[DSNU] – Что такое неравномерность темного сигнала (DSNU)?

DSNU обозначает изменение фонового сигнала изображения, полученного камерой, когда на сенсор не падает свет (или фотоны). Он показывает, насколько сильно изменяются смещения пикселей по всему сенсору при съемке изображения в полной темноте.

DSNU приобретает особое значение при съемке в условиях низкой освещенности, когда камера создает темное или смещенное изображение в отсутствие света. В таких случаях значение смещения пикселей может меняться, и DSNU становится важным, особенно когда оно сопоставимо или превышает шум считывания камеры (обычно 1-3e-).

 

1. Почему DSNU важен в визуализации

 

1) Съемка в условиях низкой освещенности:

 

В отсутствие света сенсор камеры генерирует сигнал, который не равен нулю, а обычно представляет собой смещение (например, 100 уровней серого). На это смещение влияет электронный шум камеры, но значения смещения могут варьироваться от пикселя к пикселю. Это изменение значений смещения пикселей называется фиксированным шумом, который возникает из-за непоследовательности темного сигнала сенсора по пикселям.

 

2) Шум с фиксированным шаблоном:

 

DSNU количественно оценивает не зависящие от времени изменения этих значений смещения. Он позволяет измерить, насколько стабилен темновой сигнал датчика в разных пикселях.

 

2. DSNU и качество изображения

 

1) Стандартные значения DSNU:

 

Для большинства камер, предназначенных для съемки в условиях низкой освещенности, значения DSNU обычно ниже 0,5e- (электронов), что означает, что в условиях средней или высокой освещенности вклад DSNU в шум незначителен.

 

2) Влияние на качество изображения:

 

Для изображений с большим количеством фотонов (например, сотни или тысячи фотонов на пиксель) влияние DSNU минимально. В условиях низкой освещенности DSNU остается значительным, если оно сопоставимо или превышает шум считывания камеры (обычно 1-3e-), что может повлиять на качество изображения.

 

3. Ограничения DSNU:

 

DSNU (Dark Signal Non-Uniformity) — это инструмент, используемый для количественной оценки шума с фиксированным шаблоном, но он не охватывает все типы шума с фиксированным шаблоном, такие как структурированный шум (Fixed Pattern Noise) и зависящий от времени темный шум (Temporal Dark Noise).

 

1) Структурированные паттерны и шум в столбцах:

 

Структурированный шум, в частности столбцовый шум, представляет собой тип шума с фиксированным рисунком, который возникает, когда определенные пиксели или группы пикселей демонстрируют систематические различия в своем темном сигнале (смещениях), обычно выровненные вдоль определенных столбцов или строк. Этот шум проявляется в виде структурированного рисунка, а не случайных флуктуаций.

 

2) Зависимые от времени вариации:

 

Временной шум — это вариации темновой составляющей сигнала сенсора во времени, вызванные такими факторами, как колебания температуры, электронная нестабильность или старение сенсора. Эти вариации приводят к колебаниям значений смещения пикселей от одной экспозиции к другой. DSNU измеряет независимый от времени шум, то есть не учитывает эти изменения значений смещения во времени. Для наблюдения временных вариаций необходима последовательность изображений смещения (изображений, полученных без освещения), захваченных в течение определенного времени, чтобы обнаружить эти флуктуации.

 

4. ДСНУ в практическом применении

 

При съемке в условиях высокой освещенности эффект DSNU незначителен, поскольку фотонный сигнал намного сильнее любого изменения темновой составляющей.

 

Для таких приложений, как визуализация отдельных молекул, квантовая визуализация и астрономические наблюдения, требуются камеры, способные регистрировать чрезвычайно слабые световые сигналы. Эти сигналы обычно находятся на уровне 1-3 электронов (e-) или даже ниже, поэтому любой дополнительный шум (например, DSNU) может повлиять на качество конечного изображения и снизить отношение сигнал/шум (SNR). Именно поэтому современные высокочувствительные научные камеры обладают возможностями коррекции DSNU. Чем ниже значение DSNU, тем выше количественная точность.

 

Современный промышленный контроль требует постоянно возрастающей точности, особенно в полупроводниковой промышленности, где количественные требования к сигналам дефектов сопоставимы с требованиями в научных приложениях визуализации при слабом освещении. В этом контексте одинаково важна и неравномерность темного сигнала (DSNU). Статья "Почему коррекция DSNU/PRNU важна при контроле полупроводниковых компонентов«Предоставляет очень подробное объяснение».