25/09/04Дар тасвири рақамӣ, тасаввур кардан осон аст, ки қарори баландтар ба таври худкор тасвирҳои беҳтарро дорад. Истеҳсолкунандагони камера аксар вақт системаҳоро дар асоси ҳисобҳои мегапикселҳо ба бозор мебароранд, дар ҳоле ки истеҳсолкунандагони линзаҳо қудрат ва равшании ҳалли онро таъкид мекунанд. Бо вуҷуди ин, дар амал, сифати тасвир на танҳо аз мушаххасоти линза ё сенсори алоҳида, балки аз он вобаста аст, ки онҳо то чӣ андоза мувофиқанд.
Дар ин ҷо интихоби Nyquist ба кор меояд. Дар ибтидо як принсипи коркарди сигнал, меъёри Nyquist чаҳорчӯбаи назариявиро барои гирифтани дақиқи тафсилот муқаррар мекунад. Дар тасвир, он кафолат медиҳад, ки ҳалли оптикии аз ҷониби линза додашуда ва қарори рақамии сенсори камера бо ҳам мувофиқ кор мекунанд.
Ин мақола намунагирии Nyquist-ро дар заминаи тасвир мекушояд, мувозинати байни ҳалли оптикӣ ва камераро шарҳ медиҳад ва дастурҳои амалиро барои барномаҳо аз аксбардорӣ то тасвири илмӣ пешниҳод мекунад.
Намунаи Nyquist чист?
Расми 1: Теоремаи намунагирии Найквист
боло:Сигнали синусоидалӣ (кабуд) дар якчанд нуқтаҳо чен карда мешавад ё интихоб карда мешавад. Хати дароз-хатти хокистарранг 1 ченкуниро дар як давраи сигнали синусоидалӣ нишон медиҳад, ки танҳо қуллаҳои сигналро гирифта, табиати аслии сигналро комилан пинҳон мекунад. Каҷи сурхи нозук рахнашуда дар як намуна 1,1 ченакро гирифта, синусоидро ошкор мекунад, аммо басомади онро нодуруст нишон медиҳад. Ин ба намунаи Moire шабеҳ аст.
Поён:Танҳо вақте ки дар як давра 2 намуна гирифта мешавад (хатти нуқтадори арғувон) табиати ҳақиқии сигнал гирифта мешавад.
Теоремаи намунагирии Nyquist як принсипест, ки дар коркарди сигнал дар электроника, коркарди аудио, тасвир ва дигар соҳаҳо маъмул аст. Теорема равшан нишон медиҳад, ки барои аз нав сохтани басомади додашуда дар сигнал, андозагирӣ бояд ҳадди аққал ду маротиба аз басомади дар расми 1 нишон додашуда анҷом дода шавад. Дар сурати ҳалли оптикии мо, ин маънои онро дорад, ки андозаи пиксели фазои объекти мо бояд ҳадди аққал нисфи ҷузъи хурдтарине, ки мо кӯшиш мекунем, ки бигирем, ё дар мавриди микроскоп, нисфи ҳалли микроскоп бошад.
Тасвири 2: Намунаи Nyquist бо пикселҳои мураббаъ: масъалаҳои ориентация
Бо истифода аз камера бо шабакаи пикселҳои мураббаъ, омили 2x интихобкунии теоремаи Nyquist танҳо тафсилоти ба таври комил ба шабакаи пиксел мувофиқатшударо дақиқ сабт мекунад. Агар кӯшиш кунед, ки сохторҳоро дар кунҷ ба шабакаи пиксел ҳал кунед, андозаи самарабахши пиксел калонтар аст ва дар диагонал то √2 маротиба калонтар аст. Бинобар ин, суръати интихоб бояд 2√2 маротиба аз басомади фазоии дилхоҳ барои гирифтани тафсилот дар 45o ба шабакаи пиксел бошад.
