13.05.2022Zgomotul de citire este incertitudinea inerentă măsurării electronice a numărului de fotoelectroni detectați de cameră. De obicei, este specificat înelectroni (e⁻ RMS)și depinde de viteza de citire, modul de amplificare/conversie-amplificare, configurația ADC și ROI - deci este comparabilă doar atunci când condițiile se potrivesc.
În scene luminoase,zgomot de împușcăturăde obicei domină, iar zgomotul de citire are un impact redus. În imagistica în lumină slabă - fluorescență slabă, astronomie, lucru cu expunere scurtă și viteză mare - zgomotul de citire poate limita semnificativ raportul semnal-zgomot (SNR) și chiar detectabilitatea.
Acest ghid arată cum se interpretează specificațiile privind zgomotul de citire, când este important, ce setări îl modifică și cum se măsoară în mod fiabil.
Ce este zgomotul de citire?
Zgomotul de citire (adesea numitzgomot de citire) este incertitudinea aleatorie introdusă atunci când o camerăcitește cu voce tareo imagine — adică atunci când sarcina colectată în fiecare pixel este convertită într-o tensiune și apoi digitalizată într-un număr digital (DN). Chiar și cu o optică perfectă și o scenă stabilă, electronica de citire nu este niciodată perfect silențioasă: amplificatoarele, circuitele de resetare și eșantionare, căile de semnal analogic și convertorul analog-digital (ADC) pot contribui la mici fluctuații. Rezultatul este o eroare aleatorie per pixel, per cadru, adăugată la citire.
Figura 1: Citirea imaginii cu zgomot limitat
În acest regim de lumină ultra-scăzută, valorile semnalului sunt comparabile cu zgomotul de citire, ceea ce înseamnă că zgomotul de citire este principalul factor limitator al raportului semnal-zgomot (SNR).
Deoarece senzorul măsoară în cele din urmă lumina caelectroni, zgomotul de citire este cel mai frecvent specificat înelectroni (e⁻), de obicei cae⁻ RMSExprimarea zgomotului în electroni facilitează compararea performanței între setările și modelele camerei. (Dacă porniți de la DN, conversia la e⁻ necesită amplificarea conversiei sistemului,e⁻/DN.) În camerele științifice moderne, zgomotul de citire poate fi foarte redus - adesea la~1–3 e⁻ Nivel RMS în modurile cu zgomot reduspentru imagistica în condiții de lumină slabă - deși valoarea exactă depinde de viteza de citire, modul de amplificare/amplificare a conversiei, configurația ADC, ROI și temperatură.
Valori tipice și de ce variază acestea
Pentru mulțicamere sCMOS, zgomotul de citire a devenit suficient de scăzut încât semnalele foarte mici pot fi măsurate cu o fidelitate bună. Alte tehnologii de senzori și moduri de funcționare pot afișa un zgomot de citire mai mare, în special atunci când sunt optimizate pentru o rată maximă a cadrelor. Consultați Tabelul 1 pentru câteva valori reprezentative. Acesta este motivul pentru care este esențial să comparați zgomotul de citire numai în condiții de testare potrivite (mod, viteză de citire, amplificare, adâncime de biți, ROI etc.).
Tabelul 1: Valori tipice ale zgomotului de citire RMS pentru diferite tehnologii de camere științifice
EMCCD-urile au surse suplimentare de zgomot care le reduc sensibilitatea
** sCMOS de mare viteză, cum ar fiCameră Tucsen Dhyana 2100 sCMOS
*** De mare vitezăCamere CMOSsunt utilizate atât în imagistica științifică, cât și în film pentru capturarea mișcării de mare viteză. Aceste camere nu pot fi utilizate de obicei în imagistica în condiții de lumină slabă din cauza zgomotului ridicat care acoperă semnalele de lumină slabă.
RMS vs. zgomot median de citire (și de ce unele fișe tehnice arată două numere)
În senzorii CMOS/sCMOS, zgomotul de citire poate varia ușor de la pixel la pixel, așa că poate fi util să ne gândim la zgomotul de citire ca la o distribuție, mai degrabă decât la o singură valoare. Unele camere prezintă, de asemenea, o mică „coadă” de pixeli cu zgomot mai mare, unde efecte precum zgomotul telegrafic aleatoriu (RTN) pot fi mai pronunțate.
Pentru a rezuma această distribuție, producătorii pot raporta o valoare mediană (tipică) a zgomotului de citire și, uneori, o valoare RMS suplimentară, mai sensibilă la pixelii cu zgomot mai mare. Definițiile pot varia în funcție de producător, așadar cea mai sigură abordare este să verificați metoda și condițiile de măsurare menționate - în special atunci când comparați camerele sau selectați un mod pentru lucrul în condiții de lumină slabă.
Cum se citesc specificațiile de zgomot?
