Настройки усиления CMOS и sCMOS камер: от основ до ручного и автоматического режимов

При работе с передовыми системами обработки изображений, такими как CMOS и sCMOS камеры, немногие настройки оказывают такое же существенное влияние, как усиление. Усиление определяет, как сигналы с сенсора усиливаются перед преобразованием в цифровые значения, напрямую влияя на яркость, шум и динамический диапазон. Тем не менее, многие пользователи сталкиваются с заблуждениями относительно того, что на самом деле делает усиление, когда следует использовать ручное, а когда автоматическое усиление, и как оптимизировать его для своих задач.

В этом руководстве представлено понятное и практичное объяснение того, что такое усиление, распространенных заблуждений, как оно влияет на качество изображения и как правильно его установить.

Что такое выигрыш?

Коэффициент усиления системы камеры — это отношение отображаемых уровней серого к обнаруженным фотоэлектронам, измеряемое в уровнях серого на электрон. Иногда указывается обратное значение — в электронах на уровень серого — но оба показателя описывают одну и ту же зависимость.

Точное значение коэффициента усиления (или диапазон значений) задается разработчиками камер с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), усилителей и конденсаторов в архитектуре считывания. Это определяет, сколько уровней серого будет представлено для каждого фотоэлектрона, помимо смещения базовой линии. Коэффициент усиления также определяет, какая часть физической емкости полного заряда камеры используется в пределах доступной битовой глубины различных режимов.

●Низкий коэффициент усиления: создает более темное, но чистое изображение с более широким динамическим диапазоном.
●Высокий коэффициент усиления: осветляет изображение, но вносит больше шума и уменьшает динамический диапазон.

Рисунок 1Влияние изменения значения коэффициента усиления:

В зависимости от значения коэффициента усиления, один и тот же сигнал в фотоэлектронах может приводить к значительно различающимся значениям уровня серого. Без знания значения коэффициента усиления измерение уровня серого не имеет смысла.

Таким образом, коэффициент усиления определяет «шаг» измерения интенсивности сигнала — точность, с которой подсчет фотоэлектронов осуществляется в цифровом виде. Простая аналогия — это звук: увеличение громкости усиливает как музыку, так и фоновый шум. Аналогично, в камерах увеличение коэффициента усиления усиливает как сигнал, так и шум.

ПримечаниеВ потребительской фотографии усиление обозначается как «значение ISO». Этот термин произошел из пленочной фотографии, где ISO измеряло чувствительность пленки. Более высокие значения ISO соответствуют более высокому электронному усилению в цифровых камерах.

Распространенные заблуждения относительно прибыли

Хотя термин «усиление» знаком по аудиотехнике и электронике, его использование в обработке изображений часто приводит к ошибочным предположениям. Недопонимания могут привести к неправильной интерпретации изображений или игнорированию настроек усиления.

1.«Победа — это обман».

Представление о том, что увеличение коэффициента усиления каким-то образом «искусственно усиливает» сигналы, неверно – увеличение коэффициента усиления лишь повышает точность измерения напряжения.

2.«Прибыль в 1 раз означает отсутствие прибыли».

Настройка усиления по умолчанию в камере, где доступно несколько вариантов, по-прежнему представляет собой выбранное значение усиления в уровнях серого на электрон. Сказать «у этой камеры нет усиления» — это все равно что сказать «у этого человека нет роста»! Усиление — это просто измеримое свойство работы камеры.

3.«Более высокое усиление делает сигналы ярче, но и более шумными».

За исключением камер с EMCCD-матрицами, это почти всегда неверно. Более высокие значения усиления, за счет умножения сигнала и шума, могут просто выявить шум, уже присутствующий на изображениях. Хотя на самом деле более высокое усиление обычно снижает шум считывания, и максимальное значение усиления, которое предлагает камера, обычно соответствует минимальному уровню шума.

Как коэффициент усиления влияет на качество изображения

Настройки усиления влияют на три основных аспекта качества изображения:

1.Яркость– Более высокое усиление делает изображения ярче, особенно в условиях недостаточного освещения.
2.Шум– Усиление слабых сигналов также усиливает шум, включая шум считывания и дробовой шум. При высоком коэффициенте усиления изображения могут выглядеть зернистыми.
3.Динамический диапазон– Более высокое усиление уменьшает максимальный диапазон сигналов, которые сенсор может захватить без насыщения. Это ограничивает возможность записи как очень ярких, так и очень слабых деталей на одном изображении.

ДляCMOS-камерыПри высоких настройках усиление может значительно снизить эффективный динамический диапазон.sCMOS-камерыБлагодаря своей двухуровневой архитектуре усиления, они часто обеспечивают более низкий уровень шума при сохранении более широкого динамического диапазона, что делает их идеальными для научной визуализации.

Правильная настройка усиления

Рисунок 2: Правильная настройка усиления

ВершинаИзображения получены с заданными настройками усиления.

НижнийГистограммы интенсивности изображения для верхних снимков.

Коэффициент усиления представляет собой ключевой компромисс в научной визуализации: он определяет, как сбалансировать чувствительность и динамический диапазон.

Увеличение прибыли:

● Снижает уровень шума при считывании, улучшая соотношение сигнал/шум в условиях низкой освещенности.

