25/08/19Коли йдеться про отримання точних і надійних зображень у наукових дослідженнях, якість ваших даних залежить не лише від роздільної здатності чи розміру сенсора. Одним з найважливіших, але іноді недооцінених, показників є співвідношення сигнал/шум (SNR). У системах візуалізації SNR визначає, наскільки чітко можна відрізнити фактичний сигнал (корисну інформацію) від небажаного шуму.
У наукових застосуваннях візуалізації, таких як мікроскопія, астрономія та спектроскопія, низьке співвідношення сигнал/шум (SNR) може означати різницю між виявленням слабкої цілі та її повною невдачею. У цій статті досліджується, як визначається SNR, чому це важливо, як це впливає на контрастність, а також як вибрати та оптимізувати наукову камеру на основі цього критичного показника.
Що таке співвідношення сигнал/шум і як воно визначається?
Співвідношення сигнал/шум (SNR) є найважливішим показником якості зображення, фундаментальним для контрастності зображення та часто найкориснішим визначальним фактором, чи достатньо чутлива камера для вашого застосування.
Спроби покращити чутливість камери зосереджені на покращенні зібраного сигналу:
● Завдяки покращенню квантової ефективності або збільшенню розміру пікселя
● Зменшення джерел шуму, залежних від камери
Джерела шуму накопичуються, але залежно від обставин одне з них може домінувати, і на ньому слід зосередитися, намагаючись покращити співвідношення сигнал/шум (SNR) – або шляхом оптимізації налаштувань чи конфігурації, або шляхом переходу на кращі джерела світла, оптику та камери.
Зображення зазвичай описують як єдине співвідношення сигнал/шум, наприклад, стверджуючи, що зображення має SNR (співвідношення сигнал/шум) «15». Однак, як видно з назви, співвідношення сигнал/шум залежить від сигналу, який, звичайно, буде різним для кожного пікселя. Саме це дає нам наше зображення.
Співвідношення сигнал/шум (SNR) зображення зазвичай стосується SNR пікового сигналу, що нас цікавить, на зображенні. Наприклад, SNR зображення флуоресцентних клітин на темному фоні використовуватиме інтенсивність пікового сигналу від пікселів структури, що нас цікавить, у клітині.
Наприклад, не є репрезентативним брати середнє значення для SNR (співвідношення сигнал/шум) усього зображення. У таких методах, як флуоресцентна мікроскопія, де темний фон з нульовим числом виявлених фотонів може бути поширеним явищем, ці пікселі з нульовим числом сигналу мають SNR, рівний нулю. Тому будь-яке середнє значення на зображенні залежатиме від того, скільки пікселів фону було видно.
Чому співвідношення сигнал/шум (SNR) важливе для наукових камер
У науковій візуалізації співвідношення сигнал/шум безпосередньо впливає на те, наскільки добре можна ідентифікувати слабкі деталі, вимірювати кількісні дані та відтворювати результати.
●Чіткість зображення– Вищий коефіцієнт сигнал/шум (SNR) зменшує зернистість і робить видимими дрібні структури.
●Точність даних– Зменшує похибки вимірювань в експериментах на основі інтенсивності.
●Продуктивність за умов слабкого освітлення– Незамінний для флуоресцентної мікроскопії, астрофотографії глибокого космосу та спектроскопії, де кількість фотонів природно низька.
Незалежно від того, чи використовуєте виsCMOS-камераДля високошвидкісної обробки зображень або охолоджуваної ПЗЗ-матриці для застосувань з довгою експозицією, розуміння співвідношення сигнал/шум допомагає збалансувати компроміси між продуктивністю.
Як співвідношення сигнал/шум впливає на контрастність зображення
Контрастність – це відносна різниця в інтенсивності між світлими та темними ділянками зображення. Для багатьох застосувань кінцевою метою є хороший контраст зображення в межах областей інтересу.
Існує багато факторів, що впливають на контрастність зображення, зокрема на об'єкт зйомки, оптичну систему та умови зйомки, такі як якість об'єктива та кількість фонового освітлення.
●Високий рівень сигнал/шум→ Чітке розділення між світлими та темними ділянками; краї виглядають чіткими; ледь помітні деталі.