O valoare a zgomotului de citire este semnificativă doar atunci când este legată de modul în care a fost utilizată camera în timpul măsurătorii. Modul, adâncimea de biți, viteza de citire, amplificarea/câștigul de conversie și ROI pot modifica numărul - așadar, comparați întotdeauna specificațiile în condiții potrivite.
Condițiile de testare contează
Un număr de zgomot citit are sens doar atunci când este legat decondiții de funcționareutilizat pentru măsurare. Aceeași cameră poate raporta valori diferite în funcție de modul de citire și configurație, așadar „mai mic” nu înseamnă automat „mai bun” decât dacă comparați valori similare. Înainte de a compara camerele - sau chiar două moduri de pe aceeași cameră - căutați aceste condiții în tabelul din fișa tehnică, notele de subsol sau graficele de performanță:
●Viteză de citire / rată pixel (kHz–MHz):O citire mai rapidă crește de obicei zgomotul de citire.
Mod de amplificare / conversie-amplificare (de exemplu, HCG/LCG): Modifică e⁻/DN și poate deplasa valoarea zgomotului raportat.
●Calea ADC / adâncimea de biți:Unele camere oferă mai multe moduri ADC care afectează zgomotul și comportamentul de cuantizare.
●ROI și canale de citire:ROI poate schimba modul în care este citit senzorul și poate altera performanța în anumite arhitecturi.
●Temperatură (dacă este menționată):Specificațiile sunt adesea măsurate la o temperatură definită a senzorului; comparați întotdeauna în condiții similare.
Dacă o figură a zgomotului de citire a titlului apare fără context mod/viteză, tratați-o ca incompletă și găsiți tabelul sau graficul detaliat al modurilor.
Tipic vs Max / Median vs RMS: de ce este posibil să vedeți două numere
Din cauza arhitecturilor de citire paralelă,majoritatea senzorilor CMOS/sCMOSprezintă o anumită variație de la pixel la pixel în zgomotul de citire, așa că poate fi util să ne gândim la zgomotul de citire ca la o distribuție, mai degrabă decât la o singură valoare. De aceea, unele fișe de specificații raportează două numere.
A medianValoarea zgomotului de citire indică faptul că 50% dintre pixeli sunt la sau sub această valoare, ceea ce reflectă adesea performanța „tipică”. O valoare suplimentarăRMSFigura (atunci când este furnizată) este mai sensibilă la dispersia distribuției și poate surprinde mai bine influența pixelilor cu zgomot mai mare din coadă. Deoarece definițiile pot varia în funcție de producător, verificați întotdeauna condițiile de măsurare și convenția de raportare menționate.
Senzorii CMOS/sCMOS pot afișavariație de la pixel la pixelîn zgomotul de citire, deci zgomotul de citire este mai bine considerat ca odistribuțiemai degrabă decât o singură valoare. Pentru a rezuma această distribuție, producătorii pot raporta:
●Tipic / Median:O cifră de „pixel tipic” care reprezintă performanța obișnuită în modul respectiv.
●RMS (sau uneori o cifră mai conservatoare):O statistică care poate fi mai sensibilă la pixelii cu zgomot mai mare și reflectă mai bine răspândirea generală.
Nu toți furnizorii folosesc acești termeni exact în același mod, așa că verificați întotdeauna definiția și metoda de măsurare menționate. Dacă aveți dubii, comparați camerele folosind valorile raportate înaceleași statistici și condiții.
Exemple de moduri de cameră (de ce o cameră are mai multe specificații de zgomot de citire)
Pentru a concretiza acest lucru, luați în considerareCameră sCMOS Tucsen Aries 6510 cu sensibilitate maximăÎn fișa sa tehnică, zgomotul de citire este raportat pentru mai multe moduri de citire - deoarece camera poate fi operată la diferite adâncimi de biți și canale de citire, iar fiecare are un prag de zgomot diferit:
Figura 2: Zgomotul de citire al Aries 6510
Cum se interpretează acest lucru: aceste numere nu sunt contradictorii - ele descriudiferite puncte de funcționaredin aceeași cameră. O rețea de date cu viteză mai mare (aici, modul Viteză) prioritizează de obicei debitul și poate afișa un zgomot de citire mai mare, în timp ce rețeaua de date optimizată pentru sensibilitate poate reduce pragul de zgomot de citire. Tocmai de aceea specificațiile privind zgomotul de citire ar trebui întotdeauna citite.împreună cu numele modului și adâncimea de biți indicatăCând comparați camerele (sau comparați o cameră cu o valoare publicată), asigurați-vă că comparațiacelași mod, nu doar cea mai mică cifră din titlu.
Când contează zgomotul de citire?
