[ DSNU ] – Czym jest nierównomierność sygnału ciemnego (DSNU)?

DSNU odnosi się do zmienności sygnału tła obrazu z kamery, gdy na matrycę nie pada żadne światło (ani fotony). Wskazuje on, jak bardzo różnią się przesunięcia pikseli na matrycy podczas rejestrowania obrazu w całkowitej ciemności.

DSNU staje się szczególnie ważny w obrazowaniu przy słabym oświetleniu, gdzie kamera generuje ciemny lub przesunięty obraz przy braku światła. W takich przypadkach wartość przesunięcia pikseli może się zmieniać, a DSNU staje się istotny, zwłaszcza gdy jest porównywalny lub większy od szumu odczytu kamery (zwykle 1-3e-).

 

1. Dlaczego DSNU ma znaczenie w obrazowaniu

 

1) Obrazowanie przy słabym oświetleniu:

 

W przypadku braku światła, matryca aparatu generuje sygnał, który nie jest zerowy, lecz zazwyczaj jest wartością przesunięcia (np. 100 poziomów szarości). Na to przesunięcie wpływa szum elektroniczny aparatu, ale wartości przesunięcia mogą się różnić między pikselami. Ta zmienność wartości przesunięcia pikseli nazywana jest szumem wzorcowym o stałym wzorze, który powstaje z powodu niespójności ciemnego sygnału matrycy w różnych pikselach.

 

2) Stały szum wzorcowy:

 

DSNU kwantyfikuje niezależną od czasu zmienność tych wartości przesunięcia. Stanowi miarę spójności sygnału ciemnego czujnika w różnych pikselach.

 

2. DSNU i jakość obrazu

 

1) Standardowe wartości DSNU:

 

W przypadku większości kamer obrazujących przy słabym oświetleniu wartości DSNU są zwykle niższe niż 0,5e- (elektronów), co oznacza, że ​​w warunkach średniego lub mocnego oświetlenia wpływ DSNU na szum jest nieistotny.

 

2) Wpływ na jakość obrazu:

 

W przypadku obrazów o dużej liczbie fotonów (np. setek lub tysięcy fotonów na piksel) DSNU ma minimalny wpływ. W zastosowaniach o słabym oświetleniu DSNU pozostaje istotny, gdy jest porównywalny lub przewyższa szum odczytu kamery (zwykle 1-3e-), co może wpływać na jakość obrazu.

 

3. Ograniczenia DSNU:

 

DSNU (Dark Signal Non-Uniformity) to narzędzie służące do ilościowego określania szumu o ustalonym wzorze. Nie obejmuje ono jednak wszystkich typów szumu o ustalonym wzorze, takich jak szum strukturalny (Fixed Pattern Noise) i szum ciemny zależny od czasu (Temporal Dark Noise).

 

1) Wzory strukturalne i szum kolumnowy:

 

Szum strukturalny, w szczególności szum kolumnowy, to rodzaj szumu o ustalonym wzorze, który występuje, gdy określone piksele lub grupy pikseli wykazują systematyczne różnice w swoim ciemnym sygnale (przesunięcia), zazwyczaj ułożone wzdłuż określonych kolumn lub wierszy. Szum ten pojawia się w postaci uporządkowanego wzoru, a nie losowych fluktuacji.

 

2) Zmiany zależne od czasu:

 

Szum zależny od czasu odnosi się do zmian w ciemnym sygnale czujnika w czasie, spowodowanych czynnikami takimi jak wahania temperatury, niestabilność elektroniczna lub starzenie się czujnika. Zmiany te powodują wahania wartości przesunięcia pikseli w kolejnych ekspozycjach. DSNU mierzy szum niezależny od czasu, co oznacza, że ​​nie uwzględnia tych zmian wartości przesunięcia w czasie. Aby zaobserwować zmiany zależne od czasu, wymagana jest sekwencja obrazów z przesunięciem (obrazów wykonanych bez światła) uchwyconych w czasie, aby wykryć te wahania.

 

4. DSNU w zastosowaniach praktycznych

 

W przypadku obrazowania w warunkach silnego światła wpływ DSNU jest nieistotny, ponieważ sygnał fotonowy jest znacznie silniejszy niż jakakolwiek zmiana sygnału w ciemności.

 

W zastosowaniach takich jak obrazowanie pojedynczych cząsteczek, obrazowanie kwantowe i obserwacje astronomiczne, kamery muszą rejestrować niezwykle słabe sygnały świetlne. Sygnały te zazwyczaj znajdują się na poziomie 1-3 elektronów (e-) lub nawet niższym, więc każdy dodatkowy szum (taki jak DSNU) może wpłynąć na jakość końcowego obrazu i obniżyć stosunek sygnału do szumu (SNR). Właśnie dlatego nowoczesne kamery naukowe o wysokiej czułości posiadają funkcje korekcji DSNU. Im niższa wartość DSNU, tym wyższa dokładność ilościowa.

 

Współczesna inspekcja przemysłowa wymaga coraz większej precyzji, szczególnie w przemyśle półprzewodników, gdzie wymagania ilościowe dotyczące sygnałów defektów są porównywalne z wymaganiami w naukowych zastosowaniach obrazowania w słabym oświetleniu. DSNU (nierównomierność sygnału ciemnego) jest w tym kontekście równie ważna. Artykuł „Dlaczego korekta DSNU/PRNU ma znaczenie w inspekcji półprzewodników„zawiera bardzo szczegółowe wyjaśnienie.