●Низький сигнал/шум→ Темні ділянки стають яскравішими через шум, світлі ділянки – тьмянішими, а загальна контрастність зображення зменшується.
Наприклад, у флуоресцентній мікроскопії низький відношення сигнал/шум (SNR) може призвести до того, що слабо флуоресцентний зразок зливається з фоном, що робить кількісний аналіз ненадійним. В астрономії слабкі зірки або галактики можуть повністю зникати в зашумлених даних.
Однак, є також фактори всередині самої камери – основним фактором є співвідношення сигнал/шум. Крім того, і особливо за слабкого освітлення, масштабування інтенсивності зображення, тобто те, як зображення відображається на моніторі, відіграє велику роль у сприйнятті контрастності зображення. За високого рівня шуму в темних областях зображення, алгоритми автоматичного масштабування зображення можуть мати занадто низьку нижню межу через низькочастотні шумні пікселі, тоді як верхня межа збільшується через шум у пікселях з високим сигналом. Це є причиною характерного «розмитого» сірого вигляду зображень з низьким співвідношенням сигнал/шум. Кращої контрастності можна досягти, встановивши нижню межу на зміщення камери.
Фактори, що впливають на співвідношення сигнал/шум (SNR) у наукових камерах
Кілька конструктивних та експлуатаційних параметрів впливають на співвідношення сигнал/шум (SNR) системи камери:
Сенсорна технологія
● sCMOS – поєднує низький рівень шуму зчитування та високу частоту кадрів, ідеально підходить для динамічної обробки зображень.
● ПЗЗ – Історично пропонує низький рівень шуму за тривалих експозицій, але повільніший за сучасні КМОП-матриці.
● EMCCD – Використовує вбудоване підсилення для посилення слабких сигналів, але може вносити мультиплікативний шум.
Розмір пікселя та коефіцієнт заповнення
Більші пікселі збирають більше фотонів, збільшуючи сигнал і, отже, співвідношення сигнал/шум.
Квантова ефективність (КЕ)
Вищий коефіцієнт квантової ефективності (QE) означає, що більше вхідних фотонів перетворюється на електрони, що покращує співвідношення сигнал/шум (SNR).
Час контакту
Довша експозиція збирає більше фотонів, збільшуючи сигнал, але також може збільшити шум темнового струму.
Системи охолодження
Охолодження зменшує темновий струм, значно покращуючи співвідношення сигнал/шум (SNR) для тривалих експозицій.
Оптика та освітлення
Високоякісні лінзи та стабільне освітлення максимізують захоплення сигналу та мінімізують мінливість.
Приклади різних значень пікового співвідношення сигнал/шум
У візуалізації PSNR часто позначає теоретичний максимум відносно насиченості пікселів. Незважаючи на відмінності в об'єктах зйомки, умовах зйомки та технології камери, для звичайних наукових камер зображення з однаковим співвідношенням сигнал/шум можуть мати схожість. Ступінь «зернистості», варіації від кадру до кадру та певною мірою контрастність можуть бути подібними за цих різних умов. Таким чином, можна отримати розуміння значень SNR та різних умов і проблем, які вони передбачають, з репрезентативних зображень, таких як ті, що показані в таблиці.
ПРИМІТКА: Пікові значення сигналу у фотоелектронах для кожного рядка показані синім кольором. Усі зображення відображаються з автоматичним масштабуванням гістограми, ігноруючи (насичуючи) 0,35% найяскравіших і найтемніших пікселів. Ліві два стовпці зображення: зображення тестової мішені на основі лінзи. Праві чотири стовпці: аскарида, знята у флуоресценції з 10-кратним об'єктивом мікроскопа. Для ілюстрації змін значень пікселів між кадрами при нижчому співвідношенні сигнал/шум наведено три послідовні кадри.
Показано зображення тестової мішені, отримане за допомогою лінзи, та зображення, отримане за допомогою флуоресцентної мікроскопії, а також збільшене зображення флуоресцентного зображення, що показує зміну в межах 3 послідовних кадрів. Також наведено пікову кількість фотоелектронів на кожному рівні сигналу.
На наступному рисунку для довідки показано повні версії цих зразків зображень.
Таблиця прикладів співвідношення сигнал/шум, використаних для повнорозмірних зображень
Ліворуч: Тестова ціль для зображення, сфотографована за допомогою об'єктива.
