2022/05/13Okuma gürültüsü, kameranın algıladığı fotoelektron sayısının elektronik olarak ölçülmesinde doğal olarak bulunan belirsizliktir. Genellikle şu şekilde belirtilir:elektronlar (e⁻ RMS)Okuma hızına, kazanç/dönüştürme kazanç moduna, ADC yapılandırmasına ve ROI'ye bağlıdır; bu nedenle yalnızca koşullar eşleştiğinde karşılaştırılabilir.
Parlak sahnelerde,atış sesiGenellikle sinyal-gürültü oranı baskındır ve okuma gürültüsünün etkisi azdır. Düşük ışıklı görüntülemede (zayıf floresans, astronomi, kısa pozlamalı yüksek hızlı çalışmalar) okuma gürültüsü, sinyal-gürültü oranını ve hatta tespit edilebilirliği önemli ölçüde sınırlayabilir.
Bu kılavuz, okuma gürültüsü özelliklerinin nasıl yorumlanacağını, ne zaman önemli olduğunu, hangi ayarların bunu değiştirdiğini ve güvenilir bir şekilde nasıl ölçüleceğini göstermektedir.
Okuma Gürültüsü Nedir?
Okuma gürültüsü (genellikle şu şekilde adlandırılır)okuma gürültüsü) bir kameranın devreye girmesiyle ortaya çıkan rastgele belirsizliktir.okuyorBir görüntü—yani, her pikselde toplanan yük bir gerilime dönüştürüldüğünde ve daha sonra dijital bir sayıya (DN) çevrildiğinde. Mükemmel optikler ve kararlı bir sahne olsa bile, okuma elektroniği asla tamamen gürültüsüz değildir: yükselticiler, sıfırlama ve örnekleme devreleri, analog sinyal yolları ve analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) küçük dalgalanmalara katkıda bulunabilir. Sonuç olarak, okuma sırasında piksel başına, kare başına rastgele bir hata eklenir.
Şekil 1: Okuma gürültüsü sınırlı görüntü
Bu ultra düşük ışık rejiminde, sinyal değerleri okuma gürültüsüne benzerdir; yani okuma gürültüsü, SNR'yi sınırlayan birincil faktördür.
Çünkü sensör nihayetinde ışığı şu şekilde ölçer:elektronlarOkuma gürültüsü en yaygın olarak şu şekilde belirtilir:elektronlar (e⁻)tipik olarak şu şekildee⁻ RMSGürültüyü elektron cinsinden ifade etmek, kamera ayarları ve modelleri arasında performansı karşılaştırmayı kolaylaştırır. (DN'den başlarsanız, e⁻'ye dönüştürmek sistem dönüştürme kazancını gerektirir,e⁻/DNModern bilimsel kameralarda, okuma gürültüsü çok düşük olabilir—çoğu zaman %100 civarında.Düşük gürültü modlarında ~1–3 e⁻ RMS seviyesiDüşük ışıklı ortamlarda görüntüleme için—ancak kesin değer okuma hızına, kazanç/dönüştürme kazanç moduna, ADC yapılandırmasına, ROI'ye ve sıcaklığa bağlıdır.
Tipik değerler ve neden farklılık gösterdikleri
Birçoğu içinsCMOS kameralarOkuma gürültüsü o kadar düşük seviyeye indi ki, çok küçük sinyaller bile yüksek doğrulukla ölçülebiliyor. Diğer sensör teknolojileri ve çalışma modları, özellikle maksimum kare hızı için optimize edildiğinde, daha yüksek okuma gürültüsü gösterebilir. Bazı temsili değerler için Tablo 1'e bakınız. Bu nedenle, okuma gürültüsünü yalnızca eşleşen test koşulları (mod, okuma hızı, kazanç, bit derinliği, ROI, vb.) altında karşılaştırmak çok önemlidir.
Tablo 1: Farklı bilimsel kamera teknolojileri için tipik RMS okuma gürültüsü değerleri
* EMCCD'lerde hassasiyetlerini azaltan ek gürültü kaynakları bulunur.
