25/08/19Ilmiy tadqiqotlarda aniq va ishonchli tasvirlarni olish haqida gap ketganda, sizning ma'lumotlaringiz sifati faqat piksellar soniga yoki sensor o'lchamiga bog'liq. Eng muhim, lekin ba'zida e'tibordan chetda qoladigan ko'rsatkichlardan biri bu Signal-to-Shovqin nisbati (SNR). Tasvirlash tizimlarida SNR haqiqiy signalni (foydali ma'lumotni) kiruvchi shovqindan qanchalik aniq ajrata olishingizni aniqlaydi.
Mikroskopiya, astronomiya va spektroskopiya kabi ilmiy tasvirlash dasturlarida yomon SNR zaif nishonni aniqlash va uni butunlay yo'qotish o'rtasidagi farqni anglatishi mumkin. Ushbu maqolada SNR qanday aniqlanganligi, nima uchun muhimligi, kontrastga qanday ta'sir qilishi va ushbu muhim ko'rsatkichga asoslangan ilmiy kamerani qanday tanlash va optimallashtirishni o'rganadi.
Signal-shovqin nisbati nima va u qanday aniqlanadi?
Signaldan Shovqin nisbati (SNR) bizning tasvir sifatimizning eng muhim o'lchovidir, tasvir kontrastida asosiy va ko'pincha kamera sizning ilovangiz uchun etarlicha sezgir yoki yo'qligini aniqlashning eng foydali omilidir.
Kamera sezgirligini yaxshilashga urinishlar to'plangan signalni yaxshilash atrofida aylanadi:
● Kvant samaradorligini oshirish yoki piksel hajmini oshirish orqali
● Kameraga bog'liq shovqin manbalarini kamaytirish
Shovqin manbalari birlashadi, biroq sharoitga qarab biri ustunlik qilishi mumkin va SNRni yaxshilashga urinishda e'tibor qaratish kerak - sozlamalarni optimallashtirish yoki sozlash yoki yorug'lik manbalari, optika va kameralarni yaxshilash orqali.
Tasvirlarni bitta signal-shovqin nisbati nuqtai nazaridan tasvirlash keng tarqalgan stenografiya, masalan, tasvirning SNR '15' ekanligini da'vo qilish. Biroq, nomdan ko'rinib turibdiki, signal-shovqin nisbati signalga bog'liq, bu albatta har bir piksel uchun farq qiladi. Bu bizga imidjimizni beradi.
Tasvirning SNR odatda tasvir ichidagi qiziqishning eng yuqori signalining SNR ni bildiradi. Misol uchun, qorong'i fonda lyuminestsent hujayralar tasviridan olingan SNR hujayra ichidagi qiziqarli strukturaning piksellaridan signalning eng yuqori intensivligini ishlatadi.
Misol uchun, butun tasvirning SNR uchun o'rtacha qiymatini olish vakili emas. Nol aniqlangan fotonlarga ega qorong'i fon keng tarqalgan bo'lishi mumkin bo'lgan floresan mikroskopiya kabi usullarda bu nol signal piksellari SNR nolga teng. Shuning uchun, tasvir bo'yicha har qanday o'rtacha ko'rinishda qancha fon pikseli mavjudligiga bog'liq bo'ladi.
Nima uchun SNR ilmiy kameralar uchun muhim
Ilmiy tasvirlashda SNR to'g'ridan-to'g'ri nozik tafsilotlarni aniqlash, miqdoriy ma'lumotlarni o'lchash va natijalarni ko'paytirishga ta'sir qiladi.
●Tasvir ravshanligi– Yuqori SNR donadorlikni pasaytiradi va nozik tuzilmalarni ko'rinadigan qiladi.
●Ma'lumotlarning aniqligi- Intensivlikka asoslangan tajribalarda o'lchash xatolarini kamaytiradi.
●Kam yorug'lik samaradorligi- Fotonlar soni tabiiy ravishda past bo'lgan floresan mikroskopiya, chuqur osmon astrofotografiyasi va spektroskopiya uchun zarur.
a dan foydalanyapsizmisCMOS kamerayuqori tezlikda tasvirlash yoki uzoq vaqt davomida ta'sir qilish ilovalari uchun sovutilgan CCD uchun, SNRni tushunish unumdorlik o'rtasidagi muvozanatni muvozanatlashda yordam beradi.
