25/08/19Шинжлэх ухааны судалгаанд нарийвчлалтай, найдвартай зураг авах тухайд таны өгөгдлийн чанар нь нягтрал эсвэл мэдрэгчийн хэмжээнээс илүү хамаарна. Хамгийн чухал боловч заримдаа үл тоомсорлодог хэмжигдэхүүнүүдийн нэг бол дохионы дуу чимээний харьцаа (SNR) юм. Дүрслэх системд SNR нь бодит дохиог (ашигтай мэдээлэл) хүсээгүй чимээ шуугианаас хэр тодорхой ялгаж болохыг тодорхойлдог.
Микроскопи, одон орон судлал, спектроскопи гэх мэт шинжлэх ухааны дүрслэлийн хэрэглээнд SNR муу байгаа нь бүдэгхэн байг илрүүлэх, түүнийг бүрэн алдах хоёрын хоорондох ялгааг илэрхийлж болно. Энэ нийтлэлд SNR хэрхэн тодорхойлогддог, яагаад чухал байдаг, тодосгогчид хэрхэн нөлөөлдөг, энэ чухал хэмжигдэхүүн дээр үндэслэн шинжлэх ухааны камерыг хэрхэн сонгох, оновчтой болгох талаар судлах болно.
Дохио ба дуу чимээний харьцаа гэж юу вэ, үүнийг хэрхэн тодорхойлдог вэ?
Сигнал ба дуу чимээний харьцаа (SNR) нь манай зургийн чанарын хамгийн чухал хэмжүүр бөгөөд зургийн ялгаатай байдлын үндсэн үзүүлэлт бөгөөд камер таны хэрэглээнд хангалттай мэдрэмтгий эсэхийг тодорхойлох хамгийн ашигтай хүчин зүйл юм.
Камерын мэдрэмжийг сайжруулах оролдлого нь цуглуулсан дохиог сайжруулахад чиглэгддэг.
● Квантын үр ашгийг сайжруулах эсвэл пикселийн хэмжээг нэмэгдүүлэх замаар
● Камераас хамааралтай дуу чимээний эх үүсвэрийг багасгах
Дуу чимээний эх үүсвэрүүд нийлдэг боловч нөхцөл байдлаас шалтгаалан нэг нь давамгайлж болох ба тохиргоо, тохиргоог оновчтой болгох, эсвэл илүү сайн гэрлийн эх үүсвэр, оптик, камер болгон сайжруулах замаар SNR-ийг сайжруулах оролдлого хийхдээ анхаарлаа хандуулах хэрэгтэй.
Зургийг нэг дохио-дуу чимээний харьцаагаар тайлбарлах нь энгийн товчлол юм, жишээлбэл зураг нь SNR нь '15' байна гэж хэлэх. Гэсэн хэдий ч нэрнээс нь харахад дохио-дуу чимээний харьцаа нь дохионоос хамаардаг бөгөөд энэ нь мэдээж пиксел бүрийн хувьд өөр байх болно. Энэ бол бидний дүр төрхийг өгдөг.
Зургийн SNR нь ихэвчлэн зураг доторх хамгийн их анхаарал татсан дохионы SNR-ийг илэрхийлдэг. Жишээлбэл, харанхуй дэвсгэр дээрх флюресцент эсийн дүрсний SNR нь эсийн доторх сонирхсон бүтцийн пикселээс дохионы оргил эрчмийг ашиглана.
Жишээлбэл, бүхэл зургийн SNR-ийн дундаж утгыг авах нь төлөөлөх боломжгүй юм. Флюресценцийн микроскоп гэх мэт 0 илэрсэн фотон бүхий бараан дэвсгэр нийтлэг байж болох техникүүдэд эдгээр тэг дохионы пикселүүдийн SNR нь тэг байна. Иймээс зураг дээрх ямар ч дундаж нь хэдэн арын пиксел харагдахаас хамаарна.
Шинжлэх ухааны камерт SNR яагаад чухал вэ?
Шинжлэх ухааны дүрслэлд SNR нь бүдэгхэн нарийн ширийн зүйлийг тодорхойлох, тоон мэдээллийг хэмжих, үр дүнг хуулбарлах зэрэгт шууд нөлөөлдөг.
●Зургийн тодорхой байдал– Өндөр SNR нь мөхлөгт байдлыг багасгаж, нарийн бүтцийг харагдуулна.
●Өгөгдлийн нарийвчлал– Эрчимт суурилсан туршилтын хэмжилтийн алдааг багасгадаг.
