25/09/11Katika mfumo wowote wa vipimo - kutoka kwa mawasiliano yasiyotumia waya hadi upigaji picha dijitali - uwiano wa mawimbi hadi kelele (SNR) ni kigezo cha msingi cha ubora. Iwe unachanganua picha za darubini, kuboresha rekodi za maikrofoni, au kusuluhisha kiungo kisichotumia waya, SNR inakuambia ni taarifa ngapi muhimu zinazotofautishwa na kelele zisizohitajika za chinichini.
Lakini kuhesabu SNR kwa usahihi sio rahisi kila wakati. Kulingana na mfumo, vipengele vya ziada kama vile mkondo wa giza, sauti ya kusoma, au kuunganisha pikseli huenda vikahitaji kuzingatiwa. Mwongozo huu unakuelekeza katika nadharia, fomula za msingi, makosa ya kawaida, matumizi, na njia za vitendo za kuboresha SNR, na kuhakikisha kuwa unaweza kuitumia kwa usahihi katika anuwai ya miktadha.
Uwiano wa Ishara-kwa-Kelele (SNR) ni Nini?
Katika msingi wake, uwiano wa mawimbi kwa kelele hupima uhusiano kati ya nguvu ya mawimbi unayotaka na kelele ya chinichini inayoificha.
● Ishara = taarifa yenye maana (kwa mfano, sauti katika simu, nyota katika taswira ya darubini).
● Kelele = mabadiliko ya nasibu, yasiyotakikana ambayo yanapotosha au kuficha mawimbi (kwa mfano, tuli, kelele ya kitambuzi, muingiliano wa umeme).
Kihisabati, SNR inafafanuliwa kama:
Kwa sababu uwiano huu unaweza kutofautiana kulingana na maagizo mengi ya ukubwa, SNR kawaida huonyeshwa kwa desibeli (dB):
● High SNR (km, 40 dB): mawimbi hutawala, hivyo kusababisha taarifa wazi na ya kuaminika.
● SNR ya Chini (kwa mfano, dB 5): kelele huzidi mawimbi, hivyo kufanya tafsiri kuwa ngumu.
Jinsi ya kuhesabu SNR
Uhesabuji wa uwiano wa mawimbi kwa kelele unaweza kufanywa kwa viwango tofauti vya usahihi kulingana na vyanzo vya kelele vilivyojumuishwa. Katika sehemu hii, fomu mbili zitaanzishwa: moja ambayo inahesabu sasa giza na moja ambayo inadhani inaweza kupuuzwa.
Kumbuka: Kuongeza thamani za kelele zinazojitegemea kunahitaji kuziongeza kwa quadrature. Kila chanzo cha kelele ni mraba, muhtasari, na mzizi wa mraba wa jumla unachukuliwa.
Uwiano wa mawimbi hadi kelele na mkondo wa giza
Ifuatayo ni mlinganyo wa kutumia katika hali ambapo kelele ya giza ya sasa ni kubwa ya kutosha kuhitaji kujumuishwa:
Hapa kuna ufafanuzi wa maneno:
Mawimbi (e-): Hii ni ishara ya kupendezwa na elektroni za picha, huku mawimbi ya giza ya sasa yakitolewa
Mawimbi ya Jumla (e-) itakuwa hesabu ya photoelectron katika pikseli ya riba - sio thamani ya pikseli katika vitengo vya viwango vya kijivu. Mfano wa pili wa Mawimbi (e-), chini ya equation, ni kelele ya picha.
Mkondo wa giza (DC):Thamani ya giza ya sasa ya pikseli hiyo.
t: Muda wa mwangaza katika sekunde
σ:Soma kelele katika hali ya kamera.
Uwiano wa mawimbi hadi kelele kwa mkondo wa giza usio na maana
Katika kesi fupi (
Ambapo maneno yameonyeshwa tena kama ilivyofafanuliwa hapo juu, isipokuwa kwamba mawimbi ya giza ya sasa hayahitaji kuhesabiwa na kutolewa kutoka kwa mawimbi kwani inapaswa kuwa sifuri.
