25/08/19Когда речь идёт о получении точных и надёжных изображений в научных исследованиях, качество данных зависит не только от разрешения или размера сенсора. Одним из важнейших, но иногда упускаемых из виду показателей является отношение сигнал/шум (ОСШ). В системах визуализации ОСШ определяет, насколько чётко можно отличить фактический сигнал (полезную информацию) от нежелательного шума.
В научных приложениях для получения изображений, таких как микроскопия, астрономия и спектроскопия, низкое отношение сигнал/шум может стать решающим фактором между обнаружением слабого объекта и его полным пропуском. В этой статье рассматривается определение отношения сигнал/шум, его значение, влияние на контрастность и выбор и оптимизация научной камеры на основе этого критического показателя.
Что такое отношение сигнал/шум и как оно определяется?
Соотношение сигнал/шум (SNR) является важнейшей мерой качества изображения, основополагающей для контрастности изображения и часто наиболее полезным фактором, определяющим, достаточно ли чувствительна камера для вашего применения.
Попытки улучшить чувствительность камеры вращаются вокруг улучшения собираемого сигнала:
● За счет улучшения квантовой эффективности или увеличения размера пикселя
● Уменьшение источников шума, зависящих от камеры
Источники шума суммируются, но в зависимости от обстоятельств один из них может доминировать, и на нем следует сосредоточиться при попытке улучшить SNR — либо путем оптимизации настроек или установки, либо путем перехода на более качественные источники света, оптику и камеры.
Изображения принято описывать одним соотношением сигнал/шум, например, утверждая, что изображение имеет SNR, равное «15». Однако, как следует из названия, соотношение сигнал/шум зависит от сигнала, который, конечно же, будет разным для каждого пикселя. Именно это и формирует наше изображение.
Под отношением сигнал/шум (SNR) изображения обычно понимается отношение сигнал/шум пикового сигнала, представляющего интерес, в пределах изображения. Например, для определения SNR изображения флуоресцентных клеток на темном фоне будет использоваться пиковая интенсивность сигнала от пикселей интересующей структуры внутри клетки.
Например, не репрезентативно брать среднее значение SNR для всего изображения. В таких методах, как флуоресцентная микроскопия, где часто встречается тёмный фон с нулевым уровнем детектируемых фотонов, эти пиксели с нулевым сигналом имеют SNR, равное нулю. Следовательно, любое среднее значение по изображению будет зависеть от того, сколько пикселей фона попало в поле зрения.
Почему отношение сигнал/шум важно для научных камер
В научной визуализации отношение сигнал/шум напрямую влияет на то, насколько хорошо вы можете распознавать неясные детали, измерять количественные данные и воспроизводить результаты.
●Четкость изображения– Более высокий показатель SNR снижает зернистость и делает мелкие структуры видимыми.
●Точность данных– Уменьшает ошибки измерений в экспериментах, основанных на интенсивности.
●Производительность при слабом освещении– Необходим для флуоресцентной микроскопии, астрофотографии дальнего космоса и спектроскопии, где количество фотонов по природе низкое.
Используете ли выsCMOS-камерадля высокоскоростной съемки или охлаждаемого ПЗС-датчика для приложений с длительной выдержкой понимание соотношения сигнал/шум поможет вам найти баланс между производительностью и компромиссами.
Как SNR влияет на контрастность изображения
Контрастность — это относительная разница в интенсивности между светлыми и тёмными областями изображения. Для многих приложений высокая контрастность изображения в интересующих областях является конечной целью.
На контрастность изображения в первую очередь влияют многие факторы, связанные с объектом съемки, оптической системой и условиями съемки, такие как качество объектива и количество фонового света.
●Высокий SNR→ Четкое разделение между яркими и темными областями; края выглядят четкими; тонкие детали остаются видимыми.
●Низкое отношение сигнал/шум→ Темные области становятся ярче из-за шума, яркие области становятся тусклее, а общий контраст изображения выравнивается.
