25/08/19Вақте ки сухан дар бораи ба даст овардани тасвирҳои дақиқ ва боэътимод дар тадқиқоти илмӣ меравад, сифати маълумоти шумо на танҳо аз қарор ё андозаи сенсор вобаста аст. Яке аз ченакҳои муҳимтарин, аммо баъзан нодида гирифташуда - таносуби сигнал ба садо (SNR) мебошад. Дар системаҳои тасвирӣ, SNR муайян мекунад, ки то чӣ андоза шумо сигнали воқеиро (маълумоти муфид) аз садои номатлуб фарқ карда метавонед.
Дар барномаҳои тасвирии илмӣ ба монанди микроскопия, астрономия ва спектроскопия, SNR-и камбизоат метавонад фарқияти байни ошкор кардани ҳадафи заиф ва тамоман гум кардани онро дошта бошад. Ин мақола меомӯзад, ки SNR чӣ гуна муайян карда мешавад, чаро он муҳим аст, он чӣ гуна ба контраст таъсир мерасонад ва чӣ гуна интихоб ва оптимизатсия кардани камераи илмиро дар асоси ин нишондиҳандаи муҳим меомӯзад.
Таносуби сигнал ба садо чист ва он чӣ гуна муайян карда мешавад?
Сигнал ба таносуби садо (SNR) муҳимтарин ченаки сифати тасвири мост, ки дар муқоисаи тасвир асосӣ ва аксаран омили муфидтарин муайянкунандаи он, ки оё камера барои барномаи шумо ҳассос аст ё не.
Кӯшишҳо барои беҳтар кардани ҳассосияти камера дар атрофи беҳтар кардани сигнали ҷамъовардашуда:
● Тавассути такмил додани самаранокии квантӣ ё афзоиши андозаи пиксел
● Кам кардани манбаъҳои садои аз камера вобаста
Сарчашмаҳои садо якҷоя мешаванд, аммо вобаста ба вазъият метавонад бартарӣ дошта бошад ва бояд ҳангоми кӯшиши беҳтар кардани SNR - ё тавассути оптимизатсияи танзимот ё танзим ё навсозӣ ба манбаъҳои беҳтари рӯшноӣ, оптика ва камераҳо тамаркуз карда шавад.
Ин стенографияи маъмул барои тавсифи тасвирҳо аз рӯи таносуби ягонаи сигнал ба садо аст, масалан, даъвои тасвири дорои SNR аз '15'. Аммо, тавре ки аз ном маълум аст, таносуби сигнал ба садо аз сигнал вобаста аст, ки албатта барои ҳар як пиксел фарқ мекунад. Ин аст он чизе ки ба мо симои моро медиҳад.
SNR-и тасвир маъмулан ба SNR-и сигнали қуллаи таваҷҷӯҳ дар дохили тасвир ишора мекунад. Масалан, SNR аз тасвири ҳуҷайраҳои флуоресцентӣ дар заминаи торик шиддатнокии баландтарини сигналро аз пикселҳои сохтори таваҷҷӯҳи дохили ҳуҷайра истифода мебарад.
Масалан, гирифтани арзиши миёна барои SNR-и тамоми тасвир намояндагӣ нест. Дар усулҳое, ба монанди микроскопияи флуоресцентӣ, ки дар он заминаи торик бо фотонҳои сифр ошкоршуда маъмул буда метавонанд, ин пикселҳои сигнали сифр SNR-и сифр доранд. Аз ин рӯ, ҳама гуна миёна дар саросари тасвир аз он вобаста аст, ки чӣ қадар пикселҳои замина дар назар буданд.
Чаро SNR барои камераҳои илмӣ муҳим аст
Дар тасвири илмӣ, SNR мустақиман ба он таъсир мерасонад, ки то чӣ андоза шумо метавонед ҷузъиёти ночизро муайян кунед, маълумоти миқдорӣ чен кунед ва натиҷаҳоро дубора тавлид кунед.
●Возеҳи тасвир- SNR баландтар донаҳоро коҳиш медиҳад ва сохторҳои хубро намоён месозад.
●Дурустии маълумот- Хатогиҳои андозагириро дар таҷрибаҳо дар асоси шиддат коҳиш медиҳад.