**Yüksek hızlı sCMOS gibi**Tucsen Dhyana 2100 sCMOS kamera
*** Yüksek hızlıCMOS kameralarBu kameralar hem bilimsel görüntülemede hem de yüksek hızlı hareket yakalama için film yapımında kullanılır. Yüksek gürültü seviyeleri nedeniyle düşük ışık sinyallerini bastırdıkları için genellikle düşük ışıklı ortamlarda görüntüleme için kullanılamazlar.
RMS ve Medyan okuma gürültüsü (ve bazı veri sayfalarında neden iki sayı gösterildiği)
CMOS/sCMOS sensörlerde, okuma gürültüsü pikselden piksele biraz farklılık gösterebilir, bu nedenle okuma gürültüsünü tek bir değer yerine bir dağılım olarak düşünmek faydalı olabilir. Bazı kameralarda ayrıca, rastgele telgraf gürültüsü (RTN) gibi etkilerin daha belirgin olabileceği, daha yüksek gürültülü piksellerden oluşan küçük bir "kuyruk" da bulunur.
Bu dağılımı özetlemek gerekirse, üreticiler ortalama (tipik) okuma gürültüsü değerini ve bazen de daha yüksek gürültülü piksellere daha duyarlı olan ek bir RMS değerini bildirebilirler. Tanımlar üreticiye göre değişebileceğinden, en güvenli yaklaşım, özellikle kameraları karşılaştırırken veya düşük ışıkta çalışma için bir mod seçerken, belirtilen ölçüm yöntemini ve koşullarını kontrol etmektir.
Okuma Gürültüsü Spesifikasyonları Nasıl Okunur?
Okuma gürültüsü değeri, ancak ölçüm sırasında kameranın nasıl çalıştırıldığıyla bağlantılı olduğunda anlamlıdır. Mod, bit derinliği, okuma hızı, kazanç/dönüştürme kazancı ve ROI (ilgi alanı) bu değeri değiştirebilir; bu nedenle özellikleri her zaman eşleşen koşullar altında karşılaştırın.
Test koşulları önemlidir.
Okuma gürültüsü değeri ancak şu faktörle ilişkilendirildiğinde anlamlıdır:işletme koşullarıÖlçüm için kullanılır. Aynı kamera, okuma modu ve yapılandırmasına bağlı olarak farklı değerler bildirebilir, bu nedenle "daha düşük" otomatik olarak "daha iyi" anlamına gelmez,除非 aynı özelliklere sahip kameraları karşılaştırıyorsanız. Kameraları veya hatta aynı kameranın iki modunu karşılaştırmadan önce, veri sayfası tablosunda, dipnotlarda veya performans grafiklerinde şu koşulları arayın:
●Okuma hızı / piksel hızı (kHz–MHz):Daha hızlı okuma genellikle okuma gürültüsünü artırır.
Kazanç / dönüştürme kazanç modu (örneğin, HCG/LCG): e⁻/DN değerini değiştirir ve bildirilen gürültü değerini kaydırabilir.
●ADC yolu / bit derinliği:Bazı kameralar, gürültüyü ve niceleme davranışını etkileyen birden fazla ADC modu sunar.
●Yatırım getirisi ve okuma kanalları:ROI, sensörün okunma şeklini değiştirebilir ve bazı mimarilerde performansı etkileyebilir.
●Sıcaklık (belirtilmişse):Teknik özellikler genellikle belirli bir sensör sıcaklığında ölçülür; her zaman benzer koşullar altında karşılaştırma yapın.
Başlıkta yer alan okuma gürültüsü rakamı mod/hız bağlamı olmadan görünüyorsa, bunu eksik olarak değerlendirin ve ayrıntılı mod tablosunu veya grafiğini bulun.
Tipik değer ile Maksimum değer / Medyan değer ile RMS değeri: neden iki farklı sayı görebilirsiniz?
Paralel okuma mimarileri nedeniyle,çoğu CMOS/sCMOS sensörüOkuma gürültüsünde pikselden piksele bazı farklılıklar görülebilir, bu nedenle okuma gürültüsünü tek bir değer yerine bir dağılım olarak düşünmek faydalı olabilir. Bu yüzden bazı teknik özellik sayfaları iki sayı bildirir.
A medyanOkuma gürültüsü değeri, piksellerin %50'sinin bu değere eşit veya altında olduğunu gösterir ve bu genellikle "tipik" performansı yansıtır. Ek olarakRMS(Verildiğinde) Şekil, dağılımın yayılımına daha duyarlıdır ve kuyruktaki yüksek gürültülü piksellerin etkisini daha iyi yakalayabilir. Tanımlar üreticiye göre değişebileceğinden, belirtilen ölçüm koşullarını ve raporlama yöntemini her zaman kontrol edin.
CMOS/sCMOS sensörleri gösterebilirpikselden piksele varyasyonOkuma gürültüsü, okuma sırasında oluşan gürültüye bağlı olarak daha az belirgindir; dolayısıyla okuma gürültüsünü şöyle düşünmek daha doğru olur:dağıtımTek bir değer yerine. Bu dağılımı özetlemek gerekirse, üreticiler şunları bildirebilir:
●Tipik / Ortanca:Bu moddaki genel performansı temsil eden "tipik piksel" değeri.
●RMS (veya bazen daha muhafazakar bir rakam):Gürültü seviyesi yüksek piksellere karşı daha hassas olan ve genel dağılımı daha iyi yansıtan bir istatistik.
Her satıcı bu terimleri tam olarak aynı şekilde kullanmaz, bu nedenle her zaman belirtilen tanımı ve ölçüm yöntemini kontrol edin. Şüphe duyduğunuzda, kameraları aşağıdaki bölümde belirtilen değerleri kullanarak karşılaştırın.aynı istatistik ve koşullar.
Kamera modu örnekleri (bir kameranın neden birden fazla okuma gürültüsü özelliğine sahip olduğu)
Bunu somutlaştırmak için şunları göz önünde bulundurun:Tucsen Aries 6510 Üstün Hassasiyetli sCMOS KameraVeri sayfasında, okuma gürültüsü birden fazla okuma modu için raporlanmıştır; çünkü kamera farklı bit derinliklerinde ve okuma işlem hatlarında çalıştırılabilir ve her birinin farklı bir gürültü tabanı vardır:
Şekil 2: Aries 6510 okuma gürültüsü
Bunu nasıl yorumlamalıyız: bu sayılar çelişkili değil, aksine bir şeyi tanımlıyor.farklı çalışma noktalarıAynı kameranın farklı versiyonları için. Daha yüksek hızlı bir işlem hattı (burada Hız modu), genellikle veri aktarım hızına öncelik verir ve daha yüksek okuma gürültüsü gösterebilirken, hassasiyet optimize edilmiş işlem hatları okuma gürültüsü seviyesini düşürebilir. İşte bu yüzden okuma gürültüsü özellikleri her zaman dikkatlice okunmalıdır.mod adı ve belirtilen bit derinliği ile birlikteKameraları karşılaştırırken (veya bir kamerayı yayınlanmış bir değerle karşılaştırırken), mutlaka şunları karşılaştırdığınızdan emin olun:aynı modSadece en düşük manşet rakamı değil.
Okuma Gürültüsü Ne Zaman Önemlidir?
Okuma gürültüsü her deneyi sınırlamaz. Bunun önemli olup olmadığı basit bir soruya bağlıdır: Çalıştığınız sinyal seviyesinde okuma gürültüsü, toplam gürültü bütçenizin anlamlı bir parçası mıdır? Parlak koşullarda, foton (atış) gürültüsü genellikle baskındır. Düşük sinyal koşullarında, okuma gürültüsü SNR'yi belirleyen ve bazen de zayıf yapıların görünür olup olmadığını belirleyen terim haline gelebilir.
Okuma sesi ile atış sesi arasındaki fark: hızlı bir kural
Sinyal arttıkça atış gürültüsü de artar.√N(burada N, tespit edilen fotoelektron sayısıdır). Okuma gürültüsü kabaca şöyledir:kare başına piksel başına sabitBelirli bir mod için. Bu şu anlama gelir:
● Şuradayüksek N√N büyüktür ve okuma gürültüsü az katkıda bulunur.
● Şuradadüşük N√N küçüktür ve okuma gürültüsü baskın olabilir.
Pratik bir geçiş noktası şudur:atış gürültüsü ≈ okuma gürültüsüyani ne zaman√N ≈ RBu, şuna karşılık gelir:N ≈ R².
