25/08/19Linapokuja suala la kunasa picha sahihi na za kuaminika katika utafiti wa kisayansi, ubora wa data yako unategemea zaidi ya azimio au ukubwa wa kihisi. Mojawapo ya vipimo muhimu zaidi—lakini wakati mwingine hupuuzwa—ni Uwiano wa Mawimbi hadi Kelele (SNR). Katika mifumo ya kupiga picha, SNR huamua jinsi unavyoweza kutofautisha kwa uwazi ishara halisi (maelezo muhimu) na kelele zisizohitajika.
Katika programu za kisayansi za upigaji picha kama vile hadubini, unajimu, na taswira, SNR duni inaweza kumaanisha tofauti kati ya kugundua lengo hafifu na kulikosa kabisa. Makala haya yanachunguza jinsi SNR inavyofafanuliwa, kwa nini ni muhimu, jinsi inavyoathiri utofautishaji, na jinsi ya kuchagua na kuboresha kamera ya kisayansi kulingana na kipimo hiki muhimu.
Uwiano wa Ishara-kwa-Kelele ni Nini na Unafafanuliwaje?
Uwiano wa Mawimbi kwa Kelele (SNR) ndicho kipimo muhimu zaidi cha ubora wa picha zetu, cha msingi katika utofautishaji wa picha, na mara nyingi ndicho kipengele muhimu zaidi cha kuamua ikiwa kamera ni nyeti vya kutosha kwa programu yako.
Majaribio ya kuboresha usikivu wa kamera yanahusu kuboresha mawimbi yaliyokusanywa:
● Kupitia uboreshaji wa ufanisi wa quantum au ongezeko la saizi ya pikseli
● Kupunguza vyanzo vya kelele vinavyotegemea kamera
Vyanzo vya kelele hujumuika pamoja, lakini kulingana na hali ambayo mtu anaweza kutawala, na inapaswa kuangaziwa wakati wa kujaribu kuboresha SNR - ama kwa kuboresha mipangilio au kusanidi, au kupata toleo jipya la vyanzo bora vya mwanga, optics na kamera.
Ni neno fupi la kawaida kuelezea picha kulingana na uwiano wa mawimbi kati ya mawimbi hadi kelele, kwa mfano kudai kuwa picha ina SNR ya '15'. Walakini, kama inavyoonekana kutoka kwa jina, uwiano wa ishara-kwa-kelele hutegemea ishara, ambayo bila shaka itakuwa tofauti kwa kila pikseli. Hii ndiyo inatupa sura yetu.
SNR ya picha kwa kawaida hurejelea SNR ya kilele cha ishara ya kuvutia ndani ya picha. Kwa mfano, SNR kutoka kwa picha ya seli za umeme kwenye mandharinyuma meusi inaweza kutumia kiwango cha juu cha mawimbi kutoka kwa pikseli za muundo wa kuvutia ndani ya kisanduku.
Sio mwakilishi kuchukua, kwa mfano, thamani ya wastani ya SNR ya picha nzima. Katika mbinu kama vile hadubini ya fluorescence ambapo mandharinyuma meusi yenye fotoni sifuri inayotambuliwa inaweza kuwa ya kawaida, pikseli hizi za mawimbi sufuri zina SNR ya sifuri. Kwa hivyo, wastani wowote kwenye picha utategemea ni saizi ngapi za usuli zilizokuwa zikionekana.
Kwa nini SNR Ni Muhimu kwa Kamera za Kisayansi
Katika upigaji picha wa kisayansi, SNR huathiri moja kwa moja jinsi unavyoweza kutambua maelezo hafifu, kupima data ya kiasi na kutoa matokeo.
●Uwazi wa Picha- SNR ya juu hupunguza uchangamfu na hufanya muundo mzuri kuonekana.
●Usahihi wa Data- Hupunguza makosa ya kipimo katika majaribio ya msingi wa nguvu.
