуцијата.
● Фотографија:Спарувањето на сензори со високи мегапиксели со објективи кои не можат да разрешат подеднакво фини детали честопати резултира со занемарливи подобрувања на острината. Професионалните фотографи ги балансираат објективите и фотоапаратите за да избегнат губење на резолуцијата.
● Машинска визија иНаучни камериПри контрола на квалитет и индустриска инспекција, недостатокот на мали карактеристики поради недоволно земање примероци може да значи дека дефектните делови ќе останат неоткриени. Прекумерното земање примероци може намерно да се користи за дигитален зум или подобрена обработка.
Кога да се спореди Nyquist: Прекумерно и недоволно семплирање
Најквистовото семплирање претставува идеална рамнотежа, но во пракса, системите за снимање може намерно да вршат прекумерно или недоволно семплирање во зависност од апликацијата.
Што е недоволно семплирање
Во случај на апликации каде што чувствителноста е поважна од решавањето на најситните детали, користењето на големина на пиксел во просторот на објектот што е поголема од барањата на Најквист може да доведе до значителни предности во собирањето светлина. Ова се нарекува подсемплирање.
Ова жртвува фини детали, но може да биде предност кога:
● Чувствителноста е клучна: поголемите пиксели собираат повеќе светлина, подобрувајќи го односот сигнал-шум при снимање при слаба осветленост.
● Брзината е важна: помалку пиксели го намалуваат времето на читање, овозможувајќи побрзо снимање.
● Потребна е ефикасност на податоците: помали големини на датотеки се подобри во системи со ограничен пропусен опсег.
Пример: При снимање со калциум или напон, сигналите често се пресметуваат во просек за региони од интерес, па затоа недоволното семплирање го подобрува собирањето светлина без да се загрози научниот исход.
Што е прекумерување
Обратно, многу апликации за кои решавањето на фините детали е клучно, или апликациите што користат методи на пост-аквизициска анализа за да добијат дополнителни информации над границата на дифракција, бараат помали пиксели за снимање од оние што ги бара Најквист, наречено пресемплирање.
Иако ова не ја зголемува вистинската оптичка резолуција, може да обезбеди предности:
● Овозможува дигитален зум со помала загуба на квалитет.
● Ја подобрува пост-обработката (на пр., деконволуција, отстранување на шум, супер-резолуција).
● Го намалува видливото алијасирање кога сликите подоцна се намалуваат.
Пример: Во микроскопијата, sCMOS камера со висока резолуција може да ги пресемплира клеточните структури, така што пресметковните алгоритми можат да извлечат фини детали над границата на дифракција.
Чести заблуди
1. Повеќе мегапиксели секогаш значат поостри слики.
Не е точно. Острината зависи и од резолуционата моќ на објективот и од тоа дали сензорот соодветно зема примероци.
2, Секој добар објектив работи добро со кој било сензор со висока резолуција.
Лошото совпаѓање помеѓу резолуцијата на објективот и висината на пикселите ќе ги ограничи перформансите.
3, Најквистовото семплирање е релевантно само за обработка на сигнали, а не за снимање.
Напротив, дигиталното снимање е фундаментално процес на семплирање, а Најквист е подеднакво релевантен тука како и во аудио или комуникациите.
Заклучок
Најквистовото семплирање е повеќе од математичка апстракција - тоа е принципот што обезбедува оптичка и дигитална резолуција да работат заедно. Со усогласување на резолуционата моќ на леќите со можностите за семплирање на сензорите, системите за снимање постигнуваат максимална јасност без артефакти или потрошен капацитет.
За професионалци во области толку разновидни како што се микроскопија, астрономија, фотографија и машинска визија, разбирањето на Никвистовото земање примероци е клучно за дизајнирање или избор на системи за снимање кои даваат сигурни резултати. На крајот на краиштата, квалитетот на сликата не доаѓа од туркање на една спецификација до крајност, туку од постигнување рамнотежа.
Најчесто поставувани прашања
Што се случува ако семплирањето на Најквист не е задоволително во камерата?
Кога стапката на семплирање падне под Никвистовата граница, сензорот не може правилно да ги прикаже фините детали. Ова резултира со алијасирање, кое се појавува како назабени рабови, моаре шеми или лажни текстури што не постојат во реалната сцена.
Како големината на пикселите влијае на семплирањето на Најквист?
Помалите пиксели ја зголемуваат Никвистовата фреквенција, што значи дека сензорот теоретски може да ги детектира пофините детали. Но, ако објективот не може да го испорача тоа ниво на резолуција, дополнителните пиксели додаваат мала вредност и може да го зголемат шумот.
Дали семплирањето на Најквист е различно за монохроматски наспроти сензори за боја?
Да. Кај монохроматски сензор, секој пиксел директно ја зема луминисценцијата, така што ефективната Никвистова фреквенција се совпаѓа со висината на пикселот. Кај сензор за боја со Баеров филтер, секој канал на боја е недоволно семплиран, така што ефективната резолуција по демосајзирањето е малку помала.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
