13.05.2022Шум считывания — это неопределенность, присущая электронному измерению количества фотоэлектронов, зарегистрированных камерой. Обычно он указывается в...электроны (e⁻ RMS)и зависит от скорости считывания, коэффициента усиления/режима преобразования усиления, конфигурации АЦП и области интереса — поэтому сравнение возможно только при совпадении условий.
В ярких сценах,звук выстрелаОбычно преобладает шум считывания, и он оказывает незначительное влияние. В условиях низкой освещенности — слабая флуоресценция, астрономия, работа с короткой выдержкой и высокой скоростью — шум считывания может существенно ограничивать отношение сигнал/шум и даже обнаруживаемость.
В этом руководстве показано, как интерпретировать характеристики шума считывания, когда это важно, какие настройки влияют на него и как надежно его измерить.
Что такое шум считывания?
Шум считывания (часто называемыйшум чтения) — это случайная неопределенность, вносимая при работе камеры.читает вслухИзображение — то есть, когда заряд, собранный в каждом пикселе, преобразуется в напряжение, а затем оцифровывается в цифровое число (DN). Даже при идеальной оптике и стабильной сцене электроника считывания никогда не бывает абсолютно бесшумной: усилители, схемы сброса и выборки, аналоговые сигнальные тракты и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) могут вносить небольшие колебания. В результате на этапе считывания добавляется случайная ошибка для каждого пикселя и каждого кадра.
Рисунок 1: Изображение с ограничением по уровню шума при чтении.
В условиях сверхнизкой освещенности значения сигнала сопоставимы с шумом считывания, а это значит, что шум считывания является основным ограничивающим фактором отношения сигнал/шум.
Поскольку датчик в конечном итоге измеряет свет какэлектроныШум считывания чаще всего указывается вэлектроны (e⁻)обычно какe⁻ RMSВыражение шума в электронах упрощает сравнение характеристик камер с различными настройками и моделями. (Если вы начинаете с DN, преобразование в e⁻ требует коэффициента усиления системы.)e⁻/DNВ современных научных камерах уровень шума считывания может быть очень низким — часто на уровне~1–3 e⁻ среднеквадратичного уровня в режимах с низким уровнем шумадля съемки в условиях низкой освещенности — хотя точное значение зависит от скорости считывания, усиления/режима преобразования усиления, конфигурации АЦП, области интереса и температуры.
Типичные значения и причины их различий
Для многихsCMOS-камерыУровень шума считывания снизился настолько, что очень слабые сигналы можно измерять с высокой точностью. Другие сенсорные технологии и режимы работы могут демонстрировать более высокий уровень шума считывания, особенно при оптимизации для максимальной частоты кадров. См. Таблицу 1 для некоторых репрезентативных значений. Именно поэтому важно сравнивать уровень шума считывания только в одинаковых условиях тестирования (режим, скорость считывания, усиление, битовая глубина, область интереса и т. д.).
Таблица 1: Типичные значения среднеквадратичного шума считывания для различных технологий научных камер.
* В ЭМЗС-матрицах присутствуют дополнительные источники шума, которые снижают их чувствительность.
** Высокоскоростные sCMOS-технологии, такие какsCMOS-камера Tucsen Dhyana 2100
*** ВысокоскоростнойCMOS-камерыОни используются как в научной визуализации, так и в кинопроизводстве для высокоскоростной съемки движения. Эти камеры, как правило, не могут использоваться для съемки в условиях низкой освещенности из-за высокого уровня шума, заглушающего сигналы при слабом освещении.
Среднеквадратичное значение шума считывания против медианного значения (и почему в некоторых технических характеристиках указываются два числа)
В CMOS/sCMOS-сенсорах шум считывания может незначительно варьироваться от пикселя к пикселю, поэтому полезно рассматривать шум считывания как распределение, а не как одно значение. Некоторые камеры также демонстрируют небольшой «хвост» пикселей с более высоким уровнем шума, где такие эффекты, как случайный телеграфный шум (RTN), могут быть более выраженными.
Вкратце, производители могут указывать медианное (типичное) значение шума считывания, а иногда и дополнительное значение среднеквадратичного отклонения (RMS), которое более чувствительно к пикселям с высоким уровнем шума. Определения могут различаться у разных производителей, поэтому наиболее безопасный подход — проверить заявленный метод и условия измерения, особенно при сравнении камер или выборе режима для работы в условиях низкой освещенности.
Как читать технические характеристики шума считывания?