Например, во флуоресцентной микроскопии низкое отношение сигнал/шум может привести к тому, что слабо флуоресцирующий образец сольётся с фоном, что сделает количественный анализ ненадёжным. В астрономии тусклые звёзды или галактики могут полностью исчезнуть в зашумлённых данных.
Однако существуют и внутренние факторы, влияющие на камеру, главным из которых является отношение сигнал/шум. Кроме того, особенно при слабом освещении, масштабирование интенсивности изображения, то есть то, как оно отображается на мониторе, играет большую роль в воспринимаемом контрасте изображения. При высоком уровне шума в темных областях изображения алгоритмы автоматического масштабирования изображения могут занизить нижнюю границу из-за шумных пикселей с низким значением, в то время как верхняя граница может быть завышена из-за шума в пикселях с высоким значением сигнала. Это является причиной характерного «размытого» серого цвета на изображениях с низким отношением сигнал/шум. Улучшения контрастности можно добиться, установив нижнюю границу в соответствии со смещением камеры.
Факторы, влияющие на SNR в научных камерах
На отношение сигнал/шум системы камеры влияют несколько конструктивных и эксплуатационных параметров:
Сенсорная технология
● sCMOS – сочетает низкий уровень шума при считывании и высокую частоту кадров, идеально подходит для динамической визуализации.
● ПЗС — традиционно обеспечивает низкий уровень шума при длительной выдержке, но медленнее, чем современные конструкции КМОП.
● EMCCD — использует встроенное усиление для усиления слабых сигналов, но может вносить мультипликативный шум.
Размер пикселя и коэффициент заполнения
Более крупные пиксели собирают больше фотонов, увеличивая сигнал и, следовательно, отношение сигнал/шум.
Квантовая эффективность (QE)
Более высокая квантовая эффективность означает, что больше входящих фотонов преобразуются в электроны, что улучшает соотношение сигнал/шум.
Время контакта
Более длительная экспозиция собирает больше фотонов, увеличивая сигнал, но также может увеличить шум темнового тока.
Системы охлаждения
Охлаждение снижает темновой ток, значительно улучшая отношение сигнал/шум при длительной выдержке.
Оптика и освещение
Высококачественные линзы и стабильное освещение максимизируют захват сигнала и минимизируют изменчивость.
Примеры различных пиковых значений SNR
В визуализации PSNR часто означает теоретический максимум относительно насыщенности пикселей. Несмотря на различия в объектах съёмки, условиях съёмки и технологиях камер, изображения с одинаковым отношением сигнал/шум, полученные с помощью обычных научных камер, могут иметь сходство. Степень «зернистости», вариации от кадра к кадру и, в некоторой степени, контрастность могут быть схожими в этих различных условиях. Таким образом, можно получить представление о значениях SNR, а также о различных условиях и проблемах, которые они подразумевают, из репрезентативных изображений, таких как представленные в таблице.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пиковые значения сигнала в фотоэлектронах для каждой строки показаны синим цветом. Все изображения отображены с автоматическим масштабированием гистограммы, игнорируя (насыщая) 0,35% самых ярких и самых тёмных пикселей. Два левых столбца изображений: изображение тестового объекта, полученное с помощью объектива. Четыре правых столбца: изображение аскариды, полученное в условиях флуоресценции с помощью 10-кратного объектива микроскопа. Для иллюстрации покадровых изменений значений пикселей при более низком отношении сигнал/шум представлены три последовательных кадра.
Показаны изображение тестового объекта, полученное с помощью объектива, и изображение, полученное с помощью флуоресцентной микроскопии, а также увеличенное изображение флуоресцентного изображения, демонстрирующее изменения в пределах трёх последовательных кадров. Также указано пиковое количество фотоэлектронов при каждом уровне сигнала.
На следующем рисунке для справки показаны полные версии этих примеров изображений.
Полноразмерные изображения, использованные для таблицы примеров соотношения сигнал/шум
Левый: Тестовая мишень для получения изображений, сфотографированная с помощью объектива.
Верно: Образец среза нематоды аскариды, просмотренный с помощью флуоресцентной микроскопии при 10-кратном увеличении.
