25. 8. 2019Ko gre za zajemanje natančnih in zanesljivih slik v znanstvenih raziskavah, je kakovost vaših podatkov odvisna od več kot le ločljivosti ali velikosti senzorja. Ena najpomembnejših – a včasih spregledanih – metrik je razmerje signal-šum (SNR). V slikovnih sistemih SNR določa, kako jasno lahko ločite dejanski signal (koristne informacije) od neželenega šuma.
V znanstvenih slikovnih aplikacijah, kot so mikroskopija, astronomija in spektroskopija, lahko slabo razmerje signal-šum pomeni razliko med zaznavanjem šibkega cilja in njegovim popolnim zgreševanjem. Ta članek raziskuje, kako je SNR definiran, zakaj je pomemben, kako vpliva na kontrast in kako izbrati in optimizirati znanstveno kamero na podlagi te ključne metrike.
Kaj je razmerje signal/šum in kako je definirano?
Razmerje signal/šum (SNR) je najpomembnejše merilo kakovosti slike, temeljno za kontrast slike in pogosto najbolj uporaben dejavnik pri določanju občutljivosti kamere za vašo uporabo.
Poskusi izboljšanja občutljivosti kamere se osredotočajo na izboljšanje zbranega signala:
● Z izboljšavami kvantne učinkovitosti ali povečanjem velikosti slikovnih pik
● Zmanjšanje virov šuma, odvisnih od kamere
Viri šuma se seštevajo, vendar je lahko glede na okoliščine eden prevladujoč in nanj se je treba osredotočiti pri poskusu izboljšanja razmerja signal-šum – bodisi z optimizacijo nastavitev ali konfiguracije bodisi z nadgradnjo na boljše vire svetlobe, optiko in kamere.
Pogosto se slike opisujejo kot eno samo razmerje signal/šum, na primer s trditvijo, da ima slika razmerje signal/šum '15'. Vendar pa je, kot je razvidno iz imena, razmerje signal/šum odvisno od signala, ki bo seveda drugačen za vsak slikovni pik. To nam da našo sliko.
Razmerje signal-šum (SNR) slike se običajno nanaša na razmerje signal-šum (SNR) vršnega signala, ki nas zanima, znotraj slike. Na primer, SNR slike fluorescentnih celic na temnem ozadju bi uporabil intenzivnost vršnega signala iz slikovnih pik strukture, ki nas zanima, znotraj celice.
Ni reprezentativno, če na primer vzamemo povprečno vrednost za razmerje signal-šum (SNR) celotne slike. Pri tehnikah, kot je fluorescenčna mikroskopija, kjer je lahko temno ozadje z nič zaznanimi fotoni pogosto, imajo te piksle z ničelnim signalom SNR nič. Zato bi bilo vsako povprečje na sliki odvisno od tega, koliko pikslov ozadja je bilo vidnih.
Zakaj je razmerje signal-šum pomembno za znanstvene kamere
Pri znanstvenem slikanju SNR neposredno vpliva na to, kako dobro lahko prepoznate šibke podrobnosti, izmerite kvantitativne podatke in reproducirate rezultate.
●Jasnost slike– Višje razmerje signal-šum (SNR) zmanjša zrnatost in naredi fine strukture vidne.
●Točnost podatkov– Zmanjšuje merilne napake pri poskusih, ki temeljijo na intenzivnosti.
●Zmogljivost pri šibki svetlobi– Bistveno za fluorescenčno mikroskopijo, astrofotografijo globokega neba in spektroskopijo, kjer je število fotonov naravno nizko.
Ne glede na to, ali uporabljatesCMOS kameraZa hitro slikanje ali hlajeni CCD za aplikacije z dolgo osvetlitvijo vam razumevanje SNR pomaga uravnotežiti kompromise med zmogljivostjo.
Kako SNR vpliva na kontrast slike
Kontrast je relativna razlika v intenzivnosti med svetlimi in temnimi območji slike. Za številne aplikacije je dober kontrast slike znotraj območij zanimanja končni cilj.
V objektu slikanja, optičnem sistemu in pogojih slikanja je veliko dejavnikov, ki so glavni dejavniki, ki določajo kontrast slike, kot sta kakovost leče in količina svetlobe ozadja.
●Visok signal-šum→ Jasna ločitev med svetlimi in temnimi območji; robovi so jasni; subtilne podrobnosti ostanejo vidne.
●Nizek signal-šum→ Temna območja zaradi šuma postanejo svetlejša, svetla območja postanejo temnejša, celoten kontrast slike pa se splošči.
