25/09/11Në çdo sistem matjeje — nga komunikimi pa tel te fotografia dixhitale — raporti sinjal-zhurmë (SNR) është një pikë referimi themelore e cilësisë. Pavarësisht nëse po analizoni imazhe teleskopike, po përmirësoni regjistrimet e mikrofonit ose po zgjidhni probleme me një lidhje pa tel, SNR ju tregon se sa informacion i dobishëm dallohet nga zhurma e padëshiruar e sfondit.
Por llogaritja e saktë e SNR-së nuk është gjithmonë e thjeshtë. Në varësi të sistemit, mund të duhet të merren në konsideratë faktorë shtesë si rryma e errët, zhurma e leximit ose grumbullimi i pikselëve. Ky udhëzues ju udhëzon përmes teorisë, formulave kryesore, gabimeve të zakonshme, zbatimeve dhe mënyrave praktike për të përmirësuar SNR-në, duke siguruar që ju të mund ta aplikoni atë me saktësi në një gamë të gjerë kontekstesh.
Çfarë është raporti sinjal-zhurmë (SNR)?
Në thelbin e tij, raporti sinjal-zhurmë mat marrëdhënien midis fuqisë së një sinjali të dëshiruar dhe zhurmës në sfond që e errëson atë.
● Sinjali = informacioni kuptimplotë (p.sh., një zë në një thirrje, një yll në një imazh teleskopi).
● Zhurma = luhatje të rastësishme dhe të padëshiruara që shtrembërojnë ose fshehin sinjalin (p.sh., zhurma statike, zhurma e sensorit, ndërhyrje elektrike).
Matematikisht, SNR përcaktohet si:
Meqenëse këto raporte mund të ndryshojnë në shumë rend të madhësisë, SNR zakonisht shprehet në decibel (dB):
● SNR i lartë (p.sh., 40 dB): sinjali dominon, duke rezultuar në informacion të qartë dhe të besueshëm.
● SNR i ulët (p.sh., 5 dB): zhurma e mbingarkon sinjalin, duke e bërë interpretimin të vështirë.
Si të llogaritni SNR-në
Llogaritja e raportit sinjal-zhurmë mund të kryhet me nivele të ndryshme saktësie në varësi të burimeve të zhurmës që përfshihen. Në këtë seksion, do të prezantohen dy forma: njëra që merr parasysh rrymën e errët dhe njëra që supozon se ajo mund të neglizhohet.
Shënim: Shtimi i vlerave të pavarura të zhurmës kërkon shtimin e tyre në kuadraturë. Çdo burim zhurme ngrihet në katror, mblidhet dhe merret rrënja katrore e totalit.
Raporti sinjal-zhurmë me rrymë të errët
Më poshtë është ekuacioni që duhet përdorur në situatat kur zhurma e rrymës së errët është mjaft e madhe për të kërkuar përfshirje:
Ja përkufizimi i termave:
Sinjali (e-): Ky është sinjali me interes në fotoelektronet, duke zbritur sinjalin e rrymës së errët.
Sinjali total (e-) do të jetë numri i fotoelektroneve në pikselin e interesit - jo vlera e pikselit në njësi të niveleve gri. Instanca e dytë e Sinjalit (e-), në fund të ekuacionit, është zhurma e fotoshotjes.
Rryma e errët (DC):Vlera e rrymës së errët për atë piksel.
t: Koha e ekspozimit në sekonda
σr:Lexoni zhurmën në modalitetin e kamerës.
Raporti sinjal-zhurmë për rrymë të errët të papërfillshme
Në rastet e shkurtra (< 1 sekondë) kohët e ekspozimit, plus kamerat e ftohta dhe me performancë të lartë, zhurma e rrymës së errët në përgjithësi do të jetë shumë më poshtë zhurmës së lexuar dhe do të neglizhohet në mënyrë të sigurt.
Ku termat janë përsëri siç përcaktohen më sipër, me përjashtim të faktit që sinjali i rrymës së errët nuk ka nevojë të llogaritet dhe zbritet nga sinjali pasi duhet të jetë i barabartë me zero.
