25/08/19Kur bëhet fjalë për kapjen e imazheve të sakta dhe të besueshme në kërkimin shkencor, cilësia e të dhënave tuaja varet nga më shumë sesa vetëm rezolucioni ose madhësia e sensorit. Një nga metrikat më të rëndësishme - por ndonjëherë të anashkaluara - është Raporti Sinjali-Zhurmë (SNR). Në sistemet e imazhit, SNR përcakton se sa qartë mund ta dalloni sinjalin aktual (informacionin e dobishëm) nga zhurma e padëshiruar.
Në aplikimet e imazherisë shkencore si mikroskopia, astronomia dhe spektroskopia, një SNR i dobët mund të bëjë diferencën midis zbulimit të një objektivi të zbehtë dhe mosndjekjes së tij të plotë. Ky artikull shqyrton se si përkufizohet SNR, pse ka rëndësi, si ndikon në kontrast dhe si të zgjidhet dhe optimizohet një aparat fotografik shkencor bazuar në këtë metrikë kritike.
Çfarë është raporti sinjal-zhurmë dhe si përcaktohet?
Raporti i sinjalit ndaj zhurmës (SNR) është masa më e rëndësishme e cilësisë së imazhit tonë, thelbësore në kontrastin e imazhit dhe shpesh faktori më i dobishëm përcaktues nëse një aparat fotografik është mjaftueshëm i ndjeshëm për aplikimin tuaj.
Përpjekjet për të përmirësuar ndjeshmërinë e kamerës sillen rreth përmirësimit të sinjalit të mbledhur:
● Përmes përmirësimeve në efikasitetin kuantik ose një rritjeje në madhësinë e pikselit
● Zvogëlimi i burimeve të zhurmës që varen nga kamera
Burimet e zhurmës shtohen së bashku, por në varësi të rrethanave, njëri mund të dominojë dhe duhet të përqendrohemi kur përpiqemi të përmirësojmë SNR-në - qoftë përmes optimizimit të cilësimeve ose konfigurimit, ose duke përmirësuar burimet e dritës, optikën dhe kamerat më të mira.
Është një shkurtim i zakonshëm që imazhet të përshkruhen në terma të një raporti të vetëm sinjal-zhurmë, për shembull, të pretendosh se një imazh ka një SNR prej '15'. Megjithatë, siç është e qartë nga emri, raporti sinjal-zhurmë varet nga sinjali, i cili sigurisht do të jetë i ndryshëm për secilin piksel. Kjo është ajo që na jep imazhin tonë.
SNR-ja e një imazhi zakonisht i referohet SNR-së së sinjalit maksimal të interesit brenda imazhit. Për shembull, SNR-ja nga një imazh i qelizave fluoreshente në një sfond të errët do të përdorte intensitetin e sinjalit maksimal nga pikselët e një strukture të interesit brenda qelizës.
Nuk është përfaqësuese të merret, për shembull, një vlerë mesatare për SNR-në e të gjithë imazhit. Në teknika të tilla si mikroskopia fluoreshente, ku një sfond i errët me zero fotone të zbuluara mund të jetë i zakonshëm, këto pikselë me sinjal zero kanë një SNR prej zero. Prandaj, çdo mesatare në një imazh do të varet nga sa pikselë të sfondit ishin në pamje.
Pse SNR ka rëndësi për kamerat shkencore
Në imazherinë shkencore, SNR ndikon drejtpërdrejt se sa mirë mund të identifikoni detajet e zbehta, të matni të dhënat sasiore dhe të riprodhoni rezultatet.
●Qartësia e Imazhit– SNR më i lartë zvogëlon kokrrizën dhe i bën strukturat e imëta të dukshme.
●Saktësia e të dhënave– Zvogëlon gabimet e matjes në eksperimentet e bazuara në intensitet.
●Performancë në dritë të ulët– Thelbësor për mikroskopinë fluoreshente, astrofotografinë e qiellit të thellë dhe spektroskopinë, ku numërimi i fotoneve është natyrshëm i ulët.
Pavarësisht nëse po përdorni njëkamera sCMOSPër imazhe me shpejtësi të lartë ose një CCD të ftohur për aplikacione me ekspozim të gjatë, të kuptuarit e SNR ju ndihmon të balanconi kompromiset e performancës.
Si ndikon SNR në kontrastin e imazhit
Kontrasti është ndryshimi relativ në intensitet midis zonave të ndriçuara dhe zonave të errëta të një imazhi. Për shumë aplikime, kontrasti i mirë i imazhit brenda zonave të interesit është qëllimi përfundimtar.
Ekzistojnë shumë faktorë brenda subjektit të imazhit, sistemit optik dhe kushteve të imazhit që janë faktorët kryesorë përcaktues të kontrastit të imazhit, siç janë cilësia e lentes dhe sasia e dritës së sfondit.
●SNR i lartë→ Ndarje e dallueshme midis rajoneve të ndritshme dhe të errëta; skajet duken të qarta; detajet delikate mbeten të dukshme.