Значение шума считывания имеет смысл только в том случае, если оно связано с тем, как камера работала во время измерения. Режим, битовая глубина, скорость считывания, коэффициент усиления/преобразования и область интереса — все это может повлиять на значение, поэтому всегда сравнивайте характеристики в одинаковых условиях.
Условия тестирования имеют значение.
Показатель шума считывания имеет смысл только тогда, когда он связан сусловия эксплуатациииспользуется для измерения. Одна и та же камера может выдавать разные значения в зависимости от режима считывания и конфигурации, поэтому «меньшее» значение не означает автоматически «лучшее», если вы не сравниваете сопоставимые параметры. Прежде чем сравнивать камеры — или даже два режима на одной и той же камере — проверьте наличие этих условий в таблице технических характеристик, сносках или графиках производительности:
●Скорость считывания / частота пикселей (кГц–МГц):Более высокая скорость считывания обычно увеличивает шум считывания.
Режим усиления/преобразования усиления (например, HCG/LCG): изменяет e⁻/DN и может сдвигать сообщаемое значение шума.
●Путь АЦП / разрядность:Некоторые камеры предлагают несколько режимов АЦП, которые влияют на уровень шума и поведение квантования.
●ROI и каналы получения результатов:Область интереса (ROI) может изменить способ считывания данных с датчика и повлиять на производительность в некоторых архитектурах.
●Температура (если указана):Технические характеристики обычно измеряются при заданной температуре датчика; всегда сравнивайте их в аналогичных условиях.
Если в заголовке отображается показатель шума считывания без контекста режима/скорости, считайте его неполным и найдите подробную таблицу или график режимов.
Типичное значение против максимального / Медианное значение против среднеквадратичного отклонения: почему вы можете видеть два разных числа
Благодаря архитектурам параллельного считывания,большинство CMOS/sCMOS-сенсоровВ некоторых спецификациях наблюдается некоторая вариация шума считывания от пикселя к пикселю, поэтому полезно рассматривать шум считывания как распределение, а не как одно значение. Именно поэтому в некоторых технических характеристиках указываются два числа.
A медианаЗначение шума считывания указывает на то, что 50% пикселей находятся на уровне этого значения или ниже, что часто отражает «типичную» производительность. ДополнительноСКЗРисунок (если он предоставлен) более чувствителен к разбросу распределения и лучше отражает влияние пикселей с высоким уровнем шума в хвосте. Поскольку определения могут различаться в зависимости от производителя, всегда проверяйте указанные условия измерения и правила представления результатов.
CMOS/sCMOS-датчики могут отображатьвариативность от пикселя к пикселюшум считывания, поэтому шум считывания лучше рассматривать какраспределениеа не одно значение. Вкратце, производители могут сообщать следующее:
●Типичное / Медианное значение:Показатель «типичного пикселя», отражающий типичную производительность в данном режиме.
●Среднеквадратичное отклонение (или иногда более консервативная оценка):Статистический показатель, который может быть более чувствительным к пикселям с высоким уровнем шума и лучше отражает общий разброс.
Не все производители используют эти термины одинаково, поэтому всегда проверяйте указанное определение и метод измерения. В случае сомнений сравнивайте камеры, используя значения, указанные в соответствующих разделах.та же статистика и условия.
Примеры режимов камеры (почему у одной камеры несколько характеристик шума считывания)
Чтобы сделать это более наглядным, рассмотрим следующее:Фотокамера Tucsen Aries 6510 с максимальной чувствительностью (sCMOS).В технической документации указан уровень шума считывания для нескольких режимов считывания — поскольку камера может работать с различной битовой глубиной и конвейерами считывания, и каждый из них имеет разный уровень шума:
Рисунок 2: Шум считывания Aries 6510
Как это интерпретировать: эти числа не противоречат друг другу — они описываютразличные рабочие точкина той же камере. Более высокоскоростной конвейер (здесь, режим Speed) обычно отдает приоритет пропускной способности и может демонстрировать более высокий уровень шума считывания, в то время как конвейеры, оптимизированные по чувствительности, могут снизить уровень шума считывания. Именно поэтому всегда следует читать характеристики шума считывания.вместе с названием режима и указанной разрядностьюПри сравнении камер (или сравнении камеры с опубликованными данными) убедитесь, что вы сравниваете именно камеры.тот же режима не просто самый низкий показатель в заголовке.
Когда шум считывания имеет значение?
Шум считывания не ограничивает каждый эксперимент. Важность этого вопроса сводится к простому вопросу: является ли шум считывания значимой частью вашего общего шумового бюджета на том уровне сигнала, с которым вы работаете? В условиях яркого освещения обычно преобладает фотонный (дробовой) шум. В условиях слабого сигнала шум считывания может стать определяющим фактором отношения сигнал/шум, а иногда и того, будет ли вообще видна слабая структура.
Шум чтения против шума выстрела: простое эмпирическое правило
Шум от дроби возрастает с увеличением сигнала по мере его усиления.√N(где N — количество обнаруженных фотоэлектронов). Шум считывания составляет приблизительнопостоянная на пиксель на кадрдля данного режима. Это означает:
● Ввысокий N, √N велико, и шум считывания вносит незначительный вклад.
● Внизкий N√N мало, и шум считывания может стать доминирующим.
Практическая точка пересечения — это когдаШум дроби ≈ шум считывания, то есть когда√N ≈ RЭто соответствуетN ≈ R².
Например, если режим имеетR = 2 e⁻ RMS,Шум считывания становится значительным, когда сигнал составляет от нескольких электронов до нескольких десятков электронов на пиксель (поскольку R).2=4). ЕслиR = 10 e⁻В результате точка пересечения смещается примерно до 10² = 100 электронов на пиксель.
Конкретный пример отношения сигнал/шум (почему оно незначительно в ярких сценах)
Предположим, пиксель содержит2000 e⁻сигнал. Шум выстрела — это√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Если шум считывания10 e⁻Общий уровень шума (среднеквадратичный) составляет:
Таким образом, отношение сигнал/шум изменяется с 2000/44,7≈44,7 до 2000/45,8≈43,7 — разница невелика. Другими словами, при высоких уровнях сигнала снижение шума считывания редко меняет то, что вы можете увидеть.
В условиях высокой освещенности, когда каждый пиксель собирает тысячи фотоэлектронов, шум считывания становится незначительной составляющей общего шумового баланса. Например, при сигнале в 2000 электронов добавление 10 электронов шума считывания изменяет отношение сигнал/шум всего на несколько процентов — часто это незаметно, — тогда как при десятках электронов на пиксель шум считывания может существенно ограничивать отношение сигнал/шум и видимую детализацию.
Когда шум считывания становится реальным ограничителем
Шум считывания имеет наибольшее значение, когда ваш эксперимент ограничен сигналом на кадр — это означает, что каждый пиксель собирает лишь небольшое количество фотоэлектронов за одну экспозицию. В таком режиме шум считывания может доминировать в шумовом бюджете, снижать отношение сигнал/шум и маскировать слабую структуру.
К типичным признакам, отображаемым приложением, относятся:
●Слабая флуоресценция / низкая плотность меченияособенно при короткой выдержке или быстрой покадровой съемке.
●Флуоресценция отдельных молекули сверхразрешение на основе локализациигде сигналы могут содержать всего несколько фотонов на один излучатель за кадр.
●Хемилюминесцентная визуализациягде фотонный бюджет по своей природе низок, и шум считывания может доминировать.
●Высокоскоростная функциональная визуализация (напряжение/мембранный потенциал, быстрая визуализация кальция)где короткая выдержка уменьшает количество фотонов на кадр.
●Рабочие процессы визуализации с дефицитом фотонов(например, очень тусклые кадры, даже если вы планируете позже объединить/усреднить их)
В качестве практической проверки: если ваш типичный сигнал на пиксель находится в пределах...сотни или тысячи электроновВ каждом кадре шум считывания редко бывает доминирующим. Если он присутствует в кадре...десятки электронов или меньшеШум считывания и выбор режима могут сильно влиять на качество изображения.
Заключение
Шум считывания — это зависящий от режима работы и ограниченный цепочкой считывания параметр, поэтому осмысленные сравнения проводятся только в одинаковых условиях (режим работы, скорость считывания, коэффициент усиления/преобразования, АЦП/битовая глубина, область интереса). В ярких сценах он часто незначителен, но при слабом сигнале может существенно ограничивать отношение сигнал/шум и обнаруживаемость.
Если вам нужна рекомендация для вашего эксперимента, сообщите подробности вашего приложения (уровень сигнала, время экспозиции, частота кадров, длина волны и целевое отношение сигнал/шум). Наши специалисты по обработке изображений смогут предложить подходящий вариант.Фотоаппарат Тусенаа также оптимальный режим считывания для достижения баланса между чувствительностью, скоростью и динамическим диапазоном.
