25/08/19Bij het vastleggen van nauwkeurige en betrouwbare beelden in wetenschappelijk onderzoek hangt de kwaliteit van uw data af van meer dan alleen resolutie of sensorgrootte. Een van de belangrijkste – maar soms over het hoofd geziene – meetwaarden is de signaal-ruisverhouding (SNR). In beeldvormingssystemen bepaalt de SNR hoe duidelijk u het daadwerkelijke signaal (nuttige informatie) kunt onderscheiden van ongewenste ruis.
Bij wetenschappelijke beeldvormingstoepassingen zoals microscopie, astronomie en spectroscopie kan een slechte signaal-ruisverhouding (SNR) het verschil betekenen tussen het detecteren van een zwak object en het volledig missen ervan. Dit artikel onderzoekt hoe signaal-ruisverhouding (SNR) wordt gedefinieerd, waarom het belangrijk is, hoe het contrast beïnvloedt en hoe je een wetenschappelijke camera selecteert en optimaliseert op basis van deze cruciale maatstaf.
Wat is signaal-ruisverhouding en hoe wordt het gedefinieerd?
De signaal-ruisverhouding (SNR) is de belangrijkste maatstaf voor de beeldkwaliteit. Het is essentieel voor het beeldcontrast en vaak de meest bruikbare bepalende factor om te bepalen of een camera gevoelig genoeg is voor uw toepassing.
Pogingen om de gevoeligheid van camera's te verbeteren, draaien om het verbeteren van het verzamelde signaal:
● Door verbeteringen in de kwantumefficiëntie of een toename van de pixelgrootte
● Het verminderen van camera-afhankelijke ruisbronnen
Ruisbronnen tellen op, maar afhankelijk van de omstandigheden kun je er één domineren. Daarop moet je je richten als je de signaal-ruisverhouding wilt verbeteren. Dat kan door de instellingen of opstelling te optimaliseren of door te upgraden naar betere lichtbronnen, optica en camera's.
Het is gebruikelijk om afbeeldingen te beschrijven in termen van één signaal-ruisverhouding, bijvoorbeeld door te beweren dat een afbeelding een signaal-ruisverhouding van '15' heeft. Zoals de naam al aangeeft, is de signaal-ruisverhouding echter afhankelijk van het signaal, dat natuurlijk voor elke pixel anders is. Dit is wat ons beeld oplevert.
De signaal-ruisverhouding (SNR) van een afbeelding verwijst doorgaans naar de signaal-ruisverhouding (SNR) van het pieksignaal van interesse in de afbeelding. De signaal-ruisverhouding (SNR) van een afbeelding van fluorescerende cellen op een donkere achtergrond zou bijvoorbeeld de pieksignaalintensiteit van de pixels van een interessante structuur in de cel gebruiken.
Het is niet representatief om bijvoorbeeld een gemiddelde waarde voor de signaal-ruisverhouding (SNR) van de hele afbeelding te nemen. Bij technieken zoals fluorescentiemicroscopie, waar een donkere achtergrond met nul gedetecteerde fotonen vaak voorkomt, hebben deze nulsignaalpixels een signaal-ruisverhouding van nul. Een gemiddelde over een afbeelding is daarom afhankelijk van het aantal pixels op de achtergrond dat zichtbaar is.
Waarom signaal-ruisverhouding (SNR) belangrijk is voor wetenschappelijke camera's
Bij wetenschappelijke beeldvorming heeft signaal-ruisverhouding (SNR) rechtstreeks invloed op hoe goed u zwakke details kunt identificeren, kwantitatieve gegevens kunt meten en resultaten kunt reproduceren.
●Beeldhelderheid– Een hogere SNR vermindert de korreligheid en maakt fijne structuren zichtbaar.
●Gegevensnauwkeurigheid– Vermindert meetfouten bij intensiteitsgebaseerde experimenten.
●Prestaties bij weinig licht– Essentieel voor fluorescentiemicroscopie, deep-sky astrofotografie en spectroscopie, waar het aantal fotonen van nature laag is.
Of u nu eensCMOS-cameravoor snelle beeldvorming of een gekoelde CCD voor toepassingen met lange belichtingstijden: inzicht in signaal-ruisverhouding (SNR) helpt u bij het afwegen van prestatieafwegingen.
Hoe signaal-ruisverhouding (SNR) het beeldcontrast beïnvloedt
Contrast is het relatieve verschil in intensiteit tussen lichte en donkere delen van een afbeelding. Voor veel toepassingen is een goed beeldcontrast binnen de relevante gebieden het ultieme doel.
Er zijn veel factoren binnen het onderwerp van de foto, het optische systeem en de beeldomstandigheden die de primaire bepalende factoren zijn voor het beeldcontrast, zoals de kwaliteit van de lens en de hoeveelheid achtergrondlicht.