Mapungufu ya fomula hizi na masharti yanayokosekana
Fomula zilizo kinyume zitatoa majibu sahihi kwa CCD naKamera za CMOS. EMCCD na vifaa vilivyoimarishwa huanzisha vyanzo vya ziada vya kelele, kwa hivyo milinganyo hii haiwezi kutumika. Kwa uwiano kamili zaidi wa mawimbi kati ya mawimbi kwa kelele ambao huchangia michango hii na mingineyo.
Neno lingine la kelele ambalo (au lililotumika) kwa kawaida hujumuishwa katika milinganyo ya SNR ni lile la kutofanana kwa majibu ya picha (PRNU), pia wakati mwingine huitwa 'kelele za muundo usiobadilika' (FPN). Hii inawakilisha usawa wa faida na mwitikio wa ishara kote kwenye kihisi, ambacho kinaweza kutawala kwa mawimbi ya juu ikiwa ni kubwa vya kutosha, hivyo basi kupunguza SNR.
Ingawa kamera za mapema zilikuwa na PRNU muhimu ya kutosha kuhitaji ushirikishwaji wake, wa kisasa zaidikamera za kisayansikuwa na PRNU ya chini vya kutosha kutoa mchango wake chini ya ule wa kelele ya risasi za fotoni, haswa baada ya masahihisho ya ubaoni kutumiwa. Kwa hivyo, sasa, kwa kawaida hupuuzwa katika hesabu za SNR. Hata hivyo, PRNU bado ni muhimu kwa baadhi ya kamera na programu, na imejumuishwa katika mlinganyo wa hali ya juu zaidi wa SNR kwa ukamilifu. Hii ina maana kwamba milinganyo iliyotolewa ni muhimu kwa mifumo mingi ya CCD/CMOS lakini haipaswi kuchukuliwa kuwa inatumika kwa wote.
Aina za Kelele katika Mahesabu ya SNR
Kuhesabu SNR sio tu kulinganisha mawimbi dhidi ya thamani moja ya kelele. Kwa mazoezi, vyanzo vingi vya kelele huru huchangia, na kuelewa kwao ni muhimu.
Risasi Kelele
● Asili: kuwasili kwa takwimu kwa fotoni au elektroni.
● Mizani yenye mzizi wa mraba wa mawimbi.
● Hutawala katika upigaji picha usio na kipimo cha fotoni (unajimu, hadubini ya fluorescence).
Kelele ya joto
● Pia huitwa kelele ya Johnson–Nyquist, inayotolewa na mwendo wa elektroni katika vipingamizi.
● Huongezeka kulingana na halijoto na kipimo data.
● Muhimu katika mawasiliano ya kielektroniki na bila waya.
Kelele ya Giza ya Sasa
● Tofauti nasibu katika mkondo wa giza ndani ya vitambuzi.
● Muhimu zaidi katika mfiduo wa muda mrefu au vitambua joto.
● Hupunguzwa kwa kupoza kihisi.
Soma Kelele
● Kelele kutoka kwa vikuza sauti na ubadilishaji wa analogi hadi dijitali.
● Imewekwa kwa kila usomaji, ni muhimu sana katika mifumo ya mawimbi ya chini.
Kelele ya Quantization
● Imeanzishwa kwa uwekaji dijitali (kuzunguka kwa viwango tofauti).
● Muhimu katika mifumo ya kina kidogo (km, sauti ya biti 8).
Kelele za Mazingira/Mfumo
● EMI, crosstalk, ripple ya usambazaji wa nishati.
● Inaweza kutawala ikiwa ulinzi/uwekaji ardhi ni duni.
Kuelewa ni ipi kati ya hizi ni kubwa husaidia katika kuchagua fomula sahihi na njia ya kupunguza.