●SNR i ulët→ Zonat e errëta bëhen më të ndritshme për shkak të zhurmës, zonat e ndritshme bëhen më të errëta dhe kontrasti i përgjithshëm i imazhit bëhet i sheshtë.
Për shembull, në mikroskopinë fluoreshente, SNR i ulët mund të bëjë që një mostër me fluoreshencë të dobët të përzihet me sfondin, duke e bërë analizën sasiore të pabesueshme. Në astronomi, yjet ose galaktikat e zbehta mund të zhduken plotësisht në të dhënat me zhurmë.
Megjithatë, ka edhe faktorë brenda vetë kamerës - faktori kryesor është Raporti Sinjali-Zhurmë. Për më tepër, dhe veçanërisht në dritë të ulët, shkallëzimi i intensitetit të imazhit, mënyra se si shfaqet imazhi në monitor, luan një rol të madh në kontrastin e perceptuar të imazhit. Me zhurmë të lartë në zonat e errëta të imazhit, algoritmet e shkallëzimit automatik të imazhit mund ta kenë kufirin e tyre të poshtëm të vendosur shumë ulët nga pikselët me zhurmë të ulët, ndërsa kufiri i lartë rritet nga zhurma në pikselët me sinjal të lartë. Ky është shkaku i pamjes karakteristike gri 'të zbehtë' të imazheve me SNR të ulët. Kontrast më i mirë mund të arrihet duke vendosur kufirin e poshtëm në zhvendosjen e kamerës.
Faktorët që ndikojnë në SNR në kamerat shkencore
Disa parametra të projektimit dhe funksionimit ndikojnë në SNR-në e një sistemi kamerash:
Teknologjia e sensorëve
● sCMOS – Kombinon zhurmë të ulët leximi dhe shpejtësi të lartë kuadrosh, ideale për imazhe dinamike.
● CCD – Historikisht ofron zhurmë të ulët në ekspozime të gjata, por më të ngadaltë se modelet moderne CMOS.
● EMCCD – Përdor amplifikimin në çip për të përforcuar sinjalet e dobëta, por mund të sjellë zhurmë shumëfishuese.
Madhësia e pikselit dhe faktori i mbushjes
Pikselët më të mëdhenj mbledhin më shumë fotone, duke rritur sinjalin dhe kështu SNR-in.
Efikasiteti Kuantik (QE)
Një QE më e lartë do të thotë që më shumë fotone hyrëse shndërrohen në elektrone, duke përmirësuar SNR-në.
Kohë ekspozimi
Ekspozimet më të gjata mbledhin më shumë fotone, duke rritur sinjalin, por gjithashtu mund të rrisin zhurmën e rrymës së errët.
Sisteme Ftohjeje
Ftohja zvogëlon rrymën e errët, duke përmirësuar ndjeshëm SNR-në për ekspozime të gjata.
Optika dhe ndriçimi
Lentet me cilësi të lartë dhe ndriçimi i qëndrueshëm maksimizojnë kapjen e sinjalit dhe minimizojnë ndryshueshmërinë.
Shembuj të Vlerave të Ndryshme të SNR-së së Majës
Në imazhe, PSNR shpesh i referohet një maksimumi teorik në lidhje me ngopjen e pikselëve. Pavarësisht ndryshimeve në subjektet e imazhit, kushtet e imazhit dhe teknologjinë e kamerës, për kamerat shkencore konvencionale, imazhet me të njëjtin raport sinjal-zhurmë mund të kenë ngjashmëri. Shkalla e 'kokrrizës', ndryshimi nga korniza në kornizë dhe, deri diku, kontrasti, mund të jenë të ngjashme në këto kushte të ndryshme. Prandaj, është e mundur të fitohet një kuptim i vlerave SNR dhe kushteve dhe sfidave të ndryshme që ato nënkuptojnë nga imazhet përfaqësuese, të tilla si ato të paraqitura në tabelë.
SHËNIM: Vlerat maksimale të sinjalit në fotoelektrone për secilin rresht jepen me ngjyrë blu. Të gjitha imazhet shfaqen me shkallëzim automatik të histogramit, duke injoruar (ngopur) 0.35% të pikselëve më të ndritshëm dhe më të errët. Dy kolonat e imazhit majtas: Imazhe të bazuara në lente të një objektivi testimi imazherie. Katër kolonat djathtas: Ascaris i kapur në fluoreshencë me një objektiv mikroskopi 10x. Për të ilustruar ndryshimet kornizë-në-kornizë në vlerat e pikselëve në SNR më të ulët, ofrohen tre korniza të njëpasnjëshme.
Një imazh i bazuar në lente i një objektivi testimi, së bashku me një imazh të mikroskopisë fluoreshente, tregohen të dyja, së bashku me një pamje të zmadhuar të imazhit fluoreshent që tregon ndryshimin brenda 3 kornizave të njëpasnjëshme. Jepet gjithashtu numri maksimal i fotoelektroneve në secilin nivel sinjali.
Figura e mëposhtme tregon versionet e plota të këtyre imazheve shembull për referencë.
Imazhe me madhësi të plotë të përdorura për tabelën e shembujve të raportit sinjal-zhurmë
MajtasNjë objektiv testimi imazherie i fotografuar me një lente.