●Hoge signaal-ruisverhouding→ Duidelijke scheiding tussen lichte en donkere gebieden; randen lijken scherp; subtiele details blijven zichtbaar.
●Lage signaal-ruisverhouding→ Donkere gebieden worden lichter door ruis, heldere gebieden worden donkerder en het algehele beeldcontrast wordt vlakker.
In fluorescentiemicroscopie kan een lage signaal-ruisverhouding er bijvoorbeeld voor zorgen dat een zwak fluorescerend monster opgaat in de achtergrond, waardoor kwantitatieve analyse onbetrouwbaar wordt. In de astronomie kunnen zwakke sterren of sterrenstelsels volledig verdwijnen in ruisige data.
Er spelen echter ook factoren binnen de camera zelf – de belangrijkste factor is de signaal-ruisverhouding. Verder, en vooral bij weinig licht, speelt de schaal van de beeldintensiteit, de manier waarop het beeld op de monitor wordt weergegeven, een grote rol in het waargenomen beeldcontrast. Bij veel ruis in donkere delen van het beeld kunnen automatische beeldschaalalgoritmen hun ondergrens te laag instellen door pixels met lage ruiswaarde, terwijl de bovengrens juist wordt verhoogd door ruis in pixels met een hoog signaal. Dit is de oorzaak van de karakteristieke 'vervaagde' grijze weergave van beelden met een lage signaal-ruisverhouding. Een beter contrast kan worden verkregen door de ondergrens in te stellen op de offset van de camera.
Factoren die de signaal-ruisverhouding (SNR) in wetenschappelijke camera's beïnvloeden
Verschillende ontwerp- en operationele parameters beïnvloeden de signaal-ruisverhouding van een camerasysteem:
Sensortechnologie
● sCMOS – Combineert lage leesruis en hoge framesnelheden, ideaal voor dynamische beeldvorming.
● CCD – Biedt historisch gezien weinig ruis bij lange belichtingen, maar langzamer dan moderne CMOS-ontwerpen.
● EMCCD – Gebruikt versterking op de chip om zwakke signalen te versterken, maar kan multiplicatieve ruis introduceren.
Pixelgrootte en vulfactor
Grotere pixels verzamelen meer fotonen, waardoor het signaal en dus de signaal-ruisverhouding (SNR) toeneemt.
Kwantumefficiëntie (QE)
Een hogere QE betekent dat meer binnenkomende fotonen worden omgezet in elektronen, waardoor de signaal-ruisverhouding verbetert.
Blootstellingstijd
Bij langere belichtingen worden meer fotonen verzameld, waardoor het signaal sterker wordt. Er kan echter ook meer donkerstroomruis optreden.
Koelsystemen
Door koeling wordt de donkerstroom verminderd, waardoor de signaal-ruisverhouding bij lange belichtingstijden aanzienlijk verbetert.
Optica en verlichting
Hoogwaardige lenzen en stabiele verlichting maximaliseren de signaalopname en minimaliseren de variabiliteit.
Voorbeelden van verschillende piek-SNR-waarden
In de beeldvorming verwijst PSNR vaak naar een theoretisch maximum ten opzichte van de pixelverzadiging. Ondanks verschillen in onderwerpen, beeldomstandigheden en cameratechnologie kunnen beelden met dezelfde signaal-ruisverhouding bij conventionele wetenschappelijke camera's overeenkomsten vertonen. De mate van 'korreligheid', de variatie van frame tot frame en tot op zekere hoogte het contrast kunnen onder deze verschillende omstandigheden vergelijkbaar zijn. Daarom is het mogelijk om inzicht te krijgen in signaal-ruisverhoudingwaarden en de verschillende omstandigheden en uitdagingen die deze met zich meebrengen aan de hand van representatieve beelden, zoals die in de tabel.
OPMERKING: De pieksignaalwaarden in foto-elektronen voor elke rij worden in blauw weergegeven. Alle afbeeldingen worden weergegeven met automatische histogramschaling, waarbij 0,35% van de helderste en donkerste pixels wordt genegeerd (verzadigt). De twee beeldkolommen links: Lensgebaseerde beeldvorming van een beeldvormend testdoel. De vier kolommen rechts: Ascaris vastgelegd in fluorescentie met een 10x microscoopobjectief. Om de variaties in pixelwaarden van frame tot frame bij een lagere signaal-ruisverhouding te illustreren, worden drie opeenvolgende frames weergegeven.
Een lensgebaseerde afbeelding van een testdoelwit en een fluorescentiemicroscopie-afbeelding worden beide getoond, samen met een ingezoomde weergave van de fluorescentie-afbeelding die de variatie binnen drie opeenvolgende frames laat zien. Het piekaantal foto-elektronen bij elk signaalniveau wordt ook weergegeven.
De onderstaande afbeelding toont de volledige versies van deze voorbeeldafbeeldingen ter referentie.
