25. 8. 2019Pokiaľ ide o zachytávanie presných a spoľahlivých snímok vo vedeckom výskume, kvalita vašich údajov závisí od viac než len rozlíšenia alebo veľkosti snímača. Jednou z najdôležitejších – ale niekedy prehliadaných – metrík je pomer signálu k šumu (SNR). V zobrazovacích systémoch SNR určuje, ako jasne dokážete rozlíšiť skutočný signál (užitočné informácie) od nežiaduceho šumu.
Vo vedeckých zobrazovacích aplikáciách, ako je mikroskopia, astronómia a spektroskopia, môže slabý pomer signálu k šumu (SNR) znamenať rozdiel medzi detekciou slabého cieľa a jeho úplným minutím. Tento článok skúma, ako je SNR definovaný, prečo je dôležitý, ako ovplyvňuje kontrast a ako vybrať a optimalizovať vedeckú kameru na základe tejto kritickej metriky.
Čo je pomer signálu k šumu a ako sa definuje?
Pomer signálu k šumu (SNR) je najdôležitejším meradlom kvality obrazu, základným prvkom kontrastu obrazu a často najužitočnejším určujúcim faktorom, či je kamera dostatočne citlivá pre vašu aplikáciu.
Snahy o zlepšenie citlivosti fotoaparátu sa zameriavajú na zlepšenie zhromažďovaného signálu:
● Prostredníctvom zlepšenia kvantovej účinnosti alebo zväčšenia veľkosti pixelov
● Redukcia zdrojov šumu závislých od kamery
Zdroje šumu sa sčítavajú, ale v závislosti od okolností môže jeden dominovať a na tento faktor by sa malo zamerať pri snahe o zlepšenie pomeru signálu k šumu (SNR) – buď optimalizáciou nastavení alebo prechodom na lepšie svetelné zdroje, optiku a kamery.
Bežnou skratkou je opisovať obrázky z hľadiska jedného pomeru signálu k šumu, napríklad tvrdenie, že obrázok má SNR „15“. Ako však už z názvu vyplýva, pomer signálu k šumu závisí od signálu, ktorý bude samozrejme pre každý pixel iný. To nám dáva náš obraz.
Pomer signálu k šumu (SNR) obrázka sa zvyčajne vzťahuje na pomer signálu k šumu (SNR) špičkového signálu v rámci obrázka. Napríklad SNR z obrázka fluorescenčných buniek na tmavom pozadí by použil intenzitu špičkového signálu z pixelov štruktúry, ktorá je predmetom záujmu, v rámci bunky.
Nie je reprezentatívne brať napríklad priemernú hodnotu SNR celého obrazu. V technikách, ako je fluorescenčná mikroskopia, kde môže byť bežné tmavé pozadie s nulovými detekovanými fotónmi, majú tieto pixely s nulovým signálom SNR nulový. Preto by akýkoľvek priemer v obraze závisel od toho, koľko pixelov pozadia bolo v zábere.
Prečo je pomer signálu k šumu (SNR) dôležitý pre vedecké kamery
Vo vedeckom zobrazovaní má SNR priamy vplyv na to, ako dobre dokážete identifikovať slabé detaily, merať kvantitatívne údaje a reprodukovať výsledky.
●Jasnosť obrazu– Vyšší pomer signálu k šumu (SNR) znižuje zrnitosť a zviditeľňuje jemné štruktúry.
●Presnosť údajov– Znižuje chyby merania v experimentoch založených na intenzite.
●Výkon pri slabom osvetlení– Nevyhnutný pre fluorescenčnú mikroskopiu, hlbokoobrovskú astrofotografiu a spektroskopiu, kde je počet fotónov prirodzene nízky.
Či už používatesCMOS kameraPre vysokorýchlostné zobrazovanie alebo chladený CCD snímač pre aplikácie s dlhou expozíciou vám pochopenie pomeru signálu k šumu (SNR) pomôže vyvážiť kompromisy vo výkone.
Ako SNR ovplyvňuje kontrast obrazu
Kontrast je relatívny rozdiel v intenzite medzi svetlými a tmavými oblasťami obrazu. Pre mnohé aplikácie je konečným cieľom dobrý kontrast obrazu v oblastiach záujmu.
V rámci snímaného objektu, optického systému a zobrazovacích podmienok existuje mnoho faktorov, ktoré sú primárne určujúcimi faktormi kontrastu obrazu, ako napríklad kvalita objektívu a množstvo svetla pozadia.
●Vysoký signál/šum (SNR)→ Výrazné oddelenie svetlých a tmavých oblastí; okraje sa zdajú byť ostré; jemné detaily zostávajú viditeľné.
●Nízky signál od šumu (SNR)→ Tmavé oblasti sa v dôsledku šumu zosvetlia, svetlé oblasti stmavnú a celkový kontrast obrazu sa sploští.