●Гэрэл багатай гүйцэтгэл– Байгалийн хувьд фотоны тоо бага байдаг флюресценцийн микроскоп, гүн тэнгэрийн астрофотограф, спектроскопи зэрэгт зайлшгүй шаардлагатай.
Та ашиглаж байгаа эсэхээс үл хамааран asCMOS камерӨндөр хурдны дүрслэл эсвэл удаан хугацаагаар ашиглах зориулалттай хөргөлттэй CCD-ийн хувьд SNR-ийг ойлгох нь гүйцэтгэлийн зөрүүг тэнцвэржүүлэхэд тусална.
SNR нь зургийн тодосгогчдод хэрхэн нөлөөлдөг вэ?
Ялгаатай байдал нь зургийн гэрэл ба бараан хэсгүүдийн хоорондох эрчмийн харьцангуй ялгаа юм. Олон тооны хэрэглээний хувьд сонирхол татахуйц хэсэг дэх зургийн сайн тодосгогч нь эцсийн зорилго юм.
Линзний чанар, арын гэрлийн хэмжээ зэрэг зургийн тодосгогчийг тодорхойлох гол хүчин зүйл болох дүрслэлийн объект, оптик систем, дүрслэлийн нөхцөл зэрэг олон хүчин зүйл байдаг.
●Өндөр SNR→ Гэрэлт ба бараан бүсийг ялгах; ирмэг нь тод харагдаж байна; нарийн ширийн зүйлс харагдахуйц хэвээр байна.
●Бага SNR→ Харанхуй хэсэг чимээ шуугианаас болж гэрэлтэж, тод хэсэг нь бүдгэрч, зургийн ерөнхий тодосгогч тэгширдэг.
Жишээлбэл, флюресцент микроскопийн хувьд бага SNR нь сул флюресцент дээжийг арын дэвсгэр рүү хольж, тоон шинжилгээг найдваргүй болгодог. Одон орон судлалд бүдэг одод эсвэл галактикууд чимээ шуугиантай өгөгдөлд бүрэн алга болдог.
Гэсэн хэдий ч камерын доторх хүчин зүйлүүд бас байдаг - гол хүчин зүйл нь дуу чимээний дохионы харьцаа юм. Цаашилбал, ялангуяа гэрэл багатай үед дүрсийг монитор дээр хэрхэн харуулах нь зургийн эрчмийг масштаблах нь зургийн ялгаатай байдалд ихээхэн үүрэг гүйцэтгэдэг. Зургийн харанхуй хэсгүүдэд дуу чимээ ихтэй байдаг тул автомат дүрсийг масштаблах алгоритмууд нь доод хязгаарыг бага утгатай шуугиантай пикселээр хэт бага тохируулж, харин өндөр дохионы пикселийн шуугианаар өндөр хязгаарыг нэмэгдүүлдэг. Энэ нь SNR багатай зургуудын "угаагдсан" саарал өнгөтэй харагдах шалтгаан юм. Камерын офсетийн доод хязгаарыг тохируулснаар илүү сайн тодосгогчийг олж авах боломжтой.
Шинжлэх ухааны камерын SNR-д нөлөөлдөг хүчин зүйлүүд
Камерын системийн SNR-д хэд хэдэн дизайн болон үйл ажиллагааны параметрүүд нөлөөлдөг:
Мэдрэгчийн технологи
● sCMOS – Унших дуу чимээ бага, фрэймийн өндөр хурдыг хослуулсан нь динамик дүрслэл хийхэд тохиромжтой.
● CCD – Түүхэнд удаан хугацаагаар өртөх үед дуу чимээ багатай ч орчин үеийн CMOS загвараас удаан байдаг.
● EMCCD – Сул дохиог нэмэгдүүлэхийн тулд чип дээрх өсгөлтийг ашигладаг боловч үржүүлгийн дуу чимээ үүсгэж болно.
Пикселийн хэмжээ ба дүүргэлтийн хүчин зүйл
Том пиксел нь илүү их фотон цуглуулж, дохиог нэмэгдүүлж, улмаар SNR-ийг нэмэгдүүлдэг.
Квантын үр ашиг (QE)
Өндөр QE нь илүү олон ирж буй фотонуудыг электрон болгон хувиргаж, SNR-ийг сайжруулдаг гэсэн үг юм.
Халдвар авах хугацаа
Удаан өртөх нь илүү их фотоныг цуглуулж, дохиог ихэсгэх боловч харанхуй гүйдлийн дуу чимээг ихэсгэдэг.