SNR tasvir kontrastiga qanday ta'sir qiladi
Kontrast - bu tasvirning yorug'lik joylari va qorong'i joylari o'rtasidagi intensivlikning nisbiy farqi. Ko'pgina ilovalar uchun qiziqish sohalarida yaxshi tasvir kontrasti yakuniy maqsaddir.
Ob'ektivning sifati va fon yorug'ligi miqdori kabi tasvir kontrastini belgilovchi asosiy omillar bo'lgan tasvirlash ob'ekti, optik tizim va tasvirlash sharoitlarida ko'plab omillar mavjud.
●Yuqori SNR→ Yorqin va qorong'i hududlarni aniq ajratish; qirralarning tiniq ko'rinadi; nozik tafsilotlar ko'rinadigan bo'lib qoladi.
●Kam SNR→ Qorong'u joylar shovqin tufayli yorqinroq bo'ladi, yorqin joylar xiralashadi va tasvirning umumiy kontrasti tekislanadi.
Masalan, lyuminestsent mikroskopiyada past SNR zaif floresan namunani fonga qorishtirishi mumkin, bu esa miqdoriy tahlilni ishonchsiz qiladi. Astronomiyada xira yulduzlar yoki galaktikalar shovqinli ma'lumotlarda butunlay yo'q bo'lib ketishi mumkin.
Biroq, kameraning o'zida ham omillar mavjud - asosiy omil signalning shovqin nisbati. Bundan tashqari, ayniqsa kam yorug'lik sharoitida tasvirning intensivligini masshtablash, tasvirning monitorda qanday ko'rsatilishi tasvirning kontrastini qabul qilishda katta rol o'ynaydi. Tasvirning qorong'i joylarida yuqori shovqin bilan, avtomatik tasvirni masshtablash algoritmlari pastki chegarani past qiymatli shovqinli piksellar bilan juda past qilib qo'yishi mumkin, yuqori chegara esa yuqori signal piksellarida shovqin bilan ortadi. Bu past SNR tasvirlarning xarakterli "yuvilgan" kulrang ko'rinishining sababidir. Pastki chegarani kamera ofsetiga o'rnatish orqali yaxshiroq kontrastni olish mumkin.
Ilmiy kameralarda SNR ga ta'sir qiluvchi omillar
Bir nechta dizayn va operatsion parametrlar kamera tizimining SNR ga ta'sir qiladi:
Sensor texnologiyasi
● sCMOS – dinamik tasvirlash uchun ideal bo‘lgan past o‘qish shovqini va yuqori kadr tezligini birlashtiradi.
● CCD - Tarixan uzoq ekspozitsiyalarda past shovqinni taklif qiladi, ammo zamonaviy CMOS dizaynlariga qaraganda sekinroq.
● EMCCD - Zaif signallarni kuchaytirish uchun chipdagi kuchaytirgichdan foydalanadi, lekin ko'paytiruvchi shovqinni keltirib chiqarishi mumkin.
Piksel o'lchami va to'ldirish omili
Kattaroq piksellar ko'proq fotonlarni to'playdi, bu signalni va shuning uchun SNRni oshiradi.
Kvant samaradorligi (QE)
Yuqori QE ko'proq kiruvchi fotonlar elektronga aylantirilib, SNRni yaxshilaydi.
Himoyasizlik vaqti
Uzoqroq ta'sir qilish ko'proq fotonlarni to'playdi, signalni oshiradi, lekin qorong'u oqim shovqinini ham oshirishi mumkin.
Sovutish tizimlari
Sovutish qorong'u oqimni kamaytiradi, uzoq vaqt davomida ta'sir qilish uchun SNRni sezilarli darajada yaxshilaydi.
Optika va yoritish
Yuqori sifatli linzalar va barqaror yorug'lik signalni maksimal darajada ushlab turish va o'zgaruvchanlikni minimallashtiradi.
Turli tepalikdagi SNR qiymatlariga misollar
Rasmda PSNR ko'pincha piksellar to'yinganligiga nisbatan nazariy maksimalga ishora qiladi. Tasvirlash ob'ektlari, tasvirlash sharoitlari va kamera texnologiyasidagi farqlarga qaramay, an'anaviy ilmiy kameralar uchun signal-shovqin nisbati bir xil bo'lgan tasvirlar o'xshashliklarga ega bo'lishi mumkin. "Dondorlik" darajasi, kadrdan kadrga o'zgarishi va ma'lum darajada kontrast, bu turli xil sharoitlarda o'xshash bo'lishi mumkin. Shuning uchun, SNR qiymatlari va ular nazarda tutadigan turli shartlar va qiyinchiliklar haqida, masalan, jadvalda ko'rsatilgan tasvirlardan tushunish mumkin.