●Utendaji wa Mwanga wa Chini- Muhimu kwa hadubini ya fluorescence, unajimu wa anga-juu, na taswira, ambapo hesabu za fotoni ni za chini kiasili.
Ikiwa unatumia aKamera ya sCMOSkwa upigaji picha wa kasi ya juu au CCD iliyopozwa kwa programu za kukaribia aliyeambukizwa kwa muda mrefu, kuelewa SNR hukusaidia kusawazisha utendakazi.
Jinsi SNR Inavyoathiri Utofautishaji wa Picha
Utofautishaji ni tofauti ya kiasi katika ukubwa kati ya maeneo ya mwanga na maeneo ya giza ya picha. Kwa programu nyingi, utofautishaji mzuri wa picha ndani ya maeneo yanayokuvutia ndio lengo kuu la mwisho.
Kuna mambo mengi ndani ya somo la upigaji picha, mfumo wa macho na hali za upigaji picha ambazo ndizo vigezo kuu vya kubainisha utofautishaji wa picha, kama vile ubora wa lenzi na kiasi cha mwanga wa usuli.
●Kiwango cha juu cha SNR→ Tofauti tofauti kati ya maeneo angavu na yenye giza; edges kuonekana crisp; maelezo mafupi yanaendelea kuonekana.
●Kiwango cha chini cha SNR→ Maeneo meusi hung'aa zaidi kwa sababu ya kelele, maeneo angavu hupungua, na utofautishaji wa picha kwa ujumla husawazishwa.
Kwa mfano, katika hadubini ya fluorescence, SNR ya chini inaweza kufanya sampuli dhaifu ya fluorescent iunganishwe chinichini, na kufanya uchanganuzi wa kiasi usiwe wa kutegemewa. Katika unajimu, nyota dhaifu au galaksi zinaweza kutoweka kabisa katika data yenye kelele.
Hata hivyo, pia kuna mambo ndani ya kamera yenyewe - jambo la msingi likiwa Uwiano wa Mawimbi kwa Kelele. Zaidi, na hasa kwa mwanga mdogo, kuongeza ukubwa wa picha, jinsi picha inavyoonyeshwa kwenye kufuatilia, ina jukumu kubwa katika utofautishaji wa picha unaoonekana. Kwa kelele ya juu katika maeneo yenye giza ya picha, algoriti za kuongeza picha kiotomatiki zinaweza kuweka kipimo chao cha chini kuwa cha chini sana kwa pikseli za kelele za thamani ya chini, huku ukingo wa juu ukiongezwa na kelele katika pikseli za mawimbi ya juu. Hii ndio sababu ya tabia ya kuonekana kwa kijivu 'kuoshwa-nje' ya picha za SNR za chini. Tofauti bora inaweza kupatikana kwa kuweka kifungo cha chini kwa kukabiliana na kamera.
Mambo Yanayoathiri SNR katika Kamera za Kisayansi
Vigezo kadhaa vya muundo na uendeshaji huathiri SNR ya mfumo wa kamera:
Teknolojia ya Sensor
● sCMOS - Inachanganya kelele ya chini ya kusoma na viwango vya juu vya fremu, bora kwa upigaji picha unaobadilika.
● CCD - Kihistoria hutoa kelele ya chini katika mwangaza wa muda mrefu, lakini polepole zaidi kuliko miundo ya kisasa ya CMOS.
● EMCCD - Hutumia ukuzaji kwenye chipu ili kuongeza mawimbi dhaifu, lakini inaweza kuanzisha kelele nyingi.
Ukubwa wa Pixel na Kipengele cha Kujaza
Pikseli kubwa hukusanya fotoni zaidi, na kuongeza mawimbi na hivyo SNR.
Ufanisi wa Quantum (QE)
QE ya juu inamaanisha fotoni nyingi zinazoingia hubadilishwa kuwa elektroni, kuboresha SNR.
Muda kwa kuwepo hatarini
Mfiduo mrefu zaidi hukusanya fotoni zaidi, na kuongeza mawimbi, lakini pia kunaweza kuongeza kelele ya giza ya sasa.
