25/08/19Apabila ia datang untuk menangkap imej yang tepat dan boleh dipercayai dalam penyelidikan saintifik, kualiti data anda bergantung pada lebih daripada resolusi atau saiz penderia. Salah satu metrik yang paling penting—tetapi kadangkala diabaikan— ialah Nisbah Isyarat-ke-Bunyi (SNR). Dalam sistem pengimejan, SNR menentukan sejauh mana anda boleh membezakan isyarat sebenar (maklumat berguna) daripada bunyi yang tidak diingini.
Dalam aplikasi pengimejan saintifik seperti mikroskopi, astronomi dan spektroskopi, SNR yang lemah boleh bermakna perbezaan antara mengesan sasaran yang lemah dan kehilangannya sepenuhnya. Artikel ini meneroka cara SNR ditakrifkan, sebab ia penting, cara ia mempengaruhi kontras dan cara memilih dan mengoptimumkan kamera saintifik berdasarkan metrik kritikal ini.
Apakah Nisbah Isyarat-ke-Bunyi dan Bagaimana Ia Ditakrifkan?
Nisbah Isyarat kepada Bunyi (SNR) ialah ukuran paling penting bagi kualiti imej kami, asas dalam kontras imej, dan selalunya merupakan faktor penentu yang paling berguna sama ada kamera cukup sensitif untuk aplikasi anda.
Percubaan untuk meningkatkan sensitiviti kamera berkisar pada kedua-dua meningkatkan isyarat yang dikumpul:
● Melalui penambahbaikan dalam kecekapan kuantum atau peningkatan saiz piksel
● Mengurangkan sumber hingar yang bergantung kepada kamera
Sumber hingar dijumlahkan bersama-sama, tetapi bergantung pada keadaan seseorang boleh mendominasi, dan harus ditumpukan semasa cuba meningkatkan SNR – sama ada melalui pengoptimuman tetapan atau persediaan, atau menaik taraf kepada sumber cahaya, optik dan kamera yang lebih baik.
Ia adalah trengkas biasa untuk menerangkan imej dari segi nisbah isyarat kepada hingar tunggal, contohnya mendakwa imej mempunyai SNR '15'. Walau bagaimanapun, seperti yang terbukti dari namanya, nisbah isyarat-ke-bunyi bergantung pada isyarat, yang tentunya berbeza untuk setiap piksel. Inilah yang memberikan imej kita.
SNR imej biasanya merujuk kepada SNR bagi isyarat puncak yang diminati dalam imej. Contohnya, SNR daripada imej sel pendarfluor pada latar belakang gelap akan menggunakan keamatan isyarat puncak daripada piksel struktur yang diminati dalam sel.
Adalah tidak wajar untuk mengambil, sebagai contoh, nilai min untuk SNR bagi keseluruhan imej. Dalam teknik seperti mikroskop pendarfluor di mana latar belakang gelap dengan foton yang dikesan sifar boleh menjadi perkara biasa, piksel isyarat sifar ini mempunyai SNR sifar. Oleh itu, sebarang purata merentas imej bergantung pada bilangan piksel latar belakang yang dilihat.
Mengapa SNR Penting untuk Kamera Saintifik
Dalam pengimejan saintifik, SNR secara langsung memberi kesan kepada sejauh mana anda boleh mengenal pasti butiran samar, mengukur data kuantitatif dan menghasilkan semula hasil.
●Kejelasan Imej– SNR yang lebih tinggi mengurangkan kerinduan dan menjadikan struktur halus kelihatan.
●Ketepatan Data– Mengurangkan ralat pengukuran dalam eksperimen berasaskan intensiti.
●Prestasi Cahaya Rendah– Penting untuk mikroskop pendarfluor, astrofotografi langit dalam dan spektroskopi, di mana kiraan foton secara semula jadi rendah.
Sama ada anda menggunakan akamera sCMOSuntuk pengimejan berkelajuan tinggi atau CCD yang disejukkan untuk aplikasi pendedahan lama, memahami SNR membantu anda mengimbangi pertukaran prestasi.
Bagaimana SNR Mempengaruhi Kontras Imej
Kontras ialah perbezaan relatif dalam keamatan antara kawasan terang dan kawasan gelap imej. Untuk kebanyakan aplikasi, kontras imej yang baik dalam kawasan yang diminati adalah matlamat akhir yang muktamad.
Terdapat banyak faktor dalam subjek pengimejan, sistem optik dan keadaan pengimejan yang merupakan faktor penentu utama kontras imej, seperti kualiti kanta dan jumlah cahaya latar belakang.
●SNR tinggi→ Pemisahan yang berbeza antara kawasan terang dan gelap; tepi kelihatan segar; butiran halus tetap kelihatan.
●SNR rendah→ Kawasan gelap menjadi lebih terang disebabkan oleh bunyi bising, kawasan terang menjadi lebih malap dan kontras imej keseluruhan menjadi rata.
Sebagai contoh, dalam mikroskop pendarfluor, SNR rendah boleh membuat campuran sampel pendarfluor lemah ke latar belakang, menjadikan analisis kuantitatif tidak boleh dipercayai. Dalam astronomi, bintang samar atau galaksi boleh hilang sepenuhnya dalam data yang bising.
Walau bagaimanapun, terdapat juga faktor dalam kamera itu sendiri - faktor utama ialah Nisbah Isyarat kepada Bunyi. Selanjutnya, dan terutamanya pada cahaya malap, penskalaan keamatan imej, cara imej dipaparkan pada monitor, memainkan peranan yang besar dalam kontras imej yang dilihat. Dengan hingar yang tinggi di kawasan gelap imej, algoritma penskalaan imej automatik boleh menetapkan sempadan bawahnya terlalu rendah oleh piksel hingar bernilai rendah, manakala sempadan tinggi ditingkatkan oleh hingar dalam piksel isyarat tinggi. Ini adalah punca penampilan kelabu 'basuh' ciri imej SNR rendah. Kontras yang lebih baik boleh diperolehi dengan menetapkan sempadan bawah pada offset kamera.
Faktor yang Mempengaruhi SNR dalam Kamera Saintifik
Beberapa reka bentuk dan parameter operasi mempengaruhi SNR sistem kamera:
Teknologi Sensor
● sCMOS – Menggabungkan hingar bacaan rendah dan kadar bingkai tinggi, sesuai untuk pengimejan dinamik.
● CCD – Dari segi sejarah menawarkan hingar rendah dalam dedahan panjang, tetapi lebih perlahan daripada reka bentuk CMOS moden.
● EMCCD – Menggunakan amplifikasi pada cip untuk meningkatkan isyarat lemah, tetapi boleh memperkenalkan hingar berganda.
Saiz Piksel dan Faktor Isian
Piksel yang lebih besar mengumpul lebih banyak foton, meningkatkan isyarat dan dengan itu SNR.
Kecekapan Kuantum (QE)
QE yang lebih tinggi bermakna lebih banyak foton masuk ditukar kepada elektron, meningkatkan SNR.
Masa dedahan
Pendedahan yang lebih lama mengumpulkan lebih banyak foton, meningkatkan isyarat, tetapi juga boleh meningkatkan hingar arus gelap.
Sistem Penyejukan
Penyejukan mengurangkan arus gelap, meningkatkan SNR dengan ketara untuk pendedahan yang lama.
Optik dan Pencahayaan
Kanta berkualiti tinggi dan pencahayaan yang stabil memaksimumkan tangkapan isyarat dan meminimumkan kebolehubahan.
Contoh Nilai SNR Puncak Berbeza
Dalam pengimejan, PSNR sering merujuk kepada maksimum teori berbanding ketepuan piksel. Walaupun terdapat perbezaan dalam subjek pengimejan, keadaan pengimejan dan teknologi kamera, untuk kamera saintifik konvensional, imej dengan nisbah isyarat-ke-bunyi yang sama boleh mempunyai persamaan. Tahap 'butiran', variasi dari bingkai ke bingkai, dan sedikit sebanyak kontras, semuanya boleh serupa merentas keadaan berbeza ini. Oleh itu, adalah mungkin untuk mendapatkan pemahaman tentang nilai SNR dan keadaan dan cabaran berbeza yang dibayangkan daripada imej yang mewakili, seperti yang ditunjukkan dalam jadual.
NOTA: Nilai isyarat puncak dalam fotoelektron untuk setiap baris diberikan dalam warna biru. Semua imej yang dipaparkan dengan penskalaan histogram automatik, mengabaikan (menepu) 0.35% daripada piksel paling terang dan paling gelap. Kiri dua lajur imej: Pengimejan berasaskan kanta bagi sasaran ujian pengimejan. Empat lajur kanan: Ascaris ditangkap dalam pendarfluor dengan objektif mikroskop 10x. Untuk menggambarkan variasi bingkai ke bingkai dalam nilai piksel pada SNR yang lebih rendah, tiga bingkai berturut-turut disediakan.
Imej berasaskan kanta bagi sasaran ujian, bersama-sama dengan imej mikroskop pendarfluor kedua-duanya ditunjukkan, bersama-sama dengan paparan zum imej pendarfluor yang menunjukkan variasi dalam 3 bingkai berturut-turut. Kiraan foto-elektron puncak pada setiap tahap isyarat juga diberikan.
Rajah berikut menunjukkan versi penuh imej contoh ini untuk rujukan.
Imej bersaiz penuh yang digunakan untuk jadual contoh nisbah isyarat-ke-bunyi
kiri: Sasaran ujian pengimejan yang difoto dengan kanta.