Хөргөлтийн системүүд
Хөргөх нь харанхуй гүйдлийг багасгаж, удаан хугацаагаар өртөхөд SNR-ийг мэдэгдэхүйц сайжруулдаг.
Оптик ба гэрэлтүүлэг
Өндөр чанартай линз ба тогтвортой гэрэлтүүлэг нь дохиог дээд зэргээр барьж, хэлбэлзлийг багасгадаг.
Өөр өөр оргил SNR утгуудын жишээ
Дүрслэлд PSNR нь ихэвчлэн пикселийн ханалттай харьцуулахад онолын дээд хязгаарыг хэлдэг. Дүрслэлийн сэдэв, дүрслэх нөхцөл, камерын технологийн ялгааг үл харгалзан уламжлалт шинжлэх ухааны камерын хувьд ижил дохио-дуу чимээний харьцаатай зургууд ижил төстэй байж болно. "Мөхлөг"-ийн зэрэг, жаазаас фрэймийн өөрчлөлт, тодорхой хэмжээгээр ялгаатай байдал нь эдгээр өөр өөр нөхцөлд ижил төстэй байж болно. Иймээс SNR-ийн үнэ цэнэ болон тэдгээрээс үүдэлтэй өөр өөр нөхцөл, сорилтуудын талаарх ойлголтыг хүснэгтэд үзүүлсэн шиг төлөөлөх зургуудаас олж авах боломжтой.
ЖИЧ: Мөр бүрийн фотоэлектрон дахь оргил дохионы утгыг цэнхэр өнгөөр өгөгдсөн. Бүх зургийг хамгийн тод ба бараан пикселийн 0.35%-ийг үл тоомсорлож (ханасан) автомат гистограмм масштабаар харуулав. Зүүн талын хоёр зургийн багана: Зургийн туршилтын объектын линз дээр суурилсан дүрслэл. Баруун дөрвөн багана: 10х микроскопын объектив бүхий флюресцентээр авсан Аскарис. Доод SNR дээр пикселийн утгуудын хүрээ хоорондын өөрчлөлтийг харуулахын тулд дараалсан гурван фрэймийг үзүүлэв.
Туршилтын объектын линз дээр суурилсан зураг, флюресценцийн микроскопийн дүрс, дараалсан 3 фреймийн доторх өөрчлөлтийг харуулсан флюресцент зургийн томруулсан дүрсийг харуулав. Дохионы түвшин тус бүрийн оргил фото электроны тоог мөн өгсөн.
Дараах зурагт эдгээр жишээ зургийн бүрэн хувилбарыг лавлагаа болгон харуулав.
Дохио-дуу чимээний харьцааны жишээний хүснэгтэд ашигласан бүрэн хэмжээний зургууд
Зүүн: Линзээр авсан дүрслэлийн туршилтын зорилтот.
Зөв: Ascaris nematode өтний хэсгийн дээжийг 10 дахин томруулж флюресцент микроскопоор үзсэн.
Програм дахь SNR
SNR нь янз бүрийн салбарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг:
● Микроскоп – Биологийн дээжээс бүдэг флюресценцийг илрүүлэхэд хуурамч сөрөг нөлөөллөөс зайлсхийхийн тулд өндөр SNR шаардлагатай.
● Одон орон судлал – Алс холын галактикууд эсвэл экзопланетуудыг тодорхойлоход хамгийн бага дуу чимээтэй, урт хугацааны өртөлтийг шаарддаг.
● Спектроскопи – Өндөр SNR нь химийн шинжилгээнд хамгийн их эрчимжилтийн нарийвчлалыг баталгаажуулдаг.
● Үйлдвэрийн хяналт – Гэрэл багатай угсралтын шугамд өндөр SNR нь согогийг найдвартай илрүүлэхэд тусалдаг.
Зөв SNR бүхий шинжлэх ухааны камер сонгох
Шинжлэх ухааны шинэ камерыг үнэлэхдээ:
●SNR техникийн үзүүлэлтүүдийг шалгана уу– Өөрийн програмтай төстэй нөхцөлд дБ утгыг харьцуулна уу.
●Бусад хэмжигдэхүүнүүдийг тэнцвэржүүлэх– Квантын үр ашиг, динамик хүрээ, фрэймийн хурд зэргийг анхаарч үзээрэй.