Na primer, pri fluorescenčni mikroskopiji lahko nizko razmerje signal-šum povzroči, da se šibko fluorescenten vzorec zlije z ozadjem, zaradi česar je kvantitativna analiza nezanesljiva. V astronomiji lahko šibke zvezde ali galaksije v šumnih podatkih popolnoma izginejo.
Vendar pa obstajajo tudi dejavniki znotraj same kamere – primarni dejavnik je razmerje signal/šum. Poleg tega, zlasti pri šibki svetlobi, skaliranje intenzivnosti slike, način prikaza slike na monitorju, igra veliko vlogo pri zaznanem kontrastu slike. Pri visokem šumu na temnih območjih slike imajo lahko algoritmi za samodejno skaliranje slike spodnjo mejo prenizko zaradi šumnih slikovnih pik z nizko vrednostjo, medtem ko se zgornja meja zaradi šuma v slikovnih pikah z visokim signalom poveča. To je vzrok za značilen »izprani« siv videz slik z nizkim razmerjem signal/šum. Boljši kontrast je mogoče doseči z nastavitvijo spodnje meje na odmik kamere.
Dejavniki, ki vplivajo na razmerje signal-šum (SNR) v znanstvenih kamerah
Na razmerje signal-šum (SNR) sistema kamer vpliva več zasnovnih in operativnih parametrov:
Senzorska tehnologija
● sCMOS – Združuje nizek bralni šum in visoko hitrost sličic, idealno za dinamično slikanje.
● CCD – V preteklosti je ponujal nizek šum pri dolgih osvetlitvah, vendar počasnejši od sodobnih CMOS-zasnov.
● EMCCD – Uporablja ojačanje na čipu za ojačanje šibkih signalov, vendar lahko povzroči multiplikativni šum.
Velikost piksla in faktor polnjenja
Večji slikovni elementi zberejo več fotonov, kar poveča signal in s tem razmerje signal-šum.
Kvantna učinkovitost (QE)
Višji kvantni izkoristek (QE) pomeni, da se več vhodnih fotonov pretvori v elektrone, kar izboljša razmerje signal-šum (SNR).
Čas izpostavljenosti
Daljše osvetlitve zberejo več fotonov, kar poveča signal, lahko pa tudi poveča šum temnega toka.
Hladilni sistemi
Hlajenje zmanjša temni tok, kar znatno izboljša razmerje signal-šum (SNR) pri dolgih osvetlitvah.
Optika in osvetlitev
Visokokakovostne leče in stabilna osvetlitev maksimizirajo zajem signala in zmanjšajo variabilnost.
Primeri različnih najvišjih vrednosti SNR
Pri slikanju se PSNR pogosto nanaša na teoretični maksimum glede na nasičenost slikovnih pik. Kljub razlikam v motivih slikanja, pogojih slikanja in tehnologiji kamere so lahko pri običajnih znanstvenih kamerah slike z enakim razmerjem signal/šum podobne. Stopnja »zrnatosti«, razlike med kadri in do neke mere kontrast so lahko v teh različnih pogojih podobni. Zato je mogoče iz reprezentativnih slik, kot so prikazane v tabeli, razumeti vrednosti SNR ter različne pogoje in izzive, ki jih predstavljajo.
OPOMBA: Vrednosti najvišjih signalov v fotoelektronih za vsako vrstico so prikazane v modri barvi. Vse slike so prikazane z avtomatskim skaliranjem histograma, pri čemer se ignorira (nasiči) 0,35 % najsvetlejših in najtemnejših slikovnih pik. Leva dva stolpca slike: Slikanje testne slikovne tarče z lečo. Desni štirje stolpci: Ascaris, posneta v fluorescenci z 10-kratnim mikroskopskim objektivom. Za ponazoritev sprememb vrednosti slikovnih pik med slikami pri nižjem SNR so prikazani trije zaporedni slikovni elementi.
Prikazana je slika testne tarče, posneta z lečo, skupaj s sliko fluorescenčne mikroskopije, skupaj s povečanim pogledom fluorescentne slike, ki prikazuje spremembe znotraj treh zaporednih slikovnih posnetkov. Podano je tudi največje število fotoelektronov pri vsaki ravni signala.
Naslednja slika prikazuje celotne različice teh primerov slik za referenco.
Slike v polni velikosti, uporabljene za tabelo primerov razmerja signal/šum
Levo: Slikovni testni cilj, fotografiran z objektivom.