Makosa ya kawaida katika kuhesabu SNR
Ni rahisi kupata mbinu nyingi za 'njia ya mkato' kukadiria uwiano wa mawimbi kati ya kelele katika upigaji picha. Hizi huwa si changamano kidogo kuliko milinganyo iliyo kinyume, huruhusu upataji rahisi kutoka kwa picha yenyewe badala ya kuhitaji ujuzi wa vigezo vya kamera kama vile kelele ya kusoma, au zote mbili. Kwa bahati mbaya, kuna uwezekano kwamba kila moja ya njia hizi sio sahihi, na itasababisha matokeo yaliyopotoka na yasiyofaa. Inashauriwa sana kwamba milinganyo kinyume (au toleo la juu litumike katika visa vyote.
Baadhi ya njia za mkato za uwongo za kawaida ni pamoja na:
1, Kulinganisha ukubwa wa mawimbi dhidi ya ukubwa wa mandharinyuma, katika viwango vya kijivu. Mbinu hii inajaribu kutathmini unyeti wa kamera, nguvu ya mawimbi au uwiano wa mawimbi kwa kelele kwa kulinganisha kasi ya kilele na kasi ya chinichini. Mbinu hii ina dosari kubwa kwani ushawishi wa urekebishaji wa kamera unaweza kuweka kiholela ukubwa wa nyuma, faida inaweza kuweka kiholela kasi ya mawimbi, na hakuna mchango wa kelele katika mawimbi au chinichini unaozingatiwa.
2、 Kugawanya kilele cha mawimbi kwa mkengeuko wa kawaida wa eneo la saizi za usuli. Au, kulinganisha maadili ya kilele na kelele inayoonekana chinichini iliyofichuliwa na wasifu wa mstari. Kwa kudhani kuwa urekebishaji umetolewa kwa usahihi kutoka kwa maadili kabla ya mgawanyiko, hatari kubwa zaidi katika mbinu hii ni uwepo wa mwanga wa nyuma. Mwangaza wowote wa mandharinyuma kwa kawaida utatawala kelele katika pikseli za usuli. Zaidi ya hayo, kelele katika ishara ya riba, kama vile kelele ya risasi, haizingatiwi hata kidogo.
3、 Mawimbi ya wastani katika pikseli za riba dhidi ya mkengeuko wa kawaida wa thamani za pikseli: Kulinganisha au kuangalia ni kiasi gani mawimbi ya kilele hubadilika kwenye pikseli za jirani au fremu zinazofuatana ni karibu kuwa sahihi kuliko mbinu zingine za mkato, lakini hakuna uwezekano wa kuepuka vishawishi vingine vinavyopotosha thamani, kama vile mabadiliko ya mawimbi ambayo hayatokani na kelele. Njia hii pia inaweza kuwa isiyo sahihi kwa sababu ya hesabu za chini za saizi katika kulinganisha. Utoaji wa thamani ya kukabiliana lazima pia usisahau.
4、 Kukokotoa SNR bila kugeukia vitengo vya ukubwa wa elektroni za picha, au bila kuondoa kifaa: Kwa kuwa kelele ya picha za photoni kwa kawaida ndicho chanzo kikuu cha kelele na inategemea ujuzi wa jinsi kamera inavyofanya kazi na kupata faida ya kipimo, haiwezekani kuepuka kukokotoa kurudi kwenye elektroni kwa ajili ya ukokotoaji wa SNR.
5, Kuhukumu SNR kwa jicho: Ingawa katika hali fulani kuhukumu au kulinganisha SNR kwa jicho kunaweza kuwa na manufaa, pia kuna mitego isiyotarajiwa. Kuamua SNR katika pikseli za thamani ya juu inaweza kuwa ngumu kuliko thamani ya chini au pikseli za mandharinyuma. Athari za hila zaidi pia zinaweza kuchukua jukumu: Kwa mfano, vichunguzi tofauti vya kompyuta vinaweza kutoa picha zenye utofautishaji tofauti sana. Zaidi ya hayo, kuonyesha picha katika viwango tofauti vya kukuza katika programu kunaweza kuathiri pakubwa mwonekano wa taswira wa kelele. Hili ni tatizo hasa ikiwa unajaribu kulinganisha kamera na saizi tofauti za saizi za nafasi ya kitu. Hatimaye, uwepo wa mwanga wa mandharinyuma unaweza kubatilisha jaribio lolote la kuhukumu SNR kwa macho.