Napríklad vo fluorescenčnej mikroskopii môže nízky pomer signálu k šumu (SNR) spôsobiť, že slabo fluorescenčná vzorka sa zmieša s pozadím, čím sa kvantitatívna analýza stane nespoľahlivou. V astronómii môžu slabé hviezdy alebo galaxie v zašumených dátach úplne zmiznúť.
Existujú však aj faktory v samotnej kamere – hlavným faktorom je pomer signálu k šumu. Okrem toho, a najmä pri slabom osvetlení, škálovanie intenzity obrazu, teda spôsob, akým sa obraz zobrazuje na monitore, zohráva veľkú úlohu vo vnímanom kontraste obrazu. Pri vysokom šume v tmavých oblastiach obrazu môžu mať algoritmy automatického škálovania obrazu nastavenú príliš nízku dolnú hranicu v dôsledku nízko zašumených pixelov, zatiaľ čo hornú hranicu zvyšuje šum v pixeloch s vysokým signálom. To je príčina charakteristického „vyblednutého“ sivého vzhľadu obrázkov s nízkym pomerom signálu k šumu. Lepší kontrast je možné dosiahnuť nastavením dolnej hranice na posunutie kamery.
Faktory, ktoré ovplyvňujú pomer signálu k šumu (SNR) vo vedeckých kamerách
Pomer signálu k šumu (SNR) kamerového systému ovplyvňuje niekoľko konštrukčných a prevádzkových parametrov:
Technológia senzorov
● sCMOS – Kombinuje nízky šum pri čítaní a vysokú snímkovú frekvenciu, ideálne pre dynamické zobrazovanie.
● CCD – Historicky ponúka nízky šum pri dlhých expozíciách, ale je pomalší ako moderné CMOS snímače.
● EMCCD – Používa integrované zosilnenie na zosilnenie slabých signálov, ale môže zavádzať multiplikatívny šum.
Veľkosť pixelu a faktor plnenia
Väčšie pixely zhromažďujú viac fotónov, čím sa zvyšuje signál a tým aj pomer signálu k šumu (SNR).
Kvantová efektívnosť (QE)
Vyššia kvantová účinnosť (QE) znamená, že viac prichádzajúcich fotónov sa premení na elektróny, čím sa zlepšuje pomer signálu k šumu (SNR).
Doba vystavenia
Dlhšie expozície zhromažďujú viac fotónov, čím zvyšujú signál, ale môžu tiež zvýšiť šum tmavého prúdu.
Chladiace systémy
Chladenie znižuje tmavý prúd, čím sa výrazne zlepšuje pomer signálu k šumu (SNR) pri dlhých expozíciách.
Optika a osvetlenie
Vysokokvalitné šošovky a stabilné osvetlenie maximalizujú zachytenie signálu a minimalizujú variabilitu.
Príklady rôznych hodnôt maximálneho pomeru signálu k šumu (SNR)
V zobrazovacej technike sa PSNR často vzťahuje na teoretické maximum v pomere k saturácii pixelov. Napriek rozdielom v snímaných objektoch, snímacích podmienkach a technológii fotoaparátov môžu mať snímky s rovnakým pomerom signálu k šumu v prípade konvenčných vedeckých fotoaparátov podobnosti. Stupeň „zrnitosti“, variácie medzi snímkami a do istej miery aj kontrast môžu byť v týchto rôznych podmienkach podobné. Preto je možné z reprezentatívnych snímok, ako sú tie, ktoré sú uvedené v tabuľke, pochopiť hodnoty SNR a rôzne podmienky a výzvy, ktoré predstavujú.
POZNÁMKA: Hodnoty vrcholového signálu vo fotoelektrónoch pre každý riadok sú zobrazené modrou farbou. Všetky obrázky sa zobrazujú s automatickým škálovaním histogramu, pričom sa ignoruje (sýti) 0,35 % najjasnejších a najtmavších pixelov. Ľavé dva stĺpce obrázka: Zobrazenie testovacieho cieľa pomocou šošovky. Pravé štyri stĺpce: Ascaris zachytený vo fluorescencii s objektívom mikroskopu s 10-násobným zväčšením. Na ilustráciu zmien hodnôt pixelov medzi jednotlivými snímkami pri nižšom pomere signálu k šumu sú uvedené tri po sebe idúce snímky.
Zobrazený je obraz testovacieho cieľa zhotovený šošovkou spolu so snímkou z fluorescenčnej mikroskopie spolu so zväčšeným pohľadom na fluorescenčný obraz zobrazujúcim zmenu v rámci 3 po sebe nasledujúcich snímok. Uvedený je aj maximálny počet fotoelektrónov pri každej úrovni signálu.
Nasledujúci obrázok zobrazuje plné verzie týchto vzorových obrázkov pre porovnanie.
Obrázky v plnej veľkosti použité pre tabuľku s príkladmi pomeru signálu k šumu
Vľavo: Obrazový testovací terč vyfotografovaný objektívom.