Сабаби ин бо баррасии расми 2 (нимаи боло) равшан аст. Тасаввур кунед, ки андозаи пиксел ба ҳалли оптикӣ муқаррар карда шудааст, ки қуллаҳои ду манбаи нуқтаи ҳамсоя ё ҳама тафсилоти мо кӯшиш карда истодаем, ки ҳар як пиксели худро медиҳад. Гарчанде ки онҳо баъдан алоҳида муайян карда мешаванд, дар ченакҳои натиҷавӣ ҳеҷ гуна нишонае вуҷуд надорад, ки онҳо ду қуллаи алоҳида мебошанд - ва бори дигар таърифи мо дар бораи "ҳал кардан" мувофиқат намекунад. Як пиксел дар байни он лозим аст, ки як чуқурии сигналро мегирад. Ин тавассути ҳадди ақал ду баробар зиёд кардани суръати интихоби фазоӣ, яъне ду баробар кам кардани андозаи пикселҳои фазои объект ба даст оварда мешавад.
Ҳалли оптикӣ ва ҳалли камера
Барои фаҳмидани он ки намунагирии Nyquist дар тасвир чӣ гуна кор мекунад, мо бояд байни ду намуди қарор фарқ кунем:
● Ҳалли оптикӣ: Ҳаҷми оптикӣ аз ҷониби линза муайян карда мешавад, ба қобилияти он барои таҷдиди тафсилоти хуб ишора мекунад. Омилҳо ба монанди сифати линза, диафрагма ва дифраксия ин маҳдудиятро муқаррар мекунанд. Функсияи интиқоли модуляция (MTF) аксар вақт барои чен кардани он ки линза контрастро дар басомадҳои гуногуни фазоӣ интиқол медиҳад, истифода мешавад.
● Ҳалномаи камера: Аз ҷониби сенсор муайян карда мешавад, ҳалли камера аз андозаи пиксел, баландии пиксел ва андозаи умумии сенсор вобаста аст. Сатҳи пикселии аКамераи CMOSбасомади Nyquist-ро мустақиман муайян мекунад, ки тафсилоти максималии сенсорро муайян мекунад.
Вақте ки ин ду мувофиқат накунанд, мушкилот ба миён меоянд. Линзае, ки аз қудрати ҳалли сенсор зиёд аст, ба таври муассир "беҳуда сарф мешавад", зеро сенсор тамоми ҷузъиётро гирифта наметавонад. Баръакс, сенсори баландсифати ҷуфтшуда бо линзаи пастсифат боиси тасвирҳое мегардад, ки сарфи назар аз мегапикселҳои бештар беҳтар намешаванд.
Чӣ тавр мувозинат кардани ҳалли оптикӣ ва камера
Мувозинат додани оптика ва сенсорҳо маънои мувофиқ кардани басомади Nyquist-и сенсор бо басомади буридани оптикии линзаро дорад.
● Басомади Nyquist-и сенсори камера ҳамчун 1 / (2 × баландии пиксел) ҳисоб карда мешавад. Ин баландтарин басомади фазоиро муайян мекунад, ки сенсор метавонад бидуни тахаллус интихоб кунад.
● Басомади буридани оптикӣ аз хусусиятҳои линза ва дифраксия вобаста аст.
Барои натиҷаҳои беҳтарин, басомади Nyquist-и сенсор бояд ба қобилияти ҳалли линза мувофиқат кунад ё каме зиёдтар бошад. Дар амал, як қоидаи хуб ин аст, ки сатҳи пиксел тақрибан нисфи андозаи хурдтарин хусусияти ҳалшавандаи линза аст.
Масалан, агар линза тафсилотро то 4 микрометр ҳал карда тавонад, пас сенсор бо андозаи пикселҳои ~ 2 микрометр системаро хуб мувозинат мекунад.
Мутобиқсозии Nyquist бо қарори камера ва мушкилоти квадратии пиксел
Мубодила бо кам шудани андозаи пиксели фазои объект, қобилияти ҷамъоварии нурро коҳиш медиҳад. Аз ин рӯ, зарур аст, ки зарурати ҳалли мушкилот ва ҷамъоварии нурро мувозинат кунед. Илова бар ин, андозаи пикселҳои фазоии объекти калонтар майл доранд, ки майдони васеътари мавзӯи тасвирро интиқол медиҳанд. Барои барномаҳое, ки ба ҳалли хуб ниёз доранд, тавозуни оптималии "қоидаи асосӣ" ба таври зерин гуфта мешавад: Андозаи пиксели фазои объект, вақте ки бо ягон омил барои ҳисоб кардани Nyquist зарб карда мешавад, бояд ба ҳалли оптикӣ баробар бошад. Ин миқдор қарори камера номида мешавад.
Мувозинати оптика ва сенсорҳо аксар вақт ба он вобаста аст, ки қарори самараноки интихоб кардани камера ба маҳдудияти ҳалли оптикии линза мувофиқат кунад. Система гуфта мешавад, ки вақте ки:
Ҳалли камера = Ҳалли оптикӣ
Дар куҷо қарори камера аз ҷониби:
Омил барои ҳисоб кардани Nyquist, ки аксар вақт тавсия дода мешавад, 2.3 аст, на 2. Сабаби ин чунин аст.
Пикселҳои камера (одатан) мураббаъ буда, дар шабакаи 2D ҷойгир шудаанд. Андозаи пиксел, ки барои истифода дар муодилаи муқобил муайян шудааст, паҳнои пикселҳоро дар баробари меҳварҳои ин шабака ифода мекунад. Агар хусусиятҳое, ки мо кӯшиш мекунем, ки дар ҳама гуна кунҷ ҷойгир шаванд, ба истиснои чандкаратаи комили 90° нисбат ба ин шабака, андозаи самарабахши пиксел калонтар мешавад, то √2 ≈ 1,41 маротиба аз андозаи пиксел дар 45 °. Ин дар расми 2 (нимаи поён) нишон дода шудааст.
Аз ин рӯ, омили тавсияшуда мувофиқи меъёри Nyquist дар ҳама самтҳо 2√2 ≈ 2,82 хоҳад буд. Бо вуҷуди ин, аз сабаби муомилоти қаблан дар байни ҳалли ва ҷамъоварии нур, арзиши созиш 2.3 ҳамчун қоида тавсия дода мешавад.
Нақши намунаи Nyquist дар тасвир
Намунаи Nyquist муҳофизи садоқати тасвир аст. Вақте ки суръати интихоб камтар аз маҳдудияти Nyquist аст:
● Намунаи нокофӣ → боиси тахаллусӣ мешавад: тафсилоти бардурӯғ, кунҷҳои доғдор ё намунаҳои муар.
● Намунаи аз ҳад зиёд → маълумоти бештареро, ки оптика метавонад интиқол диҳад, сабт мекунад, ки боиси кам шудани даромад мегардад: файлҳои калонтар ва талаботи баландтари коркард бидуни беҳбудиҳои намоён.
Интихоби дуруст кафолат медиҳад, ки тасвирҳо ҳам равшан ва ҳам ба воқеият дурустанд. Он мувозинати байни вуруди оптикӣ ва забти рақамиро таъмин мекунад ва аз як тараф ҳалли беҳударо пешгирӣ мекунад ё аз тарафи дигар артефактҳои гумроҳкунандаро пешгирӣ мекунад.
Барномаҳои амалӣ
Намунаи Nyquist на танҳо назария аст - он дар тамоми фанҳои тасвирӣ барномаҳои муҳим дорад:
● Микроскопия:Тадқиқотчиён бояд сенсорҳоеро интихоб кунанд, ки ҳадди аққал ду маротиба хурдтарин ҷузъиётеро, ки бо линзаи объективӣ ҳал карда мешаванд, интихоб кунанд. Интихоби дурусткамераи микроскопӣмуҳим аст, зеро андозаи пиксел бояд бо қарори маҳдуди дифраксияи объекти микроскоп мувофиқ бошад. Лабораторияҳои муосир аксар вақт бартарӣ медиҳандкамераҳои sCMOS, ки мувозинати ҳассосият, диапазони динамикӣ ва сохторҳои хуби пикселро барои тасвири биологии баландсифат таъмин мекунанд.
● Аксбардорӣ:Ҷуфт кардани сенсорҳои баланд-мегапикселӣ бо линзаҳо, ки наметавонанд ҷузъиёти якхеларо ҳал кунанд, аксар вақт ба беҳбудиҳои ночиз дар равшанӣ оварда мерасонад. Суратгирони касбӣ линзаҳо ва камераҳоро мувозинат мекунанд, то ҳалли беҳударо пешгирӣ кунанд.
● Аксбардорӣ:Ҷуфт кардани сенсорҳои баланд-мегапикселӣ бо линзаҳо, ки наметавонанд ҷузъиёти якхеларо ҳал кунанд, аксар вақт ба беҳбудиҳои ночиз дар равшанӣ оварда мерасонад. Суратгирони касбӣ линзаҳо ва камераҳоро мувозинат мекунанд, то ҳалли беҳударо пешгирӣ кунанд.
● Мошин Vision &Камерахои илмйДар назорати сифат ва санҷиши саноатӣ, гум кардани хусусиятҳои хурд аз сабаби камнамуна метавонад маънои онро дошта бошад, ки қисмҳои нуқсон ошкор намешаванд. Намунаи аз ҳад зиёдро дидаву дониста барои масштаби рақамӣ ё коркарди мукаммал истифода бурдан мумкин аст.
Кай ба Nyquist мувофиқат кардан лозим аст: Намунаи аз ҳад зиёд ва камнамак
Намунаи Nyquist тавозуни идеалиро ифода мекунад, аммо дар амал, системаҳои тасвирӣ метавонанд вобаста ба барнома барқасдона аз ҳад зиёд ё кам интихоб кунанд.
Намунаи камбар чист
Дар мавриди барномаҳое, ки ҳассосият аз ҳалли хурдтарин ҷузъиёт муҳимтар аст, истифодаи андозаи пиксели фазои объект, ки аз талаботи Nyquist калонтар аст, метавонад ба бартариҳои назарраси ҷамъоварии нур оварда расонад. Инро камнамакӣ меноманд.
Ин тафсилоти хубро қурбон мекунад, аммо дар ҳолатҳое муфид буда метавонад:
● Ҳассосият муҳим аст: пикселҳои калонтар равшании бештар ҷамъ мекунанд ва таносуби сигнал ба садоро дар тасвири нури кам беҳтар мекунанд.
● Суръат муҳим аст: шумораи ками пикселҳо вақти хонданро кам карда, имкон медиҳад, ки зудтар ба даст оранд.
● Самаранокии додаҳо талаб карда мешавад: андозаи хурдтари файл дар системаҳои маҳдуди фарохмаҷро афзалтар аст.
Мисол: Ҳангоми тасвири калсий ё шиддат, сигналҳо аксар вақт дар минтақаҳои мавриди таваҷҷӯҳ ба ҳисоби миёна ҳисоб карда мешаванд, аз ин рӯ, камнамунагирӣ ҷамъоварии нурро бе осеб расонидан ба натиҷаи илмӣ беҳтар мекунад.
Oversampling чист
Баръакс, бисёре аз барномаҳое, ки барои онҳо ҳалли тафсилоти дақиқ калид аст ё барномаҳое, ки бо истифода аз усулҳои таҳлили пас аз ба даст овардани иттилооти иловагӣ берун аз маҳдудияти дифраксия, пикселҳои хурдтари тасвириро нисбат ба талаботи Nyquist талаб мекунанд, ки аз ҳад зиёд намунавӣ номида мешаванд.
Гарчанде ки ин ҳалли ҳақиқии оптикиро зиёд намекунад, он метавонад бартариҳоро таъмин кунад:
● Масъулияти рақамиро бо талафоти камтари сифат имкон медиҳад.
● Коркарди баъдиро беҳтар мекунад (масалан, деконволютсия, деноизизатсия, супер-резолюция).
● Вақте ки тасвирҳо баъдтар паст карда мешаванд, тахаллуси намоёнро коҳиш медиҳад.
Мисол: Дар микроскопия камераи баландсифати sCMOS метавонад сохторҳои ҳуҷайраро аз ҳад зиёд намуна бардорад, то алгоритмҳои ҳисоббарорӣ тафсилоти хубро берун аз маҳдудияти дифраксия ба даст оранд.
Фикрҳои нодурусти умумӣ
1、Мегапикселҳои бештар ҳамеша маънои тасвирҳои тезтарро доранд.
Дуруст нест. Аниқӣ ҳам аз қудрати ҳалкунандаи линза ва ҳам аз он ки сенсор дуруст интихоб мекунад, вобаста аст.
2、Ҳар гуна линзаи хуб бо ҳама сенсори баландсифат хуб кор мекунад.
Мутобиқати бади байни ҳалли линза ва баландии пиксел иҷроишро маҳдуд мекунад.
3, Намунаи Nyquist танҳо дар коркарди сигнал мувофиқ аст, на ба тасвир.
Баръакс, тасвири рақамӣ аслан як раванди интихоб аст ва Nyquist дар ин ҷо ба мисли аудио ё иртибот муҳим аст.
Хулоса
Намунаи Nyquist на як абстраксияи математикӣ аст - он принсипест, ки якҷоя кори ҳалли оптикӣ ва рақамиро таъмин мекунад. Бо мувофиқ кардани қудрати ҳалкунандаи линзаҳо бо имкониятҳои намунагирии сенсорҳо, системаҳои тасвирӣ бидуни артефакт ё иқтидори беҳуда возеҳи максималиро ба даст меоранд.
Барои мутахассисон дар соҳаҳои гуногун ба монанди микроскопия, астрономия, аксбардорӣ ва биниши мошин, фаҳмидани намунаи Nyquist калиди тарҳрезӣ ё интихоби системаҳои тасвирӣ мебошад, ки натиҷаҳои боэътимод медиҳанд. Дар ниҳоят, сифати тасвир на аз тела додани як мушаххасот ба ҳадди ниҳоӣ, балки аз ноил шудан ба мувозинат меояд.
Саволҳо
Агар намунаи Nyquist дар камера қаноатманд набошад, чӣ мешавад?
Вақте ки суръати интихоб аз ҳадди Nyquist паст мешавад, сенсор ҷузъиёти хубро дуруст нишон дода наметавонад. Ин боиси тахаллусӣ мегардад, ки ҳамчун кунҷҳои доғдор, намунаҳои муарӣ ё матнҳои бардурӯғ, ки дар саҳнаи воқеӣ вуҷуд надоранд, пайдо мешаванд.
Чӣ тавр андозаи пиксел ба намунаи Nyquist таъсир мерасонад?
Пикселҳои хурдтар басомади Nyquistро зиёд мекунанд, яъне сенсор метавонад аз ҷиҳати назариявӣ тафсилоти дақиқтарро ҳал кунад. Аммо агар линза ин сатҳи ҳалро таъмин карда натавонад, пикселҳои иловагӣ арзиши каме илова мекунанд ва метавонанд садоро зиёд кунанд.
Оё интихоби Nyquist барои сенсорҳои монохромӣ ва ранг фарқ мекунад?
Бале. Дар сенсори монохромӣ, ҳар як пиксел равшании мустақимро интихоб мекунад, аз ин рӯ басомади муассири Nyquist ба баландии пиксел мувофиқат мекунад. Дар сенсори рангӣ бо филтри Байер, ҳар як канали ранг камнамуна карда шудааст, аз ин рӯ ҳалли муассир пас аз демозайкӣ каме пасттар аст.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ҳама ҳуқуқҳо ҳифз шудаанд. Ҳангоми истинод, лутфан манбаъро тасдиқ кунед:www.tucsen.com