Kufizimet e këtyre formulave dhe termat që mungojnë
Formulat përballë do të japin përgjigje të sakta vetëm për CCD dheKamerat CMOSEMCCD dhe pajisjet e intensifikuara sjellin burime shtesë zhurme, kështu që këto ekuacione nuk mund të përdoren. Për një ekuacion më të plotë të raportit sinjal-zhurmë që merr parasysh këto dhe kontribute të tjera.
Një term tjetër i zhurmës që përfshihet (ose përfshihej më parë) zakonisht në ekuacionet e SNR-së është ai i jo-uniformitetit të foto-përgjigjes (PRNU), i cili ndonjëherë etiketohet edhe si 'zhurma e modelit fiks' (FPN). Kjo përfaqëson pabarazinë e fitimit dhe të përgjigjes së sinjalit në të gjithë sensorin, i cili mund të bëhet dominues në sinjale të larta nëse është mjaftueshëm i madh, duke zvogëluar SNR-në.
Ndërsa kamerat e hershme kishin PRNU mjaftueshëm të konsiderueshme për të kërkuar përfshirjen e tyre, shumica modernekamera shkencorekanë PRNU mjaftueshëm të ulët për të dhënë kontributin e tyre shumë më të ulët se ai i zhurmës së shkrepjes së fotonit, veçanërisht pasi aplikohen korrigjimet në bord. Prandaj, tani zakonisht neglizhohet në llogaritjet e SNR-së. Megjithatë, PRNU është ende i rëndësishëm për disa kamera dhe aplikime, dhe përfshihet në ekuacionin më të avancuar të SNR-së për plotësi. Kjo do të thotë që ekuacionet e dhëna janë të dobishme për shumicën e sistemeve CCD/CMOS, por nuk duhet të trajtohen si të zbatueshme universalisht.
Llojet e Zhurmës në Llogaritjet e SNR-së
Llogaritja e SNR-së nuk ka të bëjë vetëm me krahasimin e një sinjali me një vlerë të vetme zhurme. Në praktikë, kontribuojnë burime të shumta të pavarura të zhurmës dhe kuptimi i tyre është thelbësor.
Zhurma e të shtënave
● Origjina: mbërritja statistikore e fotoneve ose elektroneve.
● Shkallëzimi bëhet me rrënjën katrore të sinjalit.
● Dominuese në imazherinë e kufizuar nga fotonet (astronomi, mikroskopia fluoreshente).
Zhurma termike
● Quhet edhe zhurmë Johnson-Nyquist, e prodhuar nga lëvizja e elektroneve në rezistorë.
● Rritet me temperaturën dhe gjerësinë e brezit.
● E rëndësishme në elektronikë dhe komunikim pa tel.
Zhurma e Rrymës së Errët
● Ndryshim i rastësishëm në rrymën e errët brenda sensorëve.
● Më domethënës në ekspozime të gjata ose detektorë të ngrohtë.
● Zvogëlohet duke ftohur sensorin.
Zhurmë Leximi
● Zhurma nga amplifikatorët dhe konvertimi analog-në-dixhital.
● Fikse për çdo lexim, pra kritike në regjimet me sinjal të ulët.
Zhurma e Kuantizimit
● Prezantuar nga dixhitalizimi (rrumbullakosja në nivele diskrete).
● E rëndësishme në sistemet me thellësi të ulët biti (p.sh., audio 8-bit).
Zhurma e Mjedisit/Sistemit
● EMI, biseda të kryqëzuara, valëzim i furnizimit me energji.
● Mund të dominojë nëse mbrojtja/tokëzimi është i dobët.
Të kuptuarit se cila prej këtyre është dominuese ndihmon në zgjedhjen e formulës dhe metodës së duhur të zbutjes.