VpravoVzorka rezu červa háďatka Ascaris pozorovaná fluorescenčnou mikroskopiou pri 10-násobnom zväčšení.
SNR v aplikáciách
SNR je kriticky dôležitý v rôznych oblastiach:
● Mikroskopia – Detekcia slabej fluorescencie v biologických vzorkách vyžaduje vysoký pomer signálu k šumu (SNR), aby sa predišlo falošne negatívnym výsledkom.
● Astronómia – Identifikácia vzdialených galaxií alebo exoplanét si vyžaduje dlhé expozície s minimálnym šumom.
● Spektroskopia – Vysoký pomer signálu k šumu (SNR) zaisťuje presné merania intenzity píkov v chemickej analýze.
● Priemyselná kontrola – Na montážnych linkách so slabým osvetlením pomáha vysoký pomer signálu k šumu spoľahlivo odhaliť chyby.
Výber vedeckej kamery so správnym pomerom signálu k šumu (SNR)
Pri hodnotení novej vedeckej kamery:
●Skontrolujte špecifikácie SNR– Porovnajte hodnoty dB za podmienok podobných vašej aplikácii.
●Vyvážte ostatné metriky– Zvážte kvantovú účinnosť, dynamický rozsah a snímkovú frekvenciu.
●Prispôsobte technológiu prípadu použitia– Pre vysokorýchlostné dynamické scény môže byť ideálna sCMOS kamera; pre statické objekty s veľmi slabým osvetlením môže lepšie fungovať chladený CCD alebo EMCCD.
●Pripojiteľnosť pre efektívnosť pracovných postupov– Hoci priamo neovplyvňujú pomer signálu k šumu (SNR), funkcie ako HDMI výstup umožňujú kontrolu obrazu v reálnom čase, čo vám pomôže rýchlo overiť, či vaše nastavenia snímania dosahujú požadovaný pomer signálu k šumu (SNR).
Záver
Pomer signálu k šumu (SNR) je kľúčový ukazovateľ výkonnosti, ktorý priamo ovplyvňuje jasnosť a spoľahlivosť vedeckých snímok. Pochopenie definície SNR, faktorov, ktoré ho ovplyvňujú, a dôsledkov rôznych hodnôt SNR umožňuje výskumníkom a technickým používateľom efektívnejšie hodnotiť zobrazovacie systémy. Aplikáciou týchto vedomostí – či už pri výbere novéhovedecká kameraalebo optimalizáciou existujúceho nastavenia – môžete zabezpečiť, aby váš pracovný postup spracovania obrazu zachytával údaje s úrovňou presnosti požadovanou pre vašu konkrétnu aplikáciu.
Často kladené otázky
Čo sa považuje za „dobrý“ pomer signálu k šumu (SNR) pre vedecké kamery?
Ideálny pomer signálu k šumu (SNR) závisí od aplikácie. Pre vysoko náročnú kvantitatívnu prácu – ako je fluorescenčná mikroskopia alebo astronómia – sa vo všeobecnosti odporúča SNR nad 40 dB, pretože vytvára snímky s minimálnym viditeľným šumom a zachováva jemné detaily. Pre všeobecné laboratórne použitie alebo priemyselnú kontrolu môže postačovať 35 – 40 dB. Akýkoľvek pomer signálu k šumu pod 30 dB bude zvyčajne vykazovať viditeľné zrno a môže znížiť presnosť, najmä v situáciách s nízkym kontrastom.
Ako kvantová účinnosť (QE) ovplyvňuje pomer signálu k šumu (SNR)?
Kvantová účinnosť meria, ako efektívne senzor premieňa prichádzajúce fotóny na elektróny. Vyššia kvantová účinnosť (QE) znamená, že viac dostupného svetla sa zachytí ako signál, čo zvyšuje čitateľ v rovnici SNR. To je obzvlášť dôležité v situáciách so slabým osvetlením, kde sa počíta každý fotón. Napríklad sCMOS kamera s QE 80 % dosiahne vyšší SNR za rovnakých podmienok v porovnaní so senzorom s QE 50 %, jednoducho preto, že zachytáva viac použiteľného signálu.
Aký je rozdiel medzi pomerom signálu k šumu (SNR) a pomerom kontrastu k šumu (CNR)?
Zatiaľ čo SNR meria celkovú silu signálu v porovnaní s šumom, CNR sa zameriava na viditeľnosť konkrétneho prvku oproti jeho pozadiu. Vo vedeckom zobrazovaní sú dôležité obe tieto hodnoty: SNR hovorí o tom, ako „čistý“ je obraz celkovo, zatiaľ čo CNR určuje, či konkrétny objekt záujmu dostatočne vyniká na detekciu alebo meranie.
Chcete sa dozvedieť viac? Pozrite si súvisiace články：
Kvantová účinnosť vo vedeckých fotoaparátoch: Sprievodca pre začiatočníkov
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
