25.08.2019.Када је у питању снимање прецизних и поузданих слика у научним истраживањима, квалитет ваших података зависи од више од саме резолуције или величине сензора. Једна од најважнијих, али понекад занемарених, метрика је однос сигнал-шум (SNR). У системима за снимање, SNR одређује колико јасно можете разликовати стварни сигнал (корисне информације) од нежељене буке.
У научним применама снимања попут микроскопије, астрономије и спектроскопије, лош однос сигнал/шум (SNR) може значити разлику између откривања слабог циља и његовог потпуног промашаја. Овај чланак истражује како се SNR дефинише, зашто је важан, како утиче на контраст и како одабрати и оптимизовати научну камеру на основу ове критичне метрике.
Шта је однос сигнал-шум и како се дефинише?
Однос сигнала и шума (SNR) је најважнија мера квалитета слике, фундаментална за контраст слике и често најкориснији фактор који одређује да ли је камера довољно осетљива за вашу примену.
Покушаји побољшања осетљивости камере врте се око побољшања прикупљеног сигнала:
● Кроз побољшања квантне ефикасности или повећање величине пиксела
● Смањење извора шума зависних од камере
Извори шума се сабирају, али у зависности од околности, један може доминирати и на њега треба фокусирати када се покушава побољшати однос сигнал/шум – било оптимизацијом подешавања или преласком на боље изворе светлости, оптику и камере.
Уобичајена је скраћеница да се слике описују у смислу једног односа сигнал-шум, на пример, тврдећи да слика има SNR од „15“. Међутим, као што је очигледно из назива, однос сигнал-шум зависи од сигнала, који ће наравно бити различит за сваки пиксел. То је оно што нам даје нашу слику.
Однос сигнал/шум (SNR) слике се обично односи на SNR вршног сигнала од интереса унутар слике. На пример, SNR са слике флуоресцентних ћелија на тамној позадини користио би интензитет вршног сигнала из пиксела структуре од интереса унутар ћелије.
Није репрезентативно узимати, на пример, средњу вредност за однос сигнал/шум (SNR) целе слике. Код техника као што је флуоресцентна микроскопија, где тамна позадина са нула детектованих фотона може бити уобичајена, ови пиксели са нултим сигналом имају SNR од нула. Стога би сваки просек на слици зависио од тога колико је позадинских пиксела било у виду.
Зашто је SNR важан за научне камере
У научном снимању, однос сигнал/шум директно утиче на то колико добро можете идентификовати слабе детаље, мерити квантитативне податке и репродуковати резултате.
●Јасноћа слике– Већи однос сигнал/шум (SNR) смањује зрнастост и чини фине структуре видљивим.
●Тачност података– Смањује грешке мерења у експериментима заснованим на интензитету.
●Перформансе при слабом осветљењу– Неопходно за флуоресцентну микроскопију, астрофотографију дубоког неба и спектроскопију, где је број фотона природно низак.
Без обзира да ли користитеsCMOS камераЗа брзо снимање или хлађени CCD за примене са дугом експозицијом, разумевање односа сигнал/шум (SNR) вам помаже да уравнотежите компромисе у перформансама.
Како SNR утиче на контраст слике
Контраст је релативна разлика у интензитету између светлих и тамних области слике. За многе примене, добар контраст слике унутар области интересовања је крајњи циљ.
Постоји много фактора унутар објекта снимања, оптичког система и услова снимања који су главни фактори који одређују контраст слике, као што су квалитет сочива и количина позадинског светла.
●Висок сигнал/шум→ Јасно раздвајање светлих и тамних региона; ивице изгледају оштро; суптилни детаљи остају видљиви.
●Низак сигнал/шум→ Тамна подручја постају светлија због шума, светла подручја постају тамнија, а укупни контраст слике се изравнава.
На пример, у флуоресцентној микроскопији, низак однос сигнал/шум (SNR) може довести до тога да се слабо флуоресцентни узорак стопи са позадином, чинећи квантитативну анализу непоузданом. У астрономији, слабе звезде или галаксије могу потпуно нестати у шумним подацима.
Међутим, постоје и фактори унутар саме камере – примарни фактор је однос сигнал/шум. Даље, а посебно при слабом осветљењу, скалирање интензитета слике, начин на који се слика приказује на монитору, игра велику улогу у перципираном контрасту слике. Са високим шумом у тамним деловима слике, алгоритми за аутоматско скалирање слике могу имати доњу границу подешену прениско због пиксела са ниским нивоом шума, док је горња граница повећана због шума у пикселима са високим сигналом. То је узрок карактеристичног „испраног“ сивог изгледа слика са ниским односом сигнал/шум. Бољи контраст се може постићи подешавањем доње границе на помак камере.
Фактори који утичу на однос сигнал/шум (SNR) код научних камера
Неколико параметара дизајна и рада утиче на однос сигнал/шум (SNR) система камере:
Технологија сензора
● sCMOS – Комбинује низак ниво шума при читању и високу брзину кадрова, идеално за динамичко снимање.
● CCD – Историјски гледано нуди низак ниво шума при дугим експозицијама, али је спорији од модерних CMOS дизајна.
● EMCCD – Користи појачање на чипу за појачавање слабих сигнала, али може увести мултипликативни шум.
Величина пиксела и фактор попуњавања
Већи пиксели сакупљају више фотона, повећавајући сигнал и тиме однос сигнал/шум (SNR).
Квантна ефикасност (КЕ)
Већи QE значи да се више долазних фотона претвара у електроне, побољшавајући SNR.
Време излагања
Дуже експозиције сакупљају више фотона, повећавајући сигнал, али могу такође повећати шум тамне струје.