●Иҷрои нури паст- Барои микроскопияи флуоресцентӣ, астрофотографияи амиқ ва спектроскопия муҳим аст, ки дар он ҷо шумораи фотонҳо табиатан кам аст.
Новобаста аз он ки шумо aкамераи sCMOSбарои тасвири баландсуръат ё CCD сардшуда барои барномаҳои дарозмуддат, фаҳмиши SNR ба шумо кӯмак мекунад, ки мувозинатҳои иҷроишро мувозинат кунед.
Чӣ тавр SNR ба контрасти тасвир таъсир мерасонад
Контраст фарқияти нисбии шиддат байни минтақаҳои равшан ва торикии тасвир мебошад. Барои бисёре аз барномаҳо, контрасти хуби тасвир дар минтақаҳои мавриди таваҷҷӯҳ ҳадафи ниҳоӣ мебошад.
Дар доираи мавзӯи тасвир, системаи оптикӣ ва шароити тасвир омилҳои зиёде мавҷуданд, ки омилҳои асосии муайянкунандаи контрасти тасвир мебошанд, ба монанди сифати линза ва миқдори нури замина.
●SNR баланд→ Ҷудокунии дақиқ байни минтақаҳои равшан ва торик; кунҷҳо равшан ба назар мерасанд; тафсилоти нозук намоён мемонанд.
●SNR паст→ Майдонҳои торик аз сабаби садо равшантар мешаванд, минтақаҳои равшан хира мешаванд ва контрасти умумии тасвир ҳамвор мешавад.
Масалан, дар микроскопияи флуоресцентӣ, SNR-и паст метавонад омехтаи намунаи сусти флуоресцентиро ба замина табдил диҳад ва таҳлили миқдорӣро беэътимод гардонад. Дар астрономия, ситораҳо ё галактикаҳои суст метавонанд дар маълумоти пурғавғо комилан нопадид шаванд.
Аммо, дар дохили худи камера омилҳо низ мавҷуданд - омили асосӣ таносуби сигнал ба садо мебошад. Ғайр аз он, ва махсусан дар нури кам, миқёси шиддатнокии тасвир, ки чӣ гуна тасвир дар монитор нишон дода мешавад, дар контрасти дарки тасвир нақши калон мебозад. Бо садои баланд дар минтақаҳои торикии тасвир, алгоритмҳои миқёси худкори тасвир метавонанд сарҳади поёнии худро бо пикселҳои пурғавғои камарзиш хеле паст таъин кунанд, дар ҳоле ки сарҳади баландро садо дар пикселҳои баланди сигнал зиёд мекунад. Ин сабаби пайдоиши хоси хокистарии "шусташудаи" тасвирҳои пасти SNR мебошад. Бо гузоштани сарҳади поёнӣ ба ҷуброни камера контрасти беҳтар ба даст овардан мумкин аст.
Омилҳое, ки ба SNR дар камераҳои илмӣ таъсир мерасонанд
Якчанд параметрҳои тарроҳӣ ва амалиётӣ ба SNR-и системаи камера таъсир мерасонанд:
Технологияи сенсор
● sCMOS – Садои пасти хониш ва суръати баланди кадрҳоро муттаҳид мекунад, ки барои тасвири динамикӣ беҳтарин аст.
● CCD - Таърихан садои пастро дар экспозицияҳои дарозмуддат пешниҳод мекунад, аммо нисбат ба тарҳҳои муосири CMOS сусттар аст.
● EMCCD - Барои баланд бардоштани сигналҳои заиф амплификацияи чипро истифода мебарад, аммо метавонад садои мултипликативиро ҷорӣ кунад.
Андозаи пиксел ва омили пуркунӣ
Пикселҳои калонтар фотонҳои бештар ҷамъ мекунанд, сигналро зиёд мекунанд ва ҳамин тавр SNR.
Самаранокии квантӣ (QE)
QE баландтар маънои онро дорад, ки фотонҳои воридотӣ ба электронҳо табдил меёбанд ва SNR-ро беҳтар мекунанд.
Хуруҷи вакт
Гӯшдории дарозтар фотонҳоро ҷамъ карда, сигналро зиёд мекунад, аммо метавонад садои ҷараёни торикро зиёд кунад.
Системаҳои хунуккунӣ
Сардшавӣ ҷараёни торикро коҳиш медиҳад ва SNR-ро барои таъсири дарозмуддат ба таври назаррас беҳтар мекунад.
Оптика ва равшанӣ
Линзаҳои баландсифат ва равшании устувор гирифтани сигналро ба ҳадди аксар мерасонанд ва тағирёбиро кам мекунанд.
Намунаҳои арзишҳои гуногуни қуллаи SNR
Дар тасвир, PSNR аксар вақт ба ҳадди назариявӣ нисбат ба сершавии пиксел ишора мекунад. Сарфи назар аз фарқиятҳо дар мавзӯъҳои тасвирӣ, шароити тасвир ва технологияи камера, барои камераҳои илмии анъанавӣ, тасвирҳо бо таносуби як сигнал ба садо метавонанд монандӣ дошта бошанд. Дараҷаи 'донанокӣ', тағирот аз чаҳорчӯба ба чаҳорчӯба ва то андозае муқоиса, ҳама метавонанд дар ин шароитҳои гуногун монанд бошанд. Аз ин рӯ, мумкин аст фаҳмиши арзишҳои SNR ва шароитҳо ва мушкилоти гуногуни онҳо аз тасвирҳои намояндагӣ, ба монанди онҳое, ки дар ҷадвал нишон дода шудаанд, ба даст оранд.
ШАРҲ: Қиматҳои сигнали баланд дар фотоэлектронҳо барои ҳар як сатр бо ранги кабуд дода шудаанд. Ҳама тасвирҳо бо миқёси худкори гистограмма намоиш дода мешаванд, ки 0,35% аз пикселҳои равшантарин ва ториктаринро сарфи назар мекунанд. Ду сутуни тасвири чап: Тасвири ба линза асосёфтаи ҳадафи санҷиши тасвирӣ. Чор сутуни рост: Аскарис дар флуоресцент бо объекти микроскопи 10х гирифта шудааст. Барои тасвир кардани вариантҳои чаҳорчӯба ба чаҳорчӯба дар арзишҳои пиксел дар SNR поёнтар, се чаҳорчӯбаи пайдарпай таъмин карда мешаванд.
Тасвири ба линза асосёфтаи ҳадафи озмоишӣ, дар якҷоягӣ бо тасвири микроскопияи флуоресцентӣ, дар якҷоягӣ бо намуди васеъшудаи тасвири флуоресцентӣ, ки тағиротро дар 3 чаҳорчӯбаи пайдарпай нишон медиҳанд, нишон дода мешаванд. Ҳисоби қуллаи фотоэлектронҳо дар ҳар як сатҳи сигнал низ дода мешавад.
Дар расми зерин версияҳои пурраи ин тасвирҳои намунавӣ барои истинод нишон дода шудаанд.
Тасвирҳои андозаи пурра барои ҷадвали мисолҳои таносуби сигнал ба садо истифода мешаванд
Чап: Ҳадафи санҷиши тасвирӣ, ки бо линза акс ёфтааст.
Дуруст: Намунаи қисмати кирми нематоди Аскарис, ки бо микроскопияи флуоресцентӣ дар 10 маротиба калон кардан дида мешавад.
SNR дар Барномаҳо
SNR дар соҳаҳои гуногун вазифаи муҳим аст:
● Микроскопия – Муайян кардани флуорессенсияи заиф дар намунаҳои биологӣ барои пешгирӣ кардани манфиҳои бардурӯғ SNR-и баландро талаб мекунад.
● Астрономия – Муайян кардани галактикаҳои дурдаст ё экзосайёраҳо экспозицияҳои дарозро бо садои ҳадди ақал талаб мекунад.
● Спектроскопия – SNR-и баланд ченкунии дақиқи шиддатро дар таҳлили кимиёвӣ таъмин мекунад.
● Бозрасии саноатӣ – Дар хатҳои васлкунии нури кам, SNR-и баланд барои ба таври эътимодбахш ошкор кардани камбудиҳо кӯмак мекунад.
Интихоби камераи илмӣ бо SNR дуруст
Ҳангоми баҳодиҳии камераи нави илмӣ:
●Мушаххасоти SNR-ро санҷед– Қиматҳои дБро дар шароитҳои шабеҳи барномаи шумо муқоиса кунед.
●Метрикҳои дигарро мувозинат кунед- Самаранокии квантӣ, диапазони динамикӣ ва суръати кадрҳоро баррасӣ кунед.
●Технологияи мутобиқат барои истифода парванда– Барои саҳнаҳои динамикии баландсуръат, камераи sCMOS метавонад беҳтарин бошад; барои объектҳои статикии ултра-равшан, CCD сардшуда ё EMCCD метавонад беҳтар кор кунад.
●Пайвастшавӣ барои самаранокии ҷараёни кор- Ҳарчанд ба SNR мустақиман таъсир нарасонад, хусусиятҳо ба монанди баромади HDMI метавонанд баррасии тасвирро дар вақти воқеӣ фаъол созанд ва ба шумо кӯмак расонанд, ки ба зудӣ тафтиш кунед, ки танзимоти дарёфти шумо ба SNR-и дилхоҳ ноил мешавад.
Хулоса
Таносуби сигнал ба садо (SNR) як ченаки калидии иҷроиш аст, ки мустақиман ба возеҳӣ ва эътимоднокии тасвирҳои илмӣ таъсир мерасонад. Фаҳмидани SNR чӣ гуна муайян карда мешавад, омилҳое, ки ба он таъсир мерасонанд ва оқибатҳои арзишҳои гуногуни SNR ба тадқиқотчиён ва корбарони техникӣ имкон медиҳанд, ки системаҳои тасвириро самараноктар арзёбӣ кунанд. Бо ба кор бурдани ин дониш — хох дар интихоби навкамераи илмйё оптимизатсияи танзимоти мавҷуда - шумо метавонед боварӣ ҳосил кунед, ки ҷараёни визуалии шумо маълумотро бо сатҳи дақиқе, ки барои барномаи мушаххаси шумо лозим аст, сабт мекунад.
Саволҳо
Кадом SNR барои камераҳои илмӣ "хуб" ҳисобида мешавад?
SNR идеалӣ аз барнома вобаста аст. Барои кори хеле серталаб ва миқдорӣ, ба монанди микроскопияи флуоресцентӣ ё астрономия, одатан SNR аз 40 дБ зиёд тавсия дода мешавад, зеро он тасвирҳоро бо садои ҳадди ақали намоён тавлид мекунад ва ҷузъиёти хубро нигоҳ медорад. Барои истифодаи умумии лаборатория ё санҷиши саноатӣ 35-40 дБ метавонад кофӣ бошад. Ҳар чизе, ки аз 30 дБ камтар аст, одатан донаи намоёнро нишон медиҳад ва метавонад дақиқиро халалдор кунад, махсусан дар ҳолатҳои контрасти паст.
Самаранокии квантӣ (QE) ба SNR чӣ гуна таъсир мерасонад?
Самаранокии квантӣ чен мекунад, ки то чӣ андоза сенсор фотонҳои воридшударо ба электронҳо табдил медиҳад. QE баландтар маънои онро дорад, ки нури дастрас ҳамчун сигнал гирифта мешавад ва ҳисобкунакро дар муодилаи SNR афзоиш медиҳад. Ин махсусан дар сенарияҳои нури кам муҳим аст, ки дар он ҳар як фотон ҳисоб карда мешавад. Масалан, камераи sCMOS бо QE 80% дар шароити шабеҳ дар муқоиса бо сенсори 50% QE ба SNR баландтар хоҳад расид, зеро он сигнали бештар қобили истифодаро сабт мекунад.
Фарқи байни SNR ва таносуби контраст ба садо (CNR) чист?
Дар ҳоле ки SNR қувваи умумии сигналро нисбат ба садо чен мекунад, CNR ба дидани хусусияти мушаххас дар заминаи он тамаркуз мекунад. Дар тасвири илмӣ ҳарду муҳиманд: SNR ба шумо мегӯяд, ки то чӣ андоза тасвир дар маҷмӯъ "тоза" аст, дар ҳоле ки CNR муайян мекунад, ки оё объекти мушаххаси таваҷҷӯҳ барои ошкор ё андозагирӣ кофӣ аст.
Мехоҳед маълумоти бештар гиред? Ба мақолаҳои марбут нигаред:
Самаранокии квантӣ дар камераҳои илмӣ: дастур барои шурӯъкунандагон
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ҳама ҳуқуқҳо ҳифз шудаанд. Ҳангоми истинод, лутфан манбаъро тасдиқ кунед:www.tucsen.com