Tabel met voorbeelden van afbeeldingen op ware grootte die worden gebruikt voor de signaal-ruisverhouding
Links: Een beeldvormend testdoelwit gefotografeerd met een lens.
Rechts: Een monster van een Ascaris-nematodewormsectie bekeken met fluorescentiemicroscopie bij een vergroting van 10x.
SNR in toepassingen
SNR is van cruciaal belang op verschillende gebieden:
● Microscopie – Voor het detecteren van zwakke fluorescentie in biologische monsters is een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) nodig om vals-negatieven te voorkomen.
● Astronomie – Het identificeren van verre sterrenstelsels of exoplaneten vereist lange belichtingstijden met minimale ruis.
● Spectroscopie – Hoge signaal-ruisverhouding (SNR) zorgt voor nauwkeurige piekintensiteitsmetingen bij chemische analyses.
● Industriële inspectie – In assemblagelijnen met weinig licht helpt een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) defecten betrouwbaar te detecteren.
Een wetenschappelijke camera met de juiste signaal-ruisverhouding kiezen
Bij het evalueren van een nieuwe wetenschappelijke camera:
●Controleer SNR-specificaties– Vergelijk dB-waarden onder vergelijkbare omstandigheden als uw toepassing.
●Saldo overige statistieken– Houd rekening met kwantumrendement, dynamisch bereik en framesnelheid.
●Technologie afstemmen op use case– Voor dynamische scènes met hoge snelheid kan een sCMOS-camera ideaal zijn; voor statische onderwerpen met zeer weinig licht presteert een gekoelde CCD of EMCCD mogelijk beter.
●Connectiviteit voor workflow-efficiëntie– Hoewel ze de signaal-ruisverhouding niet rechtstreeks beïnvloeden, kunnen functies zoals HDMI-uitvoer realtime beeldbeoordeling mogelijk maken, zodat u snel kunt controleren of uw opname-instellingen de gewenste signaal-ruisverhouding opleveren.
Conclusie
Signaal-ruisverhouding (SNR) is een belangrijke prestatiemaatstaf die direct van invloed is op de helderheid en betrouwbaarheid van wetenschappelijke beelden. Inzicht in hoe SNR wordt gedefinieerd, de factoren die hierop van invloed zijn en de implicaties van verschillende SNR-waarden, stelt onderzoekers en technische gebruikers in staat om beeldvormingssystemen effectiever te evalueren. Door deze kennis toe te passen – of het nu gaat om de selectie van een nieuwewetenschappelijke cameraof door een bestaande opstelling te optimaliseren, kunt u ervoor zorgen dat uw beeldvormingsworkflow gegevens vastlegt met de nauwkeurigheid die vereist is voor uw specifieke toepassing.
Veelgestelde vragen
Wat wordt beschouwd als een "goede" signaal-ruisverhouding (SNR) voor wetenschappelijke camera's?
De ideale signaal-ruisverhouding (SNR) is afhankelijk van de toepassing. Voor zeer veeleisend, kwantitatief werk, zoals fluorescentiemicroscopie of astronomie, wordt over het algemeen een signaal-ruisverhouding boven de 40 dB aanbevolen, omdat dit beelden met minimale zichtbare ruis produceert en fijne details behoudt. Voor algemeen laboratoriumgebruik of industriële inspectie kan 35-40 dB voldoende zijn. Alles onder de 30 dB zal doorgaans zichtbare ruis vertonen en kan de nauwkeurigheid in gevaar brengen, vooral in situaties met weinig contrast.
Hoe beïnvloedt kwantumrendement (QE) de signaal-ruisverhouding?
De kwantumefficiëntie meet hoe effectief een sensor binnenkomende fotonen omzet in elektronen. Een hogere QE betekent dat meer van het beschikbare licht als signaal wordt opgevangen, waardoor de teller in de signaal-ruisverhouding (SNR) wordt versterkt. Dit is vooral belangrijk in situaties met weinig licht, waar elk foton telt. Een sCMOS-camera met een QE van 80% bereikt bijvoorbeeld een hogere signaal-ruisverhouding (SNR) onder identieke omstandigheden dan een sensor met een QE van 50%, simpelweg omdat hij meer bruikbaar signaal opvangt.
Wat is het verschil tussen SNR en Contrast-to-Noise Ratio (CNR)?
Terwijl SNR de algehele signaalsterkte meet ten opzichte van ruis, richt CNR zich op de zichtbaarheid van een specifiek object tegen de achtergrond. Bij wetenschappelijke beeldvorming zijn beide belangrijk: SNR geeft aan hoe "schoon" het beeld over het algemeen is, terwijl CNR bepaalt of een bepaald object van belang voldoende opvalt voor detectie of meting.
Wilt u meer weten? Bekijk dan de gerelateerde artikelen:
Quantum-efficiëntie in wetenschappelijke camera's: een beginnersgids
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden. Vermeld bij het citeren de bron:www.tucsen.com