Mifumo ya Kupoeza
Kupoeza hupunguza mkondo wa giza, na kuboresha kwa kiasi kikubwa SNR kwa mfiduo wa muda mrefu.
Optics na Mwangaza
Lenzi za ubora wa juu na mwangaza thabiti huongeza kunasa mawimbi na kupunguza utofauti.
Mifano ya Maadili Tofauti ya Peak SNR
Katika upigaji picha, PSNR mara nyingi hurejelea upeo wa juu wa kinadharia na ujazo wa pikseli. Licha ya tofauti katika masomo ya picha, hali ya picha na teknolojia ya kamera, kwa kamera za kisayansi za kawaida, picha zilizo na uwiano sawa wa ishara-kwa-kelele zinaweza kuwa na kufanana. Kiwango cha 'nafaka', tofauti kutoka kwa fremu hadi fremu, na kwa kiasi fulani utofautishaji, zote zinaweza kufanana katika hali hizi tofauti. Kwa hivyo, inawezekana kupata ufahamu wa thamani za SNR na hali tofauti na changamoto zinazoashiria kutokana na picha wakilishi, kama vile zinazoonyeshwa kwenye jedwali.
KUMBUKA: Maadili ya kilele cha mawimbi katika elektroni kwa kila safu hutolewa kwa bluu. Picha zote zinaonyeshwa kwa kipimo cha histogram otomatiki, ikipuuza (kueneza)0.35% ya pikseli zinazong'aa na nyeusi zaidi. Safu wima mbili za picha kushoto: Upigaji picha unaotegemea lenzi wa lengo la jaribio la upigaji picha. Safu wima nne za kulia: Ascaris iliyonaswa katika mwanga wa umeme kwa lengo la hadubini ya 10x. Ili kuonyesha tofauti za fremu-kwa-fremu katika thamani za pikseli katika SNR ya chini, fremu tatu mfululizo zimetolewa.
Picha inayotegemea lenzi ya lengo la jaribio, pamoja na picha ya hadubini ya mwangaza zote zinaonyeshwa, pamoja na mwonekano uliokuzwa wa picha ya umeme inayoonyesha tofauti ndani ya fremu 3 zinazofuatana. Hesabu ya kilele cha picha-elektroni katika kila kiwango cha ishara pia hutolewa.
Kielelezo kifuatacho kinaonyesha matoleo kamili ya picha hizi za mfano kwa marejeleo.
Picha za ukubwa kamili zinazotumika kwa jedwali la mifano ya uwiano wa mawimbi kati ya kelele
Kushoto: Lengo la jaribio la kupiga picha lililopigwa picha na lenzi.
Sawa: Sampuli ya sehemu ya minyoo ya Ascaris nematode inayotazamwa kwa hadubini ya fluorescence katika ukuzaji wa 10x.
SNR katika Maombi
SNR ni dhamira muhimu katika nyanja mbalimbali:
● Microscopy - Kugundua mwanga hafifu wa umeme katika sampuli za kibayolojia kunahitaji SNR ya juu ili kuepuka hasi zisizo za kweli.
● Unajimu - Kutambua galaksi za mbali au sayari za exoplaneti hudai kufichuliwa kwa muda mrefu na kelele kidogo.
● Spectroscopy - High SNR huhakikisha vipimo sahihi vya kiwango cha juu katika uchanganuzi wa kemikali.
● Ukaguzi wa Viwanda - Katika njia za kuunganisha zenye mwanga hafifu, SNR ya juu husaidia kutambua kasoro kwa uhakika.
Kuchagua Kamera ya Kisayansi yenye SNR Sahihi
Wakati wa kutathmini kamera mpya ya kisayansi:
●Angalia Vipimo vya SNR- Linganisha thamani za dB chini ya hali sawa na programu yako.
●Sawazisha Vipimo Vingine- Zingatia ufanisi wa quantum, anuwai inayobadilika, na kasi ya fremu.
●Linganisha Teknolojia ya Kutumia Kesi- Kwa matukio ya kasi ya juu, kamera ya sCMOS inaweza kuwa bora; kwa masomo tuli ya mwangaza wa chini zaidi, CCD iliyopozwa au EMCCD inaweza kufanya vyema zaidi.
●Muunganisho kwa Ufanisi wa Mtiririko wa Kazi- Ingawa haiathiri SNR moja kwa moja, vipengele kama vile utoaji wa HDMI vinaweza kuwezesha ukaguzi wa picha katika wakati halisi, kukusaidia kuthibitisha kwa haraka kuwa mipangilio yako ya upataji kufikia SNR inayohitajika.
Hitimisho
Uwiano wa Mawimbi hadi Kelele (SNR) ni kipimo kikuu cha utendakazi ambacho huathiri moja kwa moja uwazi na uaminifu wa picha za kisayansi. Kuelewa jinsi SNR inavyofafanuliwa, vipengele vinavyoiathiri, na athari za thamani tofauti za SNR huruhusu watafiti na watumiaji wa kiufundi kutathmini mifumo ya upigaji picha kwa ufanisi zaidi. Kwa kutumia ujuzi huu—iwe katika kuchagua mpyakamera ya kisayansiau kuboresha usanidi uliopo—unaweza kuhakikisha kwamba utendakazi wako wa kupiga picha unanasa data kwa kiwango cha usahihi kinachohitajika kwa programu yako mahususi.
Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara
Ni nini kinachochukuliwa kuwa SNR "nzuri" kwa kamera za kisayansi?
SNR bora inategemea programu. Kwa kazi inayohitaji sana na ya kiasi—kama vile hadubini ya umeme au astronomia—SNR iliyo zaidi ya 40 dB inapendekezwa kwa ujumla, kwani hutoa picha zenye kelele kidogo inayoonekana na kuhifadhi maelezo mazuri. Kwa matumizi ya jumla ya maabara au ukaguzi wa viwanda, 35-40 dB inaweza kutosha. Kitu chochote kilicho chini ya 30 dB kitaonyesha nafaka inayoonekana na kinaweza kuathiri usahihi, hasa katika hali za utofautishaji wa chini.
Ufanisi wa quantum (QE) unaathiri vipi SNR?
Ufanisi wa Quantum hupima jinsi kihisi hubadilisha fotoni zinazoingia kuwa elektroni. QE ya juu ina maana zaidi ya mwanga unaopatikana unanaswa kama mawimbi, hivyo basi kuongeza nambari katika mlinganyo wa SNR. Hii ni muhimu sana katika hali zenye mwanga mdogo, ambapo kila fotoni inahesabiwa. Kwa mfano, kamera ya sCMOS yenye QE ya 80% itafikia SNR ya juu chini ya hali sawa ikilinganishwa na kitambuzi chenye 50% QE, kwa sababu tu inanasa mawimbi inayoweza kutumika zaidi.
Kuna tofauti gani kati ya SNR na Uwiano wa Tofauti-kwa-Kelele (CNR)?
Ingawa SNR hupima nguvu ya mawimbi ya jumla kuhusiana na kelele, CNR inaangazia mwonekano wa kipengele mahususi dhidi ya usuli wake. Katika upigaji picha wa kisayansi, zote mbili ni muhimu: SNR hukuambia jinsi picha ilivyo "safi" kwa ujumla, huku CNR huamua ikiwa kitu fulani cha kuvutia kinatosha kutambuliwa au kupimwa.
Je, ungependa kujifunza zaidi? Angalia makala zinazohusiana:
Ufanisi wa Quantum katika Kamera za Kisayansi: Mwongozo wa Wanaoanza
Tucsen Photonics Co., Ltd. Haki zote zimehifadhiwa. Unapotaja, tafadhali tambua chanzo:www.tucsen.com