DjathtasNjë mostër e seksionit të krimbit nematod Ascaris e parë me mikroskop fluoreshente me zmadhim 10x.
SNR në Aplikacione
SNR është kritik për misionin në fusha të ndryshme:
● Mikroskopi – Zbulimi i fluoreshencës së zbehtë në mostrat biologjike kërkon SNR të lartë për të shmangur rezultatet negative të rreme.
● Astronomi – Identifikimi i galaktikave ose ekzoplanetëve të largët kërkon ekspozime të gjata me zhurmë minimale.
● Spektroskopia – SNR i lartë siguron matje të sakta të intensitetit të pikut në analizat kimike.
● Inspektim Industrial – Në linjat e montimit me dritë të ulët, SNR i lartë ndihmon në zbulimin e defekteve në mënyrë të besueshme.
Zgjedhja e një aparati fotografik shkencor me SNR-në e duhur
Kur vlerësoni një aparat fotografik të ri shkencor:
●Kontrolloni specifikimet SNR– Krahasoni vlerat e dB në kushte të ngjashme me aplikimin tuaj.
●Balanco Metrikat e Tjera– Merrni në konsideratë efikasitetin kuantik, diapazonin dinamik dhe shkallën e kuadrove.
●Përputhni Teknologjinë me Rastin e Përdorimit– Për skena dinamike me shpejtësi të lartë, një kamerë sCMOS mund të jetë ideale; për subjekte statike me dritë ultra të ulët, një CCD ose EMCCD i ftohur mund të performojë më mirë.
●Lidhshmëri për Efikasitet të Fluksit të Punës– Edhe pse nuk ndikojnë drejtpërdrejt në SNR, veçori të tilla si dalja HDMI mund të mundësojnë rishikimin e imazhit në kohë reale, duke ju ndihmuar të verifikoni shpejt që cilësimet e marrjes së imazheve arrijnë SNR-në e dëshiruar.
Përfundim
Raporti sinjal-zhurmë (SNR) është një metrikë kyçe e performancës që ndikon drejtpërdrejt në qartësinë dhe besueshmërinë e imazheve shkencore. Të kuptuarit se si përcaktohet SNR, faktorët që ndikojnë në të dhe implikimet e vlerave të ndryshme të SNR u lejon studiuesve dhe përdoruesve teknikë të vlerësojnë sistemet e imazhit në mënyrë më efektive. Duke zbatuar këtë njohuri - qoftë në zgjedhjen e një të rejekamera shkencoreose duke optimizuar një konfigurim ekzistues - mund të siguroheni që rrjedha juaj e punës së imazhit kap të dhënat me nivelin e saktësisë së kërkuar për aplikacionin tuaj specifik.
Pyetje të shpeshta
Çfarë konsiderohet një SNR "i mirë" për kamerat shkencore?
SNR-ja ideale varet nga aplikimi. Për punë sasiore me kërkesa të larta - siç është mikroskopia fluoreshente ose astronomia - një SNR mbi 40 dB rekomandohet përgjithësisht, pasi prodhon imazhe me zhurmë minimale të dukshme dhe ruan detaje të imëta. Për përdorim të përgjithshëm laboratorik ose inspektim industrial, 35-40 dB mund të jetë e mjaftueshme. Çdo gjë nën 30 dB zakonisht do të tregojë kokrriza të dukshme dhe mund të kompromentojë saktësinë, veçanërisht në situata me kontrast të ulët.
Si ndikon efikasiteti kuantik (QE) në SNR?
Efikasiteti kuantik mat se sa efektivisht një sensor i shndërron fotonet hyrëse në elektrone. Një QE më e lartë do të thotë që më shumë dritë e disponueshme kapet si sinjal, duke rritur numëruesin në ekuacionin SNR. Kjo është veçanërisht e rëndësishme në skenarë me dritë të ulët, ku çdo foton llogaritet. Për shembull, një aparat fotografik sCMOS me një QE prej 80% do të arrijë SNR më të lartë në kushte identike krahasuar me një sensor me 50% QE, thjesht sepse kap më shumë sinjal të përdorshëm.
Cili është ndryshimi midis SNR dhe Raportit të Kontrastit ndaj Zhurmës (CNR)?
Ndërsa SNR mat forcën e përgjithshme të sinjalit në krahasim me zhurmën, CNR përqendrohet në dukshmërinë e një veçorie specifike në sfondin e saj. Në imazhet shkencore, të dyja janë të rëndësishme: SNR ju tregon se sa "i pastër" është imazhi në përgjithësi, ndërsa CNR përcakton nëse një objekt i veçantë me interes dallohet mjaftueshëm për zbulim ose matje.
Dëshironi të mësoni më shumë? Hidhini një sy artikujve të lidhur:
Efikasiteti Kuantik në Kamerat Shkencore: Një Udhëzues për Fillestarët
Tucsen Photonics Co., Ltd. Të gjitha të drejtat e rezervuara. Kur citoni, ju lutemi përmendni burimin:www.tucsen.com
