25/09/11Har qanday o'lchash tizimida - simsiz aloqadan raqamli fotosuratga qadar - signal-shovqin nisbati (SNR) sifatning asosiy mezonidir. Teleskop tasvirlarini tahlil qilyapsizmi, mikrofon yozuvlarini yaxshilayapsizmi yoki simsiz havoladagi nosozliklarni bartaraf qilyapsizmi, SNR sizga keraksiz fon shovqinidan qanchalik foydali ma'lumotlar ajralib turishini aytib beradi.
Ammo SNRni to'g'ri hisoblash har doim ham oson emas. Tizimga qarab, qorong'u oqim, o'qish shovqini yoki piksellarni biriktirish kabi qo'shimcha omillarni hisobga olish kerak bo'lishi mumkin. Ushbu qo'llanma sizni nazariya, asosiy formulalar, keng tarqalgan xatolar, ilovalar va SNRni yaxshilashning amaliy usullari bilan tanishtiradi va uni keng doiradagi kontekstlarda to'g'ri qo'llash imkonini beradi.
Signal-shovqin nisbati (SNR) nima?
Asosiysi, signal-shovqin nisbati kerakli signalning kuchi va uni to'sib qo'yadigan fon shovqini o'rtasidagi munosabatni o'lchaydi.
● Signal = mazmunli ma'lumot (masalan, qo'ng'iroqdagi ovoz, teleskop tasviridagi yulduz).
● Shovqin = signalni buzadigan yoki yashiradigan tasodifiy, istalmagan tebranishlar (masalan, statik, sensor shovqini, elektr shovqinlari).
Matematik jihatdan SNR quyidagicha aniqlanadi:
Ushbu nisbatlar kattalikning ko'p tartibida o'zgarishi mumkinligi sababli, SNR odatda desibellarda (dB) ifodalanadi:
● Yuqori SNR (masalan, 40 dB): signal ustunlik qiladi, natijada aniq va ishonchli ma'lumot olinadi.
● Past SNR (masalan, 5 dB): shovqin signalni haddan tashqari oshirib, talqin qilishni qiyinlashtiradi.
SNRni qanday hisoblash mumkin
Signal-to-shovqin nisbatini hisoblash shovqin manbalari kiritilganligiga qarab turli darajadagi aniqlik bilan amalga oshirilishi mumkin. Ushbu bo'limda ikkita shakl kiritiladi: biri qorong'u oqimni hisobga oladi, ikkinchisi esa uni e'tiborsiz qoldirishi mumkin.
Eslatma: Mustaqil shovqin qiymatlarini qo'shish ularni kvadratga qo'shishni talab qiladi. Har bir shovqin manbai kvadratga bo'linadi, yig'iladi va umumiyning kvadrat ildizi olinadi.
Qorong'i oqim bilan signal-shovqin nisbati
Qorong'u oqim shovqini kiritishni talab qiladigan darajada katta bo'lgan holatlarda qo'llaniladigan tenglama quyida keltirilgan:
Mana atamalarning ta'rifi:
Signal (e-): Bu qorong'u oqim signali olib tashlangan fotoelektronlarga qiziqish bildiruvchi signaldir
Jami signal (e-) qiziqish pikselidagi fotoelektronlar soni bo'ladi - kulrang darajalar birliklarida piksel qiymati emas. Signalning (e-) ikkinchi nusxasi tenglamaning pastki qismidagi foton tortishish shovqinidir.
Qorong'u oqim (DC):Bu piksel uchun qorong'u oqim qiymati.
t: Ekspozitsiya vaqti soniyalarda
s:Kamera rejimida shovqinni o'qing.
E'tiborsiz qorong'u oqim uchun signal-shovqin nisbati
Qisqa hollarda (< 1 soniya) ta'sir qilish vaqtlari, shuningdek sovutilgan, yuqori unumdor kameralar, qorong'u oqim shovqini odatda o'qilgan shovqindan ancha past bo'ladi va xavfsiz tarzda e'tiborga olinmaydi.