Betul: Sampel bahagian cacing Ascaris nematod dilihat dengan mikroskop pendarfluor pada pembesaran 10x.
SNR dalam Aplikasi
SNR adalah misi kritikal dalam pelbagai bidang:
● Mikroskopi – Mengesan pendarfluor samar dalam sampel biologi memerlukan SNR yang tinggi untuk mengelakkan negatif palsu.
● Astronomi – Mengenal pasti galaksi atau eksoplanet jauh memerlukan pendedahan yang lama dengan bunyi yang minimum.
● Spektroskopi – SNR tinggi memastikan pengukuran keamatan puncak yang tepat dalam analisis kimia.
● Pemeriksaan Industri – Dalam talian pemasangan cahaya malap, SNR tinggi membantu mengesan kecacatan dengan pasti.
Memilih Kamera Saintifik dengan SNR yang Betul
Apabila menilai kamera saintifik baharu:
●Semak Spesifikasi SNR– Bandingkan nilai dB di bawah keadaan yang serupa dengan aplikasi anda.
●Imbangan Metrik Lain– Pertimbangkan kecekapan kuantum, julat dinamik dan kadar bingkai.
●Padankan Teknologi dengan Kes Penggunaan– Untuk adegan dinamik berkelajuan tinggi, kamera sCMOS mungkin sesuai; untuk subjek statik ultra-cahaya rendah, CCD atau EMCCD yang disejukkan mungkin berprestasi lebih baik.
●Ketersambungan untuk Kecekapan Aliran Kerja– Walaupun tidak menjejaskan SNR secara langsung, ciri seperti output HDMI boleh mendayakan semakan imej masa nyata, membantu anda mengesahkan dengan cepat bahawa tetapan pemerolehan anda mencapai SNR yang diingini.
Kesimpulan
Nisbah Signal-to-Noise (SNR) ialah metrik prestasi utama yang secara langsung mempengaruhi kejelasan dan kebolehpercayaan imej saintifik. Memahami cara SNR ditakrifkan, faktor yang mempengaruhinya dan implikasi nilai SNR yang berbeza membolehkan penyelidik dan pengguna teknikal menilai sistem pengimejan dengan lebih berkesan. Dengan menggunakan pengetahuan ini—sama ada dalam memilih yang baharukamera saintifikatau mengoptimumkan persediaan sedia ada—anda boleh memastikan aliran kerja pengimejan anda menangkap data dengan tahap ketepatan yang diperlukan untuk aplikasi khusus anda.
Soalan Lazim
Apakah yang dianggap sebagai SNR "baik" untuk kamera saintifik?
SNR yang ideal bergantung pada aplikasi. Untuk kerja kuantitatif yang sangat menuntut—seperti mikroskop pendarfluor atau astronomi—SNR melebihi 40 dB biasanya disyorkan, kerana ia menghasilkan imej dengan hingar yang kelihatan minimum dan mengekalkan butiran halus. Untuk kegunaan makmal am atau pemeriksaan industri, 35–40 dB boleh mencukupi. Apa-apa sahaja di bawah 30 dB biasanya akan menunjukkan butiran yang boleh dilihat dan boleh menjejaskan ketepatan, terutamanya dalam situasi kontras rendah.
Bagaimanakah kecekapan kuantum (QE) mempengaruhi SNR?
Kecekapan kuantum mengukur seberapa berkesan penderia menukar foton masuk kepada elektron. QE yang lebih tinggi bermakna lebih banyak cahaya yang tersedia ditangkap sebagai isyarat, meningkatkan pengangka dalam persamaan SNR. Ini amat penting dalam senario cahaya malap, di mana setiap foton dikira. Sebagai contoh, kamera sCMOS dengan QE sebanyak 80% akan mencapai SNR yang lebih tinggi dalam keadaan yang sama berbanding dengan sensor dengan 50% QE, semata-mata kerana ia menangkap isyarat yang lebih boleh digunakan.
Apakah perbezaan antara SNR dan Nisbah Kontras-ke-Bunyi (CNR)?
Walaupun SNR mengukur kekuatan isyarat keseluruhan berbanding dengan hingar, CNR memfokuskan pada keterlihatan ciri tertentu terhadap latar belakangnya. Dalam pengimejan saintifik, kedua-duanya adalah penting: SNR memberitahu anda cara "membersihkan" imej secara keseluruhan, manakala CNR menentukan sama ada objek minat tertentu cukup menonjol untuk pengesanan atau pengukuran.
Ingin mengetahui lebih lanjut? Lihat artikel berkaitan:
Kecekapan Kuantum dalam Kamera Saintifik: Panduan Pemula
Tucsen Photonics Co., Ltd. Hak cipta terpelihara. Apabila memetik, sila maklumkan sumbernya:www.tucsen.com