● Повышает точность квантования для слабых сигналов (больше уровней серого на электрон)

● Повышает контрастность при визуализации слабых структур.

Снижение прибыли:

Увеличивает доступную полную емкость лунки, позволяя улавливать более яркие сигналы без насыщения.

Хотя не все камеры имеют изменяемые настройки усиления, многие из них позволяют найти баланс между режимами с высоким динамическим диапазоном/полной емкостью ячейки и режимами высокой чувствительности.

Общее правилоВыберите максимально возможное значение усиления (наибольшее количество уровней серого на электрон) или значение усиления с наименьшим уровнем шума считывания (если оно отличается), не допуская насыщения пикселей в интересующем вас сигнале. Если некоторые пиксели из-за случайных колебаний шума достигают значения насыщения, то усиление может быть слишком высоким, если данные с этих пикселей имеют важное значение.

ПримечаниеОднако будьте осторожны, поскольку настройки усиления иногда связаны с другими режимами камеры, и изменение режима влияет не только на усиление, но и на глубину цвета, скорость съемки или другие режимы работы камеры.

Ручная или автоматическая регулировка усиления: что лучше использовать?

Аспект	Ручная регулировка усиления	Автоматическая регулировка усиления
Контроль	Полный контроль со стороны пользователя	Камера автоматически настраивается.
Последовательность	Высокий (воспроизводимый на разных наборах данных)	Переменная, может меняться от кадра к кадру.
Простота использования	Требуется опыт.	Просто и быстро
Лучше всего подходит для	Количественные эксперименты, микроскопия, астрономия	Отображение изображения в реальном времени, видеонаблюдение, динамическое освещение

Ручная регулировка усиления предпочтительна для научных приложений, где важны воспроизводимость и количественная точность. Автоматическая регулировка усиления удобна для задач наблюдения или контроля в реальном времени, когда условия освещения меняются.

Как определить выигрышную стоимость вашей камеры

Знание фактического значения коэффициента усиления камеры в уровнях серого на электрон имеет большое значение в научной визуализации и необходимо в некоторых приложениях. Однако практически ни одно программное обеспечение для камер не отображает пользователю значение коэффициента усиления камеры в текущем режиме. Существует ряд потенциальных источников для определения этого значения:

1. Ознакомьтесь со значениями коэффициента усиления для различных режимов камеры, измеренными производителями камер, в сертификационных документах, которые могут прилагаться к камерам.научные камеры.

2. Приблизительные значения можно рассчитать по техническим характеристикам камеры, разделив полную емкость ячейки в каждом режиме (если она указана) на максимальное значение уровня серого (определяемое глубиной цвета), доступное в этом режиме. Однако следует отметить, что значения полной емкости ячейки, указанные в технических характеристиках, иногда могут быть значительно завышены по сравнению с реальными камерами, до 40%. Полная емкость ячейки у каждой камеры будет немного отличаться.

3. Измерьте прирост самостоятельно с помощью теста средней дисперсии.

Настройки усиления в научных приложениях

Ниже приведена таблица с предлагаемой классификацией значений коэффициента усиления и соответствующей полной емкостью ячейки, которую можно использовать для 8-битных, 12-битных или 16-битных значений пикселей.

Примеры значений коэффициента усиления в пределах типичного диапазона.

Таблица 1Примерные значения коэффициента усиления в пределах типичного диапазона, в греях/e-

Примеры значений коэффициента усиления и соответствующего обратного коэффициента усиления (в e-/гре), а также результирующая максимальная полная емкость скважины, которую можно получить при выбранном коэффициенте усиления для заданной глубины бита (при условии отсутствия смещения).

Заключение

Коэффициент усиления — один из наиболее важных и часто неправильно понимаемых параметров в CMOS- и sCMOS-технологиях обработки изображений. Это не волшебный инструмент для повышения чувствительности, и его большее значение не всегда означает лучшее качество. Вместо этого коэффициент усиления представляет собой компромисс между яркостью, шумом и динамическим диапазоном.

●Ручная регулировка усиленияобеспечивает контроль и воспроизводимость, что делает его идеальным для научных и количественных исследований.

●Автоматическая регулировка усиленияПредлагает удобство и адаптивность, хорошо подходит для мониторинга в режиме реального времени и в условиях изменяющейся среды.

Понимая значения усиления вашей камеры, избегая распространенных заблуждений и применяя лучшие практики, вы можете оптимизировать качество изображения, сохраняя при этом научную точность.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между усилением и временем экспозиции?

Увеличение времени экспозиции повышает количество собранных фотонов, улучшая отношение сигнал/шум. Увеличение коэффициента усиления усиливает результирующий сигнал и шум.

Всегда ли более высокое усиление означает больший уровень шума?

Не совсем. Более высокое усиление снижает шум считывания, но усиливает как сигнал, так и шум, делая шум более заметным.

Чем отличается настройка усиления у CMOS- и sCMOS-камер?

Камеры sCMOS часто оснащены двухканальным считыванием с усилением, сочетающим высокую чувствительность и широкий динамический диапазон. В стандартных CMOS-камерах одно может быть заменено другим.

Хотите узнать больше? Ознакомьтесь с похожими статьями:

[Динамический диапазон] – Что такое динамический диапазон?

[Полная загрузка скважины] – Что такое полная загрузка скважины?