Agar atamalar yana bir bor yuqorida ta'riflangan bo'lsa, qorong'u oqim signalini hisoblash va signaldan chiqarib tashlash kerak emas, chunki u nolga teng bo'lishi kerak.
Ushbu formulalarning cheklovlari va etishmayotgan atamalar
Qarama-qarshi formulalar faqat CCD va uchun to'g'ri javoblarni beradiCMOS kameralar. EMCCD va kuchaytirilgan qurilmalar qo'shimcha shovqin manbalarini kiritadi, shuning uchun bu tenglamalardan foydalanish mumkin emas. Ushbu va boshqa hissalarni hisobga oladigan yanada to'liq signal-shovqin nisbati tenglamasi uchun.
SNR tenglamalariga keng tarqalgan bo'lib qo'shiladigan (yoki ilgari bo'lgan) boshqa shovqin atamasi bu foto-javobning bir xil emasligi (PRNU) bo'lib, ba'zida "sobit naqsh shovqini" (FPN) deb nomlanadi. Bu sensor bo'ylab daromad va signal javobining notekisligini anglatadi, agar etarlicha katta bo'lsa, yuqori signallarda dominant bo'lib, SNRni kamaytiradi.
Dastlabki kameralar uni kiritishni talab qiladigan darajada sezilarli PRNUga ega bo'lsa-da, eng zamonaviyilmiy kameralarO'z hissasini foton shovqinidan ancha past qilish uchun etarlicha past PRNUga ega, ayniqsa bortda tuzatishlar qo'llanilgandan keyin. Shuning uchun endi SNR hisob-kitoblarida odatda e'tibordan chetda qolmoqda. Biroq, PRNU ba'zi kameralar va ilovalar uchun hali ham muhim va to'liqlik uchun yanada rivojlangan SNR tenglamasiga kiritilgan. Bu shuni anglatadiki, taqdim etilgan tenglamalar ko'pchilik CCD/CMOS tizimlari uchun foydalidir, ammo ularni universal deb hisoblamaslik kerak.
SNR hisoblarida shovqin turlari
SNRni hisoblash faqat bitta shovqin qiymati bilan signalni solishtirish emas. Amalda, bir nechta mustaqil shovqin manbalari hissa qo'shadi va ularni tushunish juda muhimdir.
Otishma shovqini
● Kelib chiqishi: fotonlar yoki elektronlarning statistik kelishi.
● Signalning kvadrat ildizi bilan masshtablar.
● Foton-cheklangan tasvirlashda dominant (astronomiya, floresan mikroskopiya).
Termal shovqin
● Rezistorlarda elektron harakati natijasida hosil bo'ladigan Jonson-Nyquist shovqini deb ham ataladi.
● Harorat va tarmoqli kengligi bilan ortadi.
● Elektronika va simsiz aloqada muhim.
Qorong'u oqim shovqini
● Datchiklar ichidagi qorong'u oqimning tasodifiy o'zgarishi.
● Uzoq vaqt davomida ta'sir qilish yoki issiq detektorlarda muhimroq.
● Sensorni sovutish orqali kamayadi.
Shovqinni o'qing
● Kuchaytirgichlardan shovqin va analogdan raqamliga o'tkazish.
● Har bir oʻqish uchun belgilangan, past signal rejimlarida juda muhim.
Kvantlash shovqini
● Raqamlashtirish orqali joriy qilingan (diskret darajalarga yaxlitlash).
● Past bitli chuqurlikdagi tizimlarda muhim (masalan, 8 bitli audio).
Atrof-muhit/tizim shovqini
● EMI, o'zaro aloqa, quvvat manbai to'lqini.
● Agar ekranlash/topraklama yomon bo'lsa, ustunlik qilishi mumkin.
Ulardan qaysi biri ustun ekanligini tushunish to'g'ri formula va yumshatish usulini tanlashga yordam beradi.