Gabime të zakonshme në llogaritjen e SNR-së
Është e lehtë të hasësh shumë metoda 'shkurtore' për të vlerësuar raportin sinjal-zhurmë në imazhe. Këto kanë tendencë të jenë ose më pak komplekse se ekuacionet përballë, ose lejojnë një derivim më të lehtë nga vetë imazhi në vend që të kërkojnë njohuri të parametrave të kamerës, siç është zhurma e leximit, ose të dyja. Fatkeqësisht, ka të ngjarë që secila prej këtyre metodave të jetë e pasaktë dhe të çojë në rezultate të shtrembëruara dhe të padobishme. Këshillohet fuqimisht që ekuacionet përballë (ose versioni i avancuar) të përdoren në të gjitha rastet.
Disa nga shkurtesat më të zakonshme të rreme përfshijnë:
1. Krahasimi i intensitetit të sinjalit me intensitetin e sfondit, në nivele gri. Kjo qasje përpiqet të gjykojë ndjeshmërinë e kamerës, forcën e sinjalit ose raportin sinjal-zhurmë duke krahasuar intensitetin maksimal me intensitetin e sfondit. Kjo qasje është thellësisht e gabuar pasi ndikimi i zhvendosjes së kamerës mund të përcaktojë në mënyrë arbitrare intensitetin e sfondit, përforcimi mund të përcaktojë në mënyrë arbitrare intensitetin e sinjalit dhe nuk merret në konsideratë asnjë kontribut i zhurmës as në sinjal as në sfond.
2. Pjesëtimi i majave të sinjalit me devijimin standard të një zone pikselësh në sfond. Ose, krahasimi i vlerave të majave me zhurmën vizuale në sfond të zbuluar nga një profil vijash. Duke supozuar se zhvendosja zbritet saktë nga vlerat para pjesëtimit, rreziku më i rëndësishëm në këtë qasje është prania e dritës së sfondit. Çdo dritë sfondi zakonisht do të dominojë zhurmën në pikselët e sfondit. Për më tepër, zhurma në sinjalin e interesit, siç është zhurma e të shtënave, në fakt nuk merret fare në konsideratë.
3. Sinjali mesatar në pikselët e interesit kundrejt devijimit standard të vlerave të pikselëve: Krahasimi ose vëzhgimi se sa ndryshon një sinjal maksimal nëpër pikselët fqinjë ose kornizat e njëpasnjëshme është më afër të qenit i saktë sesa metodat e tjera të shkurtra, por nuk ka gjasa të shmangë ndikime të tjera që shtrembërojnë vlerat, siç është një ndryshim në sinjal që nuk rrjedh nga zhurma. Kjo metodë gjithashtu mund të jetë e pasaktë për shkak të numrit të ulët të pikselëve në krahasim. Zbritja e vlerës së zhvendosjes gjithashtu nuk duhet harruar.
4, Llogaritja e SNR-së pa u konvertuar në njësi intensiteti të fotoelektroneve, ose pa hequr zhvendosjen: Meqenëse zhurma e shkrepjes së fotonit është zakonisht burimi më i madh i zhurmës dhe mbështetet në njohuritë e zhvendosjes dhe fitimit të kamerës për matje, nuk është e mundur të shmanget llogaritja përsëri te fotoelektronet për llogaritjet e SNR-së.
5. Gjykimi i SNR-së me sy: Ndërsa në disa rrethana gjykimi ose krahasimi i SNR-së me sy mund të jetë i dobishëm, ka edhe gracka të papritura. Gjykimi i SNR-së në piksel me vlerë të lartë mund të jetë më i vështirë sesa në piksel me vlerë më të ulët ose në piksel të sfondit. Efektet më delikate gjithashtu mund të luajnë një rol: Për shembull, monitorë të ndryshëm kompjuteri mund të paraqesin imazhe me kontrast shumë të ndryshëm. Për më tepër, shfaqja e imazheve në nivele të ndryshme zmadhimi në softuer mund të ndikojë ndjeshëm në pamjen vizuale të zhurmës. Kjo është veçanërisht problematike nëse përpiqeni të krahasoni kamerat me madhësi të ndryshme pikselësh në hapësirën e objekteve. Së fundmi, prania e dritës së sfondit mund të anulojë çdo përpjekje për të gjykuar SNR-në vizualisht.