Maombi ya SNR
SNR ni kipimo cha jumla chenye matumizi mapana:
● Rekodi ya Sauti na Muziki: Hubainisha uwazi, masafa yanayobadilika, na uaminifu wa rekodi.
● Mawasiliano Isiyo na Waya: SNR inahusiana moja kwa moja na viwango vya makosa kidogo (BER) na upitishaji wa data.
● Upigaji picha wa Kisayansi: Katika unajimu, ili kugundua nyota hafifu dhidi ya mwanga wa chinichini wa anga kunahitaji SNR ya juu.
● Vifaa vya Matibabu: Uchunguzi wa ECG, MRI, na CT hutegemea SNR ya juu ili kutofautisha ishara na kelele za kisaikolojia.
● Kamera na Upigaji Picha: Kamera za watumiaji na vihisi vya CMOS vya kisayansi hutumia SNR kupima utendaji katika mwanga wa chini.
Kuboresha SNR
Kwa kuwa SNR ni hatua muhimu sana, juhudi kubwa huenda katika kuiboresha. Mikakati ni pamoja na:
Mbinu za Vifaa
● Tumia vitambuzi bora vilivyo na mkondo wa giza wa chini.
● Tumia ulinzi na uwekaji ardhi ili kupunguza EMI.
● Vitambua joto ili kukandamiza kelele ya joto.
Mbinu za Programu
● Tumia vichujio vya dijitali ili kuondoa masafa yasiyotakikana.
● Tumia wastani katika fremu nyingi.
● Tumia kanuni za kupunguza kelele katika upigaji picha au usindikaji wa sauti.
Pixel Binning na Athari Zake kwenye SNR
Athari ya kuunganisha kwenye uwiano wa mawimbi kwa kelele inategemea teknolojia ya kamera na tabia ya kihisi, kwani utendakazi wa kelele wa kamera zilizofungiwa na zisizofungwa unaweza kutofautiana kwa kiasi kikubwa.
Kamera za CCD zinaweza kujumlisha chaji ya pikseli zilizo karibu 'on-chip'. Kelele ya usomaji hutokea mara moja tu, ingawa mawimbi ya giza ya sasa kutoka kwa kila pikseli pia itafupishwa.
Kamera nyingi za CMOS hufanya kazi ya kufunga chip, kumaanisha kwamba thamani hupimwa kwanza (na kusoma kelele huletwa), na kisha kujumlishwa kidijitali. Kelele inayosomwa ya majumuisho kama haya huongezeka ingawa kuzidisha kwa mzizi wa mraba wa idadi ya pikseli zilizofupishwa, yaani kwa kipengele cha 2 kwa 2x2 binning.
Kwa vile tabia ya kelele ya vitambuzi inaweza kuwa ngumu, kwa matumizi ya kiasi, inashauriwa kupima jinsi ya kukabiliana, kupata na kusoma kelele ya kamera katika hali iliyopigwa marufuku, na kutumia maadili haya kwa mlingano wa uwiano wa mawimbi kati ya mawimbi hadi kelele.
Hitimisho
Uwiano wa ishara-kwa-kelele (SNR) ni mojawapo ya vipimo muhimu zaidi katika sayansi, uhandisi na teknolojia. Kuanzia kufafanua uwazi katika simu hadi kuwezesha ugunduzi wa galaksi za mbali, SNR husisitiza ubora wa mifumo ya vipimo na mawasiliano. Kujua SNR sio tu kuhusu kukariri fomula - ni juu ya kuelewa mawazo, vikwazo, na biashara ya ulimwengu halisi. Kwa mtazamo huu, wahandisi na watafiti wanaweza kufanya vipimo vya kuaminika zaidi na mifumo ya kubuni ambayo hutoa maarifa ya maana hata katika hali ya kelele.
Je, ungependa kujifunza zaidi? Angalia makala zinazohusiana:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Haki zote zimehifadhiwa. Unapotaja, tafadhali tambua chanzo:www.tucsen.com