Системи за хлађење
Хлађење смањује тамну струју, значајно побољшавајући однос сигнал/шум (SNR) за дуге експозиције.
Оптика и осветљење
Висококвалитетна сочива и стабилно осветљење максимизирају снимање сигнала и минимизирају варијабилност.
Примери различитих вршних вредности SNR-а
У области снимања, PSNR се често односи на теоријски максимум у односу на засићеност пиксела. Упркос разликама у субјектима снимања, условима снимања и технологији камере, код конвенционалних научних камера, слике са истим односом сигнал-шум могу имати сличности. Степен „зрнатости“, варијације од кадра до кадра и донекле контраст, могу бити слични у овим различитим условима. Стога је могуће разумети вредности SNR-а и различите услове и изазове које оне подразумевају из репрезентативних слика, као што су оне приказане у табели.
НАПОМЕНА: Вредности вршних сигнала у фотоелектронима за сваки ред дате су плавом бојом. Све слике су приказане са аутоматским скалирањем хистограма, игноришући (засићење) 0,35% најсветлијих и најтамнијих пиксела. Леве две колоне слике: Сликање тест мете засновано на сочиву. Десне четири колоне: Аскарида снимљена флуоресценцијом помоћу микроскопског објектива са увећањем од 10x. Да би се илустровале варијације вредности пиксела од кадра до кадра при нижем односу сигнал/шум, дата су три узастопна кадра.
Приказана је слика тест мете добијена сочивом, заједно са сликом флуоресцентне микроскопије, заједно са увећаним приказом флуоресцентне слике који приказује варијацију унутар 3 узастопна кадра. Такође је дат и вршни број фотоелектрона на сваком нивоу сигнала.
Следећа слика приказује пуне верзије ових примерних слика ради референце.
Слике у пуној величини коришћене за табелу са примерима односа сигнал-шум
ЛевоМета за тестирање снимања фотографисана објективом.
ДесноУзорак пресека црва нематоде Ascaris посматран флуоресцентном микроскопијом при увећању од 10 пута.
SNR у апликацијама
SNR је критичан у различитим областима:
● Микроскопија – Детекција слабе флуоресценције у биолошким узорцима захтева висок однос сигнал/шум (SNR) како би се избегли лажно негативни резултати.
● Астрономија – Идентификација удаљених галаксија или егзопланета захтева дуге експозиције са минималним шумом.
● Спектроскопија – Висок однос сигнал/шум (SNR) обезбеђује прецизна мерења интензитета пикова у хемијској анализи.
● Индустријска инспекција – У монтажним линијама са слабом светлошћу, висок однос сигнал/шум (SNR) помаже у поузданом откривању дефеката.
Избор научне камере са правим односом сигнал-шум (SNR)
Приликом процене нове научне камере:
●Проверите спецификације SNR-а– Упоредите вредности dB под условима сличним вашим условима примене.
●Уравнотежите остале метрике– Размотрите квантну ефикасност, динамички опсег и брзину кадрова.
●Ускладите технологију са случајем употребе– За динамичке сцене велике брзине, sCMOS камера може бити идеална; за статичке објекте са ултраслабим осветљењем, хлађени CCD или EMCCD могу боље дати резултате.
●Повезивање за ефикасност радног процеса– Иако не утичу директно на однос сигнал/шум, функције попут HDMI излаза могу омогућити преглед слике у реалном времену, помажући вам да брзо проверите да ли ваша подешавања аквизиције постижу жељени однос сигнал/шум.
Закључак
Однос сигнал-шум (SNR) је кључна метрика перформанси која директно утиче на јасноћу и поузданост научних слика. Разумевање како је SNR дефинисан, фактора који на њега утичу и импликација различитих вредности SNR-а омогућава истраживачима и техничким корисницима да ефикасније процене системе за снимање. Применом овог знања - било да се ради о избору новогнаучна камераили оптимизацијом постојећег подешавања — можете осигурати да ваш ток рада са сликама снима податке са нивоом прецизности потребним за вашу специфичну апликацију.
Честа питања
Шта се сматра „добрим“ односом сигнал/шум (SNR) за научне камере?
Идеалан однос сигнал/шум (SNR) зависи од примене. За веома захтевне, квантитативне радове – као што су флуоресцентна микроскопија или астрономија – генерално се препоручује SNR изнад 40 dB, јер производи слике са минималним видљивим шумом и чува фине детаље. За општу лабораторијску употребу или индустријску инспекцију, 35–40 dB може бити довољно. Све испод 30 dB ће обично показати видљиво зрно и може угрозити тачност, посебно у ситуацијама ниског контраста.
Како квантна ефикасност (КЕ) утиче на однос сигнал/шум (SNR)?
Квантна ефикасност мери колико ефикасно сензор претвара долазеће фотоне у електроне. Већи QE значи да се више расположиве светлости хвата као сигнал, појачавајући бројилац у једначини SNR. Ово је посебно важно у сценаријима слабог осветљења, где је сваки фотон важан. На пример, sCMOS камера са QE од 80% ће постићи већи SNR под идентичним условима у поређењу са сензором са QE од 50%, једноставно зато што хвата више употребљивог сигнала.
Која је разлика између односа сигнал-шум (SNR) и односа контраст-шум (CNR)?
Док SNR мери укупну јачину сигнала у односу на шум, CNR се фокусира на видљивост одређене карактеристике у односу на њену позадину. У научном снимању, оба су важна: SNR вам говори колико је слика укупно „чиста“, док CNR одређује да ли се одређени објекат од интереса довољно истиче за детекцију или мерење.
Желите да сазнате више? Погледајте повезане чланке:
Квантна ефикасност у научним камерама: Водич за почетнике
Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com