Zgomotul de citire nu limitează fiecare experiment. Importanța sa se reduce la o întrebare simplă: este zgomotul de citire o parte semnificativă a bugetului total de zgomot la nivelul semnalului cu care lucrați? În condiții de lumină puternică, zgomotul fotonic (foton) domină de obicei. În condiții de semnal scăzut, zgomotul de citire poate deveni termenul care determină raportul semnal-zgomot (SNR) - și uneori dacă structura slabă este vizibilă deloc.
Zgomot de citire vs. zgomot de filmare: o regulă generală rapidă
Zgomotul de împușcătură crește odată cu semnalul√N(unde N este numărul de fotoelectroni detectați). Zgomotul de citire este aproximativconstantă pe pixel pe cadrupentru un mod dat. Aceasta înseamnă:
● LaN ridicat, √N este mare, iar zgomotul de citire contribuie puțin.
● LaN scăzut, √N este mic și zgomotul de citire poate domina.
Un punct de intersecție practic este atunci cândzgomot de împușcătură ≈ zgomot de citire, adică atunci când√N ≈ RAceasta corespunde cuN ≈ R².
De exemplu, dacă un mod areR = 2 e⁻ RMS,Zgomotul de citire devine semnificativ atunci când semnalul este de ordinul câtorva electroni până la câteva zeci de electroni pe pixel (deoarece R2=4). DacăR = 10 e⁻, încrucișarea se deplasează la aproximativ 10² = 100 electroni pe pixel.
Un exemplu concret de raport semnal-zgomot (SNR) (de ce este neglijabil în scenele luminoase)
Să presupunem că un pixel conține2.000 de eurode semnal. Zgomotul de împușcătură este√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Dacă zgomotul de citire este10 e⁻, zgomotul total (RMS) este:
Deci raportul semnal-zgomot (SNR) se modifică de la 2000/44,7≈44,7 la 2000/45,8≈43,7 — o diferență mică. Cu alte cuvinte, la niveluri ridicate ale semnalului, reducerea zgomotului de citire rareori modifică ceea ce puteți vedea.
În scenele cu lumină puternică, unde fiecare pixel colectează mii de fotoelectroni, zgomotul de citire devine un termen mic în bugetul total de zgomot. De exemplu, la un semnal de 2.000 e⁻, adăugarea a 10 e⁻ de zgomot de citire modifică raportul semnal-zgomot (SNR) cu doar câteva procente - adesea imperceptibil - în timp ce la zeci de electroni pe pixel, zgomotul de citire poate limita semnificativ SNR-ul și detaliile vizibile.
Când zgomotul de citire devine un limitator real
Zgomotul de citire contează cel mai mult atunci când experimentul este limitat de semnal per cadru - ceea ce înseamnă că fiecare pixel colectează doar un număr mic de fotoelectroni într-o singură expunere. În acest regim, zgomotul de citire poate domina bugetul de zgomot, poate reduce semnalul semnal-zgomot (SNR) și poate ascunde structura slabă.
Indicii comune pentru aplicații includ:
●Fluorescență slabă / densitate de marcare scăzută, în special cu expuneri scurte sau cu time-lapse rapid
●Fluorescență cu o singură moleculăși super-rezoluție bazată pe localizare, unde semnalele pot fi doar câțiva fotoni per emițător per cadru
●Imagistica prin chemoluminescență, unde bugetele fotonice sunt în mod inerent scăzute și zgomotul de citire poate domina
●Imagistică funcțională de mare viteză (tensiune/potențial de membrană, imagistică rapidă a calciului), unde expunerile scurte reduc numărul de fotoni per cadru
●Fluxuri de lucru imagistice cu deficit de fotoni(de exemplu, rame foarte închise la culoare, chiar dacă intenționați să suprapuneți/să calculați media mai târziu)
Ca o verificare practică: dacă semnalul tipic per pixel este însute până la mii de electroniper cadru, zgomotul de citire este rareori dominant. Dacă este înzeci de electroni sau mai puțin, zgomotul de citire și alegerea modului pot influența puternic calitatea imaginii.
Concluzie
Zgomotul de citire este un termen dependent de mod, limitat de lanțul de citire - așadar, singurele comparații semnificative se fac în condiții potrivite (mod, viteză de citire, câștig/câștig de conversie, ADC/adâncime de biți, ROI). În scenele luminoase este adesea neglijabil, dar în imagistica cu semnal scăzut poate limita semnificativ raportul semnal-zgomot (SNR) și detectabilitatea.
Dacă doriți o recomandare pentru experimentul dvs., ne puteți trimite detaliile aplicației (nivelul semnalului, timpul de expunere, rata de cadre, lungimea de undă și semnalul sonor (SNR) țintă). Specialiștii noștri în imagistică vă pot sugera...Camera Tucsenși cel mai bun mod de citire pentru a echilibra sensibilitatea, viteza și gama dinamică.