SNRni hisoblashda keng tarqalgan xatolar
Tasvirda signal-shovqin nisbatini baholash uchun ko'plab "qisqa yo'l" usullarini topish oson. Ular qarama-qarshi tenglamalarga qaraganda kamroq murakkab bo'lib, o'qish shovqini yoki har ikkalasi kabi kamera parametrlarini bilishni talab qilishdan ko'ra, tasvirning o'zidan osonroq olish imkonini beradi. Afsuski, bu usullarning har biri noto'g'ri bo'lib, noto'g'ri va foydasiz natijalarga olib kelishi mumkin. Barcha holatlarda qarama-qarshi tenglamalardan (yoki ilg'or versiyadan foydalanish kerak) qat'iy tavsiya etiladi.
Eng keng tarqalgan noto'g'ri yorliqlardan ba'zilari:
1、Signal intensivligini fon intensivligi bilan solishtirish, kul rangda. Ushbu yondashuv kamera sezgirligini, signal kuchini yoki signalning shovqin nisbatini eng yuqori intensivlikni fon intensivligi bilan taqqoslash orqali baholashga harakat qiladi. Ushbu yondashuv chuqur noto'g'ri, chunki kamera ofsetining ta'siri fon intensivligini o'zboshimchalik bilan belgilashi mumkin, daromad signal intensivligini o'zboshimchalik bilan belgilashi mumkin va signal yoki fonda shovqinning hissasi hisobga olinmaydi.
2、Signal cho‘qqilarini fon piksellari maydonining standart og‘ishiga bo‘lish. Yoki chiziq profili orqali aniqlangan fondagi vizual shovqin bilan eng yuqori qiymatlarni solishtirish. Bo'linishdan oldingi qiymatlardan ofset to'g'ri chiqarilgan deb faraz qilsak, bu yondashuvda eng muhim xavf fon yorug'ligi mavjudligidir. Har qanday fon yorug'ligi odatda fon piksellaridagi shovqinda ustunlik qiladi. Bundan tashqari, qiziqish signalidagi shovqin, masalan, tortishish shovqini, aslida umuman hisobga olinmaydi.
3, Qiziqarli piksellardagi o'rtacha signal piksel qiymatlarining standart og'ishiga nisbatan: Qo'shni piksellar yoki ketma-ket kadrlar bo'ylab tepalik signalining qanchalik o'zgarishini taqqoslash yoki kuzatish boshqa yorliq usullariga qaraganda to'g'riroq bo'ladi, lekin shovqindan kelib chiqmaydigan signalning o'zgarishi kabi qiymatlarni buzadigan boshqa ta'sirlarning oldini olish dargumon. Taqqoslashda past piksellar soni tufayli bu usul ham noto'g'ri bo'lishi mumkin. Ofset qiymatini olib tashlashni ham unutmaslik kerak.
4, Fotoelektronlarning intensivlik birliklariga aylantirmasdan yoki ofsetni olib tashlamasdan SNRni hisoblash: Foton shovqini odatda eng katta shovqin manbai bo'lgani uchun va kameraning ofsetini va o'lchash uchun daromadni bilishga tayanadi, shuning uchun SNR hisoblash uchun fotoelektronlarga qayta hisoblashdan qochish mumkin emas.
5, SNRni ko'z bilan baholash: Ba'zi hollarda SNRni ko'z bilan baholash yoki solishtirish foydali bo'lishi mumkin, ammo kutilmagan tuzoqlar ham mavjud. Yuqori qiymatli piksellarda SNRni baholash pastroq qiymat yoki fon piksellariga qaraganda qiyinroq bo'lishi mumkin. Ko'proq nozik effektlar ham rol o'ynashi mumkin: Masalan, turli xil kompyuter monitorlari tasvirlarni juda boshqacha kontrast bilan ko'rsatishi mumkin. Bundan tashqari, dasturiy ta'minotda tasvirlarni turli kattalashtirish darajalarida ko'rsatish shovqinning vizual ko'rinishiga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin. Bu, ayniqsa, kameralarni turli ob'ektlar bo'shlig'i piksel o'lchamlari bilan solishtirishga urinayotganda muammoli. Va nihoyat, fon yorug'ligi mavjudligi SNRni vizual ravishda baholashga urinishlarni bekor qilishi mumkin.