DesnoVzorec prereza ogorčice Ascaris, posnet s fluorescenčno mikroskopijo pri 10-kratni povečavi.
SNR v aplikacijah
SNR je ključnega pomena na različnih področjih:
● Mikroskopija – Zaznavanje šibke fluorescence v bioloških vzorcih zahteva visoko razmerje signal-šum (SNR), da se izognemo lažno negativnim rezultatom.
● Astronomija – Prepoznavanje oddaljenih galaksij ali eksoplanetov zahteva dolge osvetlitve z minimalnim šumom.
● Spektroskopija – Visoko razmerje signal-šum zagotavlja natančne meritve intenzivnosti vrhov pri kemijski analizi.
● Industrijski pregled – V montažnih linijah s slabo osvetlitvijo visok SNR pomaga zanesljivo odkriti napake.
Izbira znanstvene kamere s pravim razmerjem signal-šum
Pri ocenjevanju nove znanstvene kamere:
●Preverite specifikacije signal-šum– Primerjajte vrednosti dB v pogojih, podobnih tistim pri vaši uporabi.
●Uravnotežite druge metrike– Upoštevajte kvantno učinkovitost, dinamični razpon in hitrost sličic.
●Uskladite tehnologijo s primerom uporabe– Za dinamične prizore z visoko hitrostjo je lahko idealna sCMOS kamera; za statične motive pri ultra šibki svetlobi pa je morda boljši hlajeni CCD ali EMCCD.
●Povezljivost za učinkovitost delovnega procesa– Čeprav ne vplivajo neposredno na razmerje signal-šum (SNR), lahko funkcije, kot je izhod HDMI, omogočijo pregled slike v realnem času in vam pomagajo hitro preveriti, ali vaše nastavitve zajemanja dosegajo želeno razmerje signal-šum.
Zaključek
Razmerje signal-šum (SNR) je ključna metrika delovanja, ki neposredno vpliva na jasnost in zanesljivost znanstvenih slik. Razumevanje definicije SNR, dejavnikov, ki vplivajo nanj, in posledic različnih vrednosti SNR omogoča raziskovalcem in tehničnim uporabnikom učinkovitejše ocenjevanje slikovnih sistemov. Z uporabo tega znanja – bodisi pri izbiri novegaznanstvena kameraali optimizacijo obstoječe nastavitve – lahko zagotovite, da vaš potek dela s slikami zajame podatke z natančnostjo, ki jo zahteva vaša specifična aplikacija.
Pogosta vprašanja
Kaj se šteje za "dobro" razmerje signal-šum (SNR) za znanstvene kamere?
Idealno razmerje signal-šum (SNR) je odvisno od uporabe. Za zelo zahtevno, kvantitativno delo – kot sta fluorescenčna mikroskopija ali astronomija – se običajno priporoča SNR nad 40 dB, saj ustvarja slike z minimalnim vidnim šumom in ohranja fine podrobnosti. Za splošno laboratorijsko uporabo ali industrijski pregled je lahko zadostnih 35–40 dB. Karkoli pod 30 dB bo običajno pokazalo vidno zrnatost in lahko ogrozi natančnost, zlasti v situacijah z nizkim kontrastom.
Kako kvantna učinkovitost (QE) vpliva na razmerje signal-šum?
Kvantna učinkovitost meri, kako učinkovito senzor pretvarja vhodne fotone v elektrone. Višja kvantna učinkovitost pomeni, da se več razpoložljive svetlobe zajame kot signal, kar poveča števec v enačbi SNR. To je še posebej pomembno v scenarijih slabe svetlobe, kjer šteje vsak foton. Na primer, sCMOS kamera z QE 80 % bo dosegla višje SNR v enakih pogojih v primerjavi s senzorjem s 50 % QE, preprosto zato, ker zajame več uporabnega signala.
Kakšna je razlika med SNR in razmerjem med kontrastom in šumom (CNR)?
Medtem ko SNR meri skupno moč signala glede na šum, se CNR osredotoča na vidnost določenega elementa v primerjavi z njegovim ozadjem. Pri znanstvenem slikanju sta pomembna oba: SNR pove, kako »čista« je slika na splošno, CNR pa določa, ali določen objekt zanimanja dovolj izstopa za zaznavanje ali merjenje.
Želite izvedeti več? Oglejte si povezane članke:
Kvantna učinkovitost v znanstvenih kamerah: Vodnik za začetnike
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