ESLATMA: Har bir qator uchun fotoelektronlardagi eng yuqori signal qiymatlari ko'k rangda berilgan. Barcha tasvirlar eng yorqin va eng quyuq piksellarning 0,35% hisobga olinmagan (to'yingan) avtomatik gistogramma masshtabli bilan ko'rsatiladi. Chapdagi ikkita rasm ustuni: tasvir sinovi maqsadini linzaga asoslangan tasvirlash. O'ngdagi to'rtta ustun: 10x mikroskop ob'ektivi bilan floresansda olingan Askaris. Pastki SNR da piksel qiymatlarining kadrdan ramkaga o'zgarishini ko'rsatish uchun ketma-ket uchta freym taqdim etiladi.
Sinov nishonining linzaga asoslangan tasviri va floresan mikroskopiya tasviri, shuningdek, 3 ta ketma-ket kadr ichidagi o'zgarishlarni ko'rsatadigan lyuminestsent tasvirning kattalashtirilgan ko'rinishi ko'rsatiladi. Har bir signal darajasidagi eng yuqori fotoelektron soni ham berilgan.
Quyidagi rasmda ma'lumot uchun ushbu misol tasvirlarining to'liq versiyalari ko'rsatilgan.
Signal-shovqin nisbati misollar jadvali uchun ishlatiladigan to'liq o'lchamli tasvirlar
Chapga: Ob'ektiv bilan suratga olingan tasvirni sinab ko'rish maqsadi.
To'g'ri: 10x kattalashtirishda lyuminestsent mikroskop bilan ko'rilgan Ascaris nematodasi qurt qismi namunasi.
Ilovalarda SNR
SNR turli sohalarda muhim vazifa hisoblanadi:
● Mikroskopiya – biologik namunalardagi zaif floresansiyani aniqlash noto'g'ri negativlardan qochish uchun yuqori SNRni talab qiladi.
● Astronomiya – uzoqdagi galaktikalar yoki ekzosayyoralarni aniqlash uchun minimal shovqin bilan uzoq muddatli ekspozitsiya talab qilinadi.
● Spektroskopiya - Yuqori SNR kimyoviy tahlilda eng yuqori intensivlik o'lchovlarini aniq ta'minlaydi.
● Sanoat tekshiruvi - kam yorug'likli yig'ish liniyalarida yuqori SNR nuqsonlarni ishonchli aniqlashga yordam beradi.
To'g'ri SNR bilan ilmiy kamerani tanlash
Yangi ilmiy kamerani baholashda:
●SNR spetsifikatsiyalarini tekshiring– Ilovangizga o'xshash sharoitlarda dB qiymatlarini solishtiring.
●Boshqa ko'rsatkichlarni muvozanatlash– Kvant samaradorligi, dinamik diapazon va kadrlar tezligini hisobga oling.
●Foydalanish uchun texnologiyani moslash– Yuqori tezlikdagi dinamik sahnalar uchun sCMOS kamera ideal bo‘lishi mumkin; ultra past nurli statik ob'ektlar uchun sovutilgan CCD yoki EMCCD yaxshiroq ishlashi mumkin.
●Ish jarayoni samaradorligi uchun ulanish– SNR ga bevosita taʼsir qilmasa ham, HDMI chiqishi kabi funksiyalar real vaqtda tasvirni koʻrib chiqish imkonini beradi, bu esa olish sozlamalari kerakli SNRga erishganini tezda tekshirishga yordam beradi.
Xulosa
Signal-to-Shovqin nisbati (SNR) ilmiy tasvirlarning ravshanligi va ishonchliligiga bevosita ta'sir qiluvchi asosiy ishlash ko'rsatkichidir. SNR qanday aniqlanganligini, unga ta'sir etuvchi omillarni va turli SNR qiymatlarining oqibatlarini tushunish tadqiqotchilar va texnik foydalanuvchilarga tasvirlash tizimlarini yanada samaraliroq baholash imkonini beradi. Ushbu bilimlarni qo'llash orqali - yangisini tanlashdailmiy kamerayoki mavjud sozlamani optimallashtirish - tasvirlash ish jarayoni sizning maxsus ilovangiz uchun zarur bo'lgan aniqlik darajasi bilan ma'lumotlarni yozib olishiga ishonch hosil qilishingiz mumkin.
Tez-tez so'raladigan savollar
Ilmiy kameralar uchun "yaxshi" SNR nