25/09/11Fi kwalunkwe sistema ta' kejl — mill-komunikazzjoni mingħajr fili sal-fotografija diġitali — il-proporzjon tas-sinjal għall-ħoss (SNR) huwa punt ta' riferiment fundamentali tal-kwalità. Kemm jekk qed tanalizza immaġnijiet ta' teleskopju, ittejjeb ir-reġistrazzjonijiet tal-mikrofonu, jew issolvi problemi ta' link mingħajr fili, l-SNR jgħidlek kemm informazzjoni utli tispikka mill-ħoss mhux mixtieq fl-isfond.
Iżda l-kalkolu korrett tal-SNR mhux dejjem ikun sempliċi. Skont is-sistema, jista' jkun hemm bżonn li jiġu kkunsidrati fatturi addizzjonali bħal kurrent skur, ħoss tal-qari, jew pixel binning. Din il-gwida tiggwidak fit-teorija, formuli ewlenin, żbalji komuni, applikazzjonijiet, u modi prattiċi biex ittejjeb l-SNR, u tiżgura li tista' tapplikaha b'mod preċiż f'firxa wiesgħa ta' kuntesti.
X'inhu l-Proporzjon tas-Sinjal għall-Istorbju (SNR)?
Fil-qalba tiegħu, il-proporzjon sinjal-ħoss ikejjel ir-relazzjoni bejn is-saħħa ta' sinjal mixtieq u l-ħoss fl-isfond li jaħbih.
● Sinjal = l-informazzjoni sinifikanti (eż., vuċi f'sejħa, kewkba f'immaġni ta' teleskopju).
● Storbju = varjazzjonijiet każwali u mhux mixtieqa li jgħawġu jew jaħbu s-sinjal (eż., statiku, storbju tas-sensur, interferenza elettrika).
Matematikament, l-SNR hija definita bħala:
Minħabba li dawn il-proporzjonijiet jistgħu jvarjaw fuq ħafna ordnijiet ta' kobor, l-SNR ġeneralment jiġi espress f'decibels (dB):
● SNR Għoli (eż., 40 dB): is-sinjal jiddomina, u jirriżulta f'informazzjoni ċara u affidabbli.
● SNR baxx (eż., 5 dB): l-istorbju jegħleb is-sinjal, u b'hekk l-interpretazzjoni ssir diffiċli.
Kif Tikkalkula l-SNR
Il-kalkolu tal-proporzjon tas-sinjal għall-ħoss jista' jsir b'livelli differenti ta' preċiżjoni skont liema sorsi ta' ħoss huma inklużi. F'din it-taqsima, se jiġu introdotti żewġ forom: waħda li tqis il-kurrent skur u waħda li tassumi li jista' jiġi traskurat.
Nota: Iż-żieda ta' valuri indipendenti tal-istorbju teħtieġ li jiżdiedu f'kwadratura. Kull sors ta' storbju jiġi kwadrat, magħdud flimkien, u jittieħed l-għerq kwadrat tat-total.
Proporzjon sinjal-ħoss b'kurrent skur
Din li ġejja hija l-ekwazzjoni li għandha tintuża f'sitwazzjonijiet fejn l-istorbju tal-kurrent skur huwa kbir biżżejjed biex jeħtieġ l-inklużjoni:
Hawn hi d-definizzjoni tat-termini:
Sinjal (e-): Dan huwa s-sinjal ta' interess fil-fotoelettroni, bis-sinjal tal-kurrent skur imnaqqas
Is-Sinjal Totali (e-) se jkun l-għadd ta' fotoelettroni fil-pixel ta' interess – mhux strettament il-valur tal-pixel f'unitajiet ta' livelli ta' griż. It-tieni istanza tas-Sinjal (e-), fil-qiegħ tal-ekwazzjoni, hija l-istorbju tal-fotoni.
Kurrent tad-dlam (DC):Il-valur tal-kurrent tad-dlam għal dak il-pixel.
t: Ħin ta' espożizzjoni f'sekondi
σr:Aqra l-istorbju fil-modalità tal-kamera.
Proporzjon sinjal-ħoss għal kurrent skur negliġibbli
Fil-każijiet ta' żmien qasir (< 1 sekonda) ħinijiet ta' espożizzjoni, flimkien ma' kameras imkessħin u ta' prestazzjoni għolja, l-istorbju tal-kurrent skur ġeneralment ikun ferm inqas mill-istorbju tal-qari, u jiġi traskurat b'mod sikur.
Fejn it-termini huma għal darb'oħra kif definiti hawn fuq, bl-eċċezzjoni li s-sinjal tal-kurrent tad-dlam m'għandux għalfejn jiġi kkalkulat u mnaqqas mis-sinjal peress li għandu jkun ugwali għal żero.
Limitazzjonijiet ta' dawn il-formuli u termini neqsin
Il-formuli opposti jipprovdu biss tweġibiet korretti għas-CCD uKameras CMOSL-EMCCD u l-apparati intensifikati jintroduċu sorsi addizzjonali ta' storbju, għalhekk dawn l-ekwazzjonijiet ma jistgħux jintużaw. Għal ekwazzjoni tal-proporzjon sinjal-storbju aktar kompluta li tqis dawn u kontribuzzjonijiet oħra.
Terminu ieħor tal-istorbju li huwa (jew kien ikun) komunement inkluż fl-ekwazzjonijiet tal-SNR huwa dak tan-nuqqas ta' uniformità tar-rispons fotoloġiku (PRNU), xi kultant imsejjaħ ukoll bħala l-'istorbju tal-mudell fiss' (FPN). Dan jirrappreżenta l-irregolarità tal-qligħ u tar-rispons tas-sinjal fis-sensor, li jista' jsir dominanti f'sinjali għoljin jekk ikun kbir biżżejjed, u b'hekk inaqqas l-SNR.
Filwaqt li l-kameras bikrija kellhom PRNU sinifikanti biżżejjed biex jirrikjedu l-inklużjoni tiegħu, il-biċċa l-kbira tal-kameras modernikameras xjentifiċigħandhom PRNU baxx biżżejjed biex jagħmlu l-kontribuzzjoni tagħhom ferm inqas minn dik tal-istorbju tal-fotoni, speċjalment wara li jiġu applikati korrezzjonijiet abbord. Għalhekk, issa ġeneralment jiġi traskurat fil-kalkoli tal-SNR. Madankollu, il-PRNU għadu importanti għal xi kameras u applikazzjonijiet, u huwa inkluż fl-ekwazzjoni tal-SNR aktar avvanzata għall-kompletezza. Dan ifisser li l-ekwazzjonijiet ipprovduti huma utli għall-biċċa l-kbira tas-sistemi CCD/CMOS iżda m'għandhomx jiġu ttrattati bħala applikabbli universalment.
Tipi ta' Storbju fil-Kalkoli tal-SNR
Il-kalkolu tal-SNR mhux biss dwar it-tqabbil ta' sinjal ma' valur wieħed tal-ħoss. Fil-prattika, diversi sorsi ta' ħoss indipendenti jikkontribwixxu, u l-fehim tagħhom huwa essenzjali.
Ħoss ta' Tir
● Oriġini: wasla statistika ta' fotoni jew elettroni.
● Jiskala bl-għerq kwadrat tas-sinjal.
● Dominanti fl-immaġini limitata mill-fotoni (astronomija, mikroskopija tal-fluworexxenza).
Storbju Termali
● Jissejjaħ ukoll storbju Johnson–Nyquist, prodott mill-moviment tal-elettroni fir-resistors.
● Jiżdied bit-temperatura u l-bandwidth.
● Importanti fl-elettronika u l-komunikazzjoni mingħajr fili.
Storbju ta' Kurrent Skur
● Varjazzjoni każwali fil-kurrent tad-dlam fis-sensuri.
● Aktar sinifikanti f'espożizzjonijiet twal jew ditekters sħan.
● Imnaqqas bit-tkessiħ tas-sensor.
Aqra l-Istorbju
● Storbju minn amplifikaturi u konverżjoni minn analogu għal diġitali.
● Iffissat għal kull qari, tant kritiku f'reġimi ta' sinjal baxx.
Storbju ta' Kwantizzazzjoni
● Introdott bid-diġitalizzazzjoni (arrotondament għal livelli diskreti).
● Importanti f'sistemi b'fond ta' bit baxx (eż., awdjo ta' 8 bit).
Storbju Ambjentali/tas-Sistema
● EMI, crosstalk, ripple tal-provvista tal-enerġija.
● Jista' jiddomina jekk l-ilqugħ/l-ertjar ma jkunx tajjeb.
Il-fehim ta' liema minn dawn huwa dominanti jgħin fl-għażla tal-formula u l-metodu ta' mitigazzjoni t-tajba.
Żbalji komuni fil-kalkolu tal-SNR
Huwa faċli li tiltaqa' ma' ħafna metodi ta' 'shortcut' biex tistma l-proporzjon tas-sinjal għall-istorbju fl-immaġini. Dawn għandhom it-tendenza li jkunu jew inqas kumplessi mill-ekwazzjonijiet opposti, jippermettu derivazzjoni aktar faċli minn immaġni nnifisha minflok ma jeħtieġu għarfien tal-parametri tal-kamera bħall-istorbju tal-qari, jew it-tnejn. Sfortunatament, x'aktarx li kull wieħed minn dawn il-metodi mhux korrett, u jwassal għal riżultati mgħawġa u mhux ta' għajnuna. Huwa rakkomandat ħafna li l-ekwazzjonijiet opposti (jew il-verżjoni avvanzata) għandhom jintużaw fil-każijiet kollha.
Xi wħud mill-aktar shortcuts foloz komuni jinkludu:
1. Tqabbil tal-intensità tas-sinjal mal-intensità tal-isfond, f'livelli ta' griż. Dan l-approċċ jipprova jiġġudika s-sensittività tal-kamera, is-saħħa tas-sinjal jew il-proporzjon tas-sinjal għall-istorbju billi jqabbel l-intensità massima mal-intensità tal-isfond. Dan l-approċċ huwa difettuż ħafna peress li l-influwenza tal-ispostament tal-kamera tista' tissettja arbitrarjament l-intensità tal-isfond, il-qligħ jista' tissettja arbitrarjament l-intensità tas-sinjal, u l-ebda kontribuzzjoni tal-istorbju la fis-sinjal u lanqas fl-isfond ma tiġi kkunsidrata.
2. Diviżjoni tal-qċaċet tas-sinjali bid-devjazzjoni standard ta' żona ta' pixels fl-isfond. Jew, tqabbil tal-valuri tal-qċaċet mal-istorbju viżwali fl-isfond żvelat minn profil tal-linja. Jekk nassumu li l-ispostament jitnaqqas b'mod korrett mill-valuri qabel id-diviżjoni, l-aktar periklu sinifikanti f'dan l-approċċ huwa l-preżenza ta' dawl fl-isfond. Kwalunkwe dawl fl-isfond tipikament jiddomina l-istorbju fil-pixels fl-isfond. Barra minn hekk, l-istorbju fis-sinjal ta' interess, bħall-istorbju tal-isparatura, fil-fatt ma jiġix ikkunsidrat xejn.
3. Sinjal medju fil-pixels ta' interess vs devjazzjoni standard tal-valuri tal-pixel: It-tqabbil jew l-osservazzjoni ta' kemm jinbidel sinjal massimu bejn pixels ġirien jew frejms suċċessivi huwa eqreb lejn il-korrezzjoni minn metodi oħra ta' shortcut, iżda mhux probabbli li jevita influwenzi oħra li jgħawġu l-valuri, bħal bidla fis-sinjal li ma tiġix mill-istorbju. Dan il-metodu jista' wkoll ikun impreċiż minħabba għadd baxx ta' pixels fit-tqabbil. It-tnaqqis tal-valur tal-offset m'għandux jintesa wkoll.
4. Kalkolu tal-SNR mingħajr ma tikkonverti għal unitajiet ta' intensità ta' fotoelettroni, jew mingħajr ma tneħħi l-offset: Peress li l-istorbju tal-fotoni huwa tipikament l-akbar sors ta' storbju u jiddependi fuq l-għarfien tal-offset u l-qligħ tal-kamera għall-kejl, mhux possibbli li jiġi evitat il-kalkolu lura għall-fotoelettroni għall-kalkoli tal-SNR.
5. Ġudizzju tal-SNR bl-għajn: Filwaqt li f'xi ċirkostanzi l-ġudizzju jew it-tqabbil tal-SNR bl-għajn jista' jkun utli, hemm ukoll nases mhux mistennija. Il-ġudizzju tal-SNR f'pixels ta' valur għoli jista' jkun aktar diffiċli milli f'pixels ta' valur aktar baxx jew fl-isfond. Effetti aktar sottili jistgħu wkoll ikollhom rwol: Pereżempju, monitors tal-kompjuter differenti jistgħu jirrendu immaġni b'kuntrast differenti ħafna. Barra minn hekk, il-wiri ta' immaġni f'livelli ta' zoom differenti fis-softwer jista' jinfluwenza b'mod sinifikanti d-dehra viżwali tal-istorbju. Dan huwa problematiku speċjalment jekk wieħed jipprova jqabbel kameras b'daqsijiet differenti ta' pixels fl-ispazju tal-oġġett. Fl-aħħar nett, il-preżenza ta' dawl fl-isfond tista' tħassar kwalunkwe tentattiv biex jiġi ġġudikat l-SNR viżwalment.
Applikazzjonijiet ta' SNR
L-SNR hija metrika universali b'applikazzjonijiet wiesgħa:
● Reġistrazzjoni tal-Awdjo u l-Mużika: Tiddetermina ċ-ċarezza, il-firxa dinamika, u l-fedeltà tar-reġistrazzjonijiet.
● Komunikazzjoni mingħajr fili: L-SNR hija relatata direttament mar-rati ta' żbalji fil-bits (BER) u l-fluss tad-dejta.
● Immaġini Xjentifiċi: Fl-astronomija, l-iskoperta ta' stilel dgħajfa kontra dawl tas-sema fl-isfond teħtieġ SNR għolja.
● Tagħmir Mediku: L-ECG, l-MRI, u s-CT scans jiddependu fuq SNR għoli biex jiddistingwu s-sinjali mill-istorbju fiżjoloġiku.
● Kameras u Fotografija: Il-kameras tal-konsumatur u s-sensuri CMOS xjentifiċi t-tnejn jużaw l-SNR biex iqabblu l-prestazzjoni f'dawl baxx.
Titjib tal-SNR
Peress li l-SNR hija miżura daqshekk kritika, isir sforz sinifikanti biex tittejjeb. L-istrateġiji jinkludu:
Approċċi tal-Ħardwer
● Uża sensuri aħjar b'kurrent tad-dlam aktar baxx.
● Applika lqugħ u ertjar biex tnaqqas l-EMI.
● Kessaħ id-ditekters biex jrażżan l-istorbju termali.
Approċċi tas-Softwer
● Applika filtri diġitali biex tneħħi frekwenzi mhux mixtieqa.
● Uża l-medja fuq diversi frejms.
● Uża algoritmi għat-tnaqqis tal-istorbju fl-ipproċessar tal-immaġini jew tal-awdjo.
Pixel Binning u l-Effett tiegħu fuq l-SNR
L-effett tal-binning fuq il-proporzjon sinjal-ħoss jiddependi mit-teknoloġija tal-kamera u l-imġiba tas-sensur, billi l-prestazzjoni tal-ħoss tal-kameras binned u mhux binned tista' tvarja b'mod sinifikanti.
Il-kameras tas-CCD jistgħu jiġbru l-ċarġ tal-pixels biswit xulxin 'on-chip'. L-istorbju tal-qari jiġi ġġarrab darba biss, għalkemm is-sinjal tal-kurrent tad-dlam minn kull pixel jiġi miġbur ukoll.
Il-biċċa l-kbira tal-kameras CMOS iwettqu binning off-chip, jiġifieri l-valuri l-ewwel jitkejlu (u jiġi introdott l-istorbju tal-qari), u mbagħad jiġu sommati diġitalment. L-istorbju tal-qari għal dawn is-sommazzjonijiet jiżdied permezz tal-multiplikazzjoni bl-għerq kwadrat tan-numru ta' pixels magħduda, jiġifieri b'fattur ta' 2 għal binning 2x2.
Billi l-imġiba tal-istorbju tas-sensuri tista' tkun ikkumplikata, għal applikazzjonijiet kwantitattivi huwa rakkomandabbli li jitkejlu l-offset, il-gain, u l-istorbju tal-qari tal-kamera fil-modalità binned, u jintużaw dawn il-valuri għall-ekwazzjoni tal-proporzjon sinjal-storbju.
Konklużjoni
Il-proporzjon tas-sinjal għall-ħoss (SNR) huwa wieħed mill-aktar metriċi importanti fix-xjenza, l-inġinerija, u t-teknoloġija. Mid-definizzjoni taċ-ċarezza fit-telefonati sal-abilitazzjoni tad-detezzjoni ta' galassji 'l bogħod, l-SNR huwa l-bażi tal-kwalità tas-sistemi ta' kejl u komunikazzjoni. Il-ħakma tal-SNR mhix biss dwar il-memorizzazzjoni ta' formuli — hija dwar il-fehim tas-suppożizzjonijiet, il-limitazzjonijiet, u l-kompromessi tad-dinja reali. Minn din il-perspettiva, l-inġiniera u r-riċerkaturi jistgħu jagħmlu kejl aktar affidabbli u jiddisinjaw sistemi li jiġbdu għarfien sinifikanti anke f'kundizzjonijiet storbjużi.
Trid titgħallem aktar? Agħti ħarsa lejn artikli relatati:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Id-drittijiet kollha riżervati. Meta tikkwota, jekk jogħġbok agħraf is-sors:www.tucsen.com