SNR в приложениях
SNR имеет решающее значение в различных областях:
● Микроскопия. Обнаружение слабой флуоресценции в биологических образцах требует высокого SNR, чтобы избежать ложноотрицательных результатов.
● Астрономия. Для определения далеких галактик или экзопланет требуются длительные выдержки с минимальным уровнем шума.
● Спектроскопия – высокое отношение сигнал/шум обеспечивает точность измерений пиковой интенсивности при химическом анализе.
● Промышленный контроль. На сборочных линиях с низкой освещенностью высокое отношение сигнал/шум помогает надежно обнаруживать дефекты.
Выбор научной камеры с правильным соотношением сигнал/шум
При оценке новой научной камеры:
●Проверьте характеристики SNR– Сравните значения дБ в условиях, аналогичных вашему приложению.
●Баланс других показателей– Учитывайте квантовую эффективность, динамический диапазон и частоту кадров.
●Сопоставьте технологию с вариантом использования– Для высокоскоростных динамических сцен идеальным вариантом может оказаться камера sCMOS; для статичных объектов при очень слабом освещении лучше подойдут охлаждаемые CCD или EMCCD.
●Связность для эффективности рабочего процесса– Хотя такие функции, как выход HDMI, не оказывают прямого влияния на отношение сигнал/шум, они позволяют просматривать изображения в реальном времени, помогая быстро убедиться, что настройки захвата обеспечивают желаемое отношение сигнал/шум.
Заключение
Отношение сигнал/шум (ОСШ) — ключевой показатель производительности, напрямую влияющий на чёткость и надёжность научных изображений. Понимание того, как определяется ОСШ, факторов, влияющих на него, и последствий различных значений ОСШ, позволяет исследователям и техническим специалистам более эффективно оценивать системы визуализации. Применяя эти знания — будь то при выборе новогонаучная камераили оптимизируя существующую настройку, вы можете быть уверены, что ваш рабочий процесс обработки изображений будет захватывать данные с уровнем точности, необходимым для вашего конкретного приложения.
Часто задаваемые вопросы
Какое отношение сигнал/шум считается «хорошим» для научных камер?
Идеальное отношение сигнал/шум зависит от области применения. Для требовательных количественных исследований, таких как флуоресцентная микроскопия или астрономия, обычно рекомендуется отношение сигнал/шум выше 40 дБ, поскольку оно позволяет получать изображения с минимальным видимым шумом и сохраняет мелкие детали. Для общего лабораторного использования или промышленного контроля достаточно значения 35–40 дБ. Значение ниже 30 дБ обычно приводит к заметной зернистости и может снизить точность, особенно в условиях низкой контрастности.
Как квантовая эффективность (QE) влияет на SNR?
Квантовая эффективность измеряет эффективность преобразования сенсором входящих фотонов в электроны. Более высокая квантовая эффективность (QE) означает, что большая часть доступного света улавливается в виде сигнала, увеличивая числитель в уравнении SNR. Это особенно важно в условиях низкой освещенности, где каждый фотон имеет значение. Например, sCMOS-камера с квантовой эффективностью 80% обеспечит более высокое отношение сигнал/шум при идентичных условиях по сравнению с сенсором с квантовой эффективностью 50%, просто потому, что она улавливает больше полезного сигнала.
В чем разница между SNR и соотношением контрастности к шуму (CNR)?
В то время как отношение сигнал/шум измеряет общую интенсивность сигнала относительно шума, отношение сигнал/шум фокусируется на видимости конкретного объекта на фоне. В научной визуализации важны оба фактора: отношение сигнал/шум показывает, насколько «чистым» является изображение в целом, а отношение сигнал/шум определяет, достаточно ли выделяется конкретный интересующий объект для обнаружения или измерения.
Хотите узнать больше? Ознакомьтесь с похожими статьями:
Квантовая эффективность в научных камерах: руководство для начинающих
Tucsen Photonics Co., Ltd. Все права защищены. При цитировании, пожалуйста, указывайте источник:www.tucsen.com