Örneğin, bir modun şu özellikleri varsa:R = 2 e⁻ RMS,Sinyal piksel başına birkaç elektrondan birkaç on elektrona kadar olduğunda okuma gürültüsü önemli hale gelir (çünkü R2=4). EğerR = 10 e⁻Geçiş noktası yaklaşık 102=piksel başına 100 elektrona kayar.
Somut bir SNR örneği (parlak sahnelerde neden ihmal edilebilir olduğu)
Bir pikselin şunları içerdiğini varsayalım:2.000 e⁻sinyalin. Atış sesi√2000 ≈ 44.7 e⁻.
Eğer okuma gürültüsü10 e⁻Toplam gürültü (RMS) şöyledir:
Dolayısıyla SNR, 2000/44.7≈44.7'den 2000/45.8≈43.7'ye değişiyor; bu küçük bir fark. Başka bir deyişle, yüksek sinyal seviyelerinde, okuma gürültüsünü azaltmak, görebileceklerinizi nadiren değiştirir.
Her pikselin binlerce fotoelektron topladığı yüksek ışıklı sahnelerde, okuma gürültüsü toplam gürültü bütçesinde küçük bir terim haline gelir. Örneğin, 2.000 e⁻ sinyalde, 10 e⁻ okuma gürültüsü eklemek SNR'yi yalnızca birkaç yüzde değiştirir (çoğu zaman algılanamaz), oysa piksel başına onlarca elektron olduğunda, okuma gürültüsü SNR'yi ve görünür ayrıntıyı önemli ölçüde sınırlayabilir.
Okuma gürültüsü gerçek bir sınırlayıcı haline geldiğinde
Okuma gürültüsü, deneyiniz kare başına sinyal sınırlı olduğunda (yani her piksel tek bir pozlamada yalnızca az sayıda fotoelektron topladığında) en büyük öneme sahiptir. Bu durumda, okuma gürültüsü gürültü bütçesine hakim olabilir, sinyal-gürültü oranını düşürebilir ve zayıf yapıları gizleyebilir.
Sık karşılaşılan uygulama ipuçları şunlardır:
●Zayıf floresans / düşük etiketleme yoğunluğuözellikle kısa pozlama sürelerinde veya hızlı zaman atlamalı çekimlerde
●Tek moleküllü floresansve yerelleştirme tabanlı süper çözünürlükSinyallerin, her bir yayıcıdan her karede yalnızca birkaç foton olabileceği durumlarda
●Kemilüminesans görüntülemeFoton bütçelerinin doğal olarak düşük olduğu ve okuma gürültüsünün baskın olabileceği durumlarda
●Yüksek hızlı fonksiyonel görüntüleme (voltaj / membran potansiyeli, hızlı kalsiyum görüntüleme)Kısa pozlama sürelerinin kare başına düşen foton sayısını azalttığı durumlarda
●Foton yetersizliğinden kaynaklanan görüntüleme iş akışları(Örneğin, daha sonra birleştirme/ortalama alma işlemi yapmayı planlasanız bile, çok loş kareler)
Pratik bir kontrol olarak: tipik piksel başına sinyaliniz şu aralıktaysa:yüzlerce ila binlerce elektronKare başına okuma gürültüsü nadiren baskındır. Eğer öyleyse...onlarca elektron veya daha azOkuma gürültüsü ve mod seçimi görüntü kalitesini büyük ölçüde etkileyebilir.
Çözüm
Okuma gürültüsü, moda bağlı ve okuma zinciriyle sınırlı bir terimdir; bu nedenle anlamlı karşılaştırmalar yalnızca eşleşen koşullar altında (mod, okuma hızı, kazanç/dönüştürme kazancı, ADC/bit derinliği, ROI) yapılır. Parlak sahnelerde genellikle ihmal edilebilir düzeydedir, ancak düşük sinyalli görüntülemede SNR'yi ve algılanabilirliği önemli ölçüde sınırlayabilir.
Deneyiniz için bir öneri almak isterseniz, uygulama ayrıntılarınızı (sinyal seviyesi, pozlama süresi, kare hızı, dalga boyu ve hedef SNR) paylaşın. Görüntüleme uzmanlarımız size uygun bir öneri sunabilir.Tucsen kameraHassasiyet, hız ve dinamik aralık arasında denge kurmak için en iyi okuma modu.