ПраворучЗразок перерізу черв'яка нематоди Ascaris, переглянуто за допомогою флуоресцентної мікроскопії при 10-кратному збільшенні.
SNR у додатках
SNR є критично важливим у різних сферах:
● Мікроскопія – Виявлення слабкої флуоресценції в біологічних зразках вимагає високого співвідношення сигнал/шум (SNR), щоб уникнути хибнонегативних результатів.
● Астрономія – Виявлення далеких галактик або екзопланет вимагає тривалої витримки з мінімальним шумом.
● Спектроскопія – високий відношення сигнал/шум забезпечує точні вимірювання інтенсивності піків у хімічному аналізі.
● Промисловий контроль – на складальних лініях з низьким рівнем освітлення високий коефіцієнт сигнал/шум допомагає надійно виявляти дефекти.
Вибір наукової камери з правильним співвідношенням сигнал/шум
Під час оцінювання нової наукової камери:
●Перевірте характеристики сигнал/шум– Порівняйте значення дБ за умов, подібних до вашого застосування.
●Збалансуйте інші показники– Враховуйте квантову ефективність, динамічний діапазон та частоту кадрів.
●Підбір технології відповідно до варіанту використання– Для динамічних сцен на високій швидкості ідеальним варіантом може бути sCMOS-камера; для статичних об’єктів з наднизьким освітленням краще працюватиме охолоджувана CCD-матриця або EMCCD-матриця.
●Підключення для ефективності робочого процесу– Хоча вони безпосередньо не впливають на співвідношення сигнал/шум (SNR), такі функції, як вихід HDMI, можуть забезпечити перегляд зображень у режимі реального часу, допомагаючи швидко перевірити, чи досягають ваші налаштування зйомки бажаного SNR.
Висновок
Співвідношення сигнал/шум (SNR) – це ключовий показник продуктивності, який безпосередньо впливає на чіткість та надійність наукових зображень. Розуміння визначення SNR, факторів, що на нього впливають, та наслідків різних значень SNR дозволяє дослідникам та технічним користувачам ефективніше оцінювати системи візуалізації. Застосовуючи ці знання – чи то при виборі нового…наукова камераабо оптимізуючи існуючу конфігурацію — ви можете забезпечити, щоб ваш робочий процес обробки зображень фіксував дані з рівнем точності, необхідним для вашого конкретного застосування.
Найчастіші запитання
Що вважається «хорошим» співвідношенням сигнал/шум (SNR) для наукових камер?
Ідеальне співвідношення сигнал/шум (SNR) залежить від застосування. Для вимогливих кількісних робіт, таких як флуоресцентна мікроскопія або астрономія, зазвичай рекомендується SNR вище 40 дБ, оскільки це створює зображення з мінімальним видимим шумом та зберігає дрібні деталі. Для загального лабораторного використання або промислового контролю 35–40 дБ може бути достатньо. Будь-який показник нижче 30 дБ зазвичай призведе до видимої зернистості та може погіршити точність, особливо в умовах низької контрастності.
Як квантова ефективність (КЕ) впливає на співвідношення сигнал/шум?
Квантова ефективність вимірює, наскільки ефективно датчик перетворює вхідні фотони на електрони. Вищий коефіцієнт квантової ефективності (QE) означає, що більше доступного світла захоплюється у вигляді сигналу, що збільшує чисельник у рівнянні SNR. Це особливо важливо в умовах низької освітленості, де кожен фотон має значення. Наприклад, sCMOS-камера з QE 80% досягне вищого SNR за однакових умов порівняно з датчиком з QE 50%, просто тому, що вона захоплює більше корисного сигналу.
Яка різниця між співвідношенням сигнал/шум (SNR) та співвідношенням контрастності до шуму (CNR)?
У той час як SNR вимірює загальну силу сигналу відносно шуму, CNR зосереджується на видимості певної особливості на її фоні. У науковій візуалізації важливі обидва показники: SNR показує, наскільки «чистим» є зображення загалом, тоді як CNR визначає, чи достатньо виділяється певний об'єкт інтересу для виявлення або вимірювання.
Хочете дізнатися більше? Перегляньте пов'язані статті:
Квантова ефективність у наукових камерах: посібник для початківців
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