SNR ilovalari
SNR keng ko'lamli ilovalarga ega universal ko'rsatkichdir:
● Audio & Music Recording: Yozuvlarning ravshanligi, dinamik diapazoni va aniqligini aniqlaydi.
● Simsiz aloqa: SNR to'g'ridan-to'g'ri bit xatolik tezligi (BER) va ma'lumot uzatish tezligiga bog'liq.
● Ilmiy tasvirlash: Astronomiyada osmonning fonida xira yulduzlarni aniqlash uchun yuqori SNR talab qilinadi.
● Tibbiy asbob-uskunalar: EKG, MRI va KT skanerlari signallarni fiziologik shovqindan ajratish uchun yuqori SNRga tayanadi.
● Kameralar va fotosuratlar: Iste'molchi kameralari va ilmiy CMOS sensorlari kam yorug'lik sharoitida ishlashni baholash uchun SNRdan foydalanadi.
SNRni yaxshilash
SNR juda muhim o'lchov bo'lganligi sababli, uni yaxshilash uchun katta kuch sarflanadi. Strategiyalarga quyidagilar kiradi:
Uskuna yondashuvlari
● Qorong'i oqim kamroq bo'lgan yaxshi sensorlardan foydalaning.
● EMI kamaytirish uchun ekranlash va topraklama qo'llang.
● Termal shovqinni bostirish uchun sovuq detektorlar.
Dasturiy ta'minot yondashuvlari
● Kiruvchi chastotalarni olib tashlash uchun raqamli filtrlarni qo'llang.
● Bir nechta kadrlar boʻyicha oʻrtachadan foydalaning.
● Tasvir yoki audioni qayta ishlashda shovqinni kamaytirish algoritmlaridan foydalaning.
Pixel Binning va uning SNRga ta'siri
Bog'lanishning signal-shovqin nisbatiga ta'siri kamera texnologiyasi va sensorning xatti-harakatiga bog'liq, chunki ulangan va bog'lanmagan kameralarning shovqin ko'rsatkichlari sezilarli darajada farq qilishi mumkin.
CCD kameralari qo'shni piksellarning "chipdagi" zaryadini yig'ishi mumkin. O'qish shovqini faqat bir marta sodir bo'ladi, lekin har bir pikseldan qorong'u oqim signali ham yig'iladi.
Aksariyat CMOS kameralari chipdan tashqarida saqlashni amalga oshiradi, ya'ni qiymatlar avval o'lchanadi (andread shovqin kiritiladi) va keyin raqamli yig'iladi. Bunday yig'indilarni o'qish shovqini yig'ilgan piksellar sonining kvadrat ildiziga ko'paytirilsa ham, ya'ni 2x2 biriktirish uchun 2 marta ortadi.
Datchiklarning shovqin harakati murakkab bo'lishi mumkinligi sababli, miqdoriy ilovalar uchun kameraning ofsetini, daromadini va o'qish shovqinini biriktirilgan rejimda o'lchash va bu qiymatlarni signal-shovqin nisbati tenglamasi uchun ishlatish tavsiya etiladi.
Xulosa
Signal-shovqin nisbati (SNR) fan, muhandislik va texnologiyadagi eng muhim ko'rsatkichlardan biridir. SNR telefon qo'ng'iroqlarida ravshanlikni aniqlashdan tortib, uzoqdagi galaktikalarni aniqlashga qadar o'lchash va aloqa tizimlarining sifatini ta'minlaydi. SNRni o'zlashtirish faqat formulalarni yodlash emas - bu taxminlar, cheklovlar va haqiqiy dunyo almashinuvlarini tushunishdir. Shu nuqtai nazardan, muhandislar va tadqiqotchilar shovqinli sharoitlarda ham mazmunli tushunchalarni chiqaradigan ishonchli o'lchovlar va dizayn tizimlarini yaratishi mumkin.
Qo'shimcha ma'lumot olishni xohlaysizmi? Tegishli maqolalarni ko'rib chiqing:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Barcha huquqlar himoyalangan. Iqtibos keltirayotganda manbani ko'rsating:www.tucsen.com