Zbatimet e SNR-së
SNR është një metrikë universale me zbatime të gjera:
● Regjistrimi i Audios dhe Muzikës: Përcakton qartësinë, diapazonin dinamik dhe besnikërinë e regjistrimeve.
● Komunikimi pa tel: SNR lidhet drejtpërdrejt me shkallët e gabimeve të biteve (BER) dhe transmetimin e të dhënave.
● Imazhe Shkencore: Në astronomi, zbulimi i yjeve të zbehtë kundrejt shkëlqimit të qiellit në sfond kërkon SNR të lartë.
● Pajisje Mjekësore: EKG, MRI dhe skanimet CT mbështeten në SNR të lartë për të dalluar sinjalet nga zhurma fiziologjike.
● Kamera dhe Fotografi: Kamerat e konsumatorëve dhe sensorët shkencorë CMOS përdorin të dyja SNR për të krahasuar performancën në dritë të ulët.
Përmirësimi i SNR-së
Meqenëse SNR është një masë kaq kritike, bëhen përpjekje të konsiderueshme për përmirësimin e saj. Strategjitë përfshijnë:
Qasjet e Pajisjeve
● Përdorni sensorë më të mirë me rrymë më të ulët të errët.
● Vendosni mbrojtje dhe tokëzim për të zvogëluar EMI-në.
● Detektorë të ftohtë për të shtypur zhurmën termike.
Qasjet e Softuerit
● Aplikoni filtra dixhitalë për të hequr frekuencat e padëshiruara.
● Përdorni mesataren në shumë kuadro.
● Përdorni algoritme për reduktimin e zhurmës në përpunimin e imazheve ose audios.
Pixel Binning dhe efekti i tij në SNR
Efekti i ndarjes në grup në raportin sinjal-zhurmë varet nga teknologjia e kamerës dhe sjellja e sensorit, pasi performanca e zhurmës së kamerave të vendosura në grup dhe të pavendosura mund të ndryshojë ndjeshëm.
Kamerat CCD mund të mbledhin ngarkesat e pikselëve ngjitur 'në çip'. Zhurma e leximit ndodh vetëm një herë, megjithëse sinjali i rrymës së errët nga secili piksel do të mblidhet gjithashtu.
Shumica e kamerave CMOS kryejnë grupim jashtë çipit, që do të thotë se vlerat maten së pari (futet zhurma dhe zhurma e leximit) dhe më pas mblidhen në mënyrë dixhitale. Zhurma e leximit për shuma të tilla rritet nëpërmjet shumëzimit me rrënjën katrore të numrit të pikselëve të mbledhur, dmth. me një faktor 2 për grupim 2x2.
Meqenëse sjellja e zhurmës së sensorëve mund të jetë e ndërlikuar, për aplikimet sasiore këshillohet të matni zhvendosjen, fitimin dhe zhurmën e leximit të kamerës në modalitetin e grupuar dhe të përdorni këto vlera për ekuacionin e raportit sinjal-zhurmë.
Përfundim
Raporti sinjal-zhurmë (SNR) është një nga metrikat më të rëndësishme në shkencë, inxhinieri dhe teknologji. Nga përcaktimi i qartësisë në thirrjet telefonike deri te mundësimi i zbulimit të galaktikave të largëta, SNR mbështet cilësinë e sistemeve të matjes dhe komunikimit. Zotërimi i SNR nuk ka të bëjë vetëm me memorizimin e formulave - ka të bëjë me kuptimin e supozimeve, kufizimeve dhe kompromiseve të botës reale. Nga kjo perspektivë, inxhinierët dhe studiuesit mund të bëjnë matje më të besueshme dhe të projektojnë sisteme që nxjerrin njohuri kuptimplote edhe në kushte të zhurmshme.
Dëshironi të mësoni më shumë? Hidhini një sy artikujve të lidhur:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Të gjitha të drejtat e rezervuara. Kur citoni, ju lutemi përmendni burimin:www.tucsen.com