●Хэрэглэх Технологийг тааруулах– Өндөр хурдны динамик үзэгдлүүдийн хувьд sCMOS камер тохиромжтой байж болно; Хэт бага гэрэлтэй статик объектуудын хувьд хөргөлттэй CCD эсвэл EMCCD илүү сайн ажиллах боломжтой.
●Ажлын урсгалын үр ашгийг дээшлүүлэх холболт– SNR-д шууд нөлөөлөхгүй ч, HDMI гаралт зэрэг функцууд нь зургийг бодит цаг хугацаанд хянах боломжийг идэвхжүүлж, таны олж авах тохиргоог хүссэн SNR-д хүрсэн эсэхийг хурдан шалгахад тусална.
Дүгнэлт
Дохионы дуу чимээний харьцаа (SNR) нь шинжлэх ухааны зургийн тодорхой, найдвартай байдалд шууд нөлөөлдөг гүйцэтгэлийн гол үзүүлэлт юм. SNR хэрхэн тодорхойлогддог, түүнд нөлөөлж буй хүчин зүйлүүд, өөр өөр SNR утгын үр дагаврыг ойлгох нь судлаачид болон техникийн хэрэглэгчдэд дүрслэлийн системийг илүү үр дүнтэй үнэлэх боломжийг олгодог. Шинэ мэдлэгийг сонгохдоо ашиглах замааршинжлэх ухааны камерэсвэл одоо байгаа тохиргоог оновчтой болгох - таны дүрслэлийн ажлын урсгал нь таны тусгай програмд шаардагдах нарийвчлалын түвшинд өгөгдлийг авдаг эсэхийг баталгаажуулж чадна.
Түгээмэл асуултууд
Шинжлэх ухааны камерын хувьд "сайн" SNR гэж юу вэ?
Хамгийн тохиромжтой SNR нь програмаас хамаарна. Флюресцент микроскоп эсвэл одон орон судлал гэх мэт өндөр шаардлага, тоон ажлын хувьд 40 дБ-ээс дээш SNR-ийг ерөнхийд нь зөвлөдөг, учир нь энэ нь хамгийн бага харагдахуйц чимээ шуугиантай зураг гаргаж, нарийн ширийн зүйлийг хадгалдаг. Ерөнхий лабораторийн хэрэглээ эсвэл үйлдвэрлэлийн шалгалтын хувьд 35-40 дБ хангалттай. 30 дБ-ээс доош бүх зүйл нь ихэвчлэн харагдахуйц үр тариаг харуулах бөгөөд ялангуяа тодосгогч багатай нөхцөлд нарийвчлалыг алдагдуулж болзошгүй юм.
Квантын үр ашиг (QE) SNR-д хэрхэн нөлөөлдөг вэ?
Квантын үр ашиг нь мэдрэгч нь ирж буй фотонуудыг электрон болгон хэр үр дүнтэй хувиргаж байгааг хэмждэг. Өндөр QE нь SNR тэгшитгэл дэх тоологчийг нэмэгдүүлэх боломжтой илүү их гэрлийг дохио болгон авдаг гэсэн үг юм. Энэ нь ялангуяа гэрэл багатай нөхцөлд фотон бүр чухал байдаг. Жишээлбэл, 80% QE-тэй sCMOS камер нь 50% QE-тэй мэдрэгчтэй харьцуулахад ижил нөхцөлд илүү өндөр SNR-д хүрэх болно, учир нь энэ нь илүү ашиглах боломжтой дохиог авдаг.
SNR болон тодосгогч дуу чимээний харьцаа (CNR) хоёрын ялгаа юу вэ?
SNR нь чимээ шуугиантай харьцуулахад дохионы ерөнхий хүчийг хэмждэг бол CNR нь тодорхой шинж чанарын харагдах байдалд анхаарлаа хандуулдаг. Шинжлэх ухааны дүрслэлд хоёулаа чухал байдаг: SNR нь дүрсийг бүхэлд нь "цэвэр" гэдгийг хэлж өгдөг бол CNR нь тухайн объектыг илрүүлэх, хэмжихэд хангалттай эсэхийг тодорхойлдог.
Илүү ихийг мэдмээр байна уу? Холбогдох нийтлэлүүдийг харна уу:
Шинжлэх ухааны камерын квантын үр ашиг: Эхлэгчдэд зориулсан гарын авлага
Tucsen Photonics Co., Ltd. Бүх эрх хуулиар хамгаалагдсан. Иш татахдаа эх сурвалжийг хүлээн зөвшөөрнө үү:www.tucsen.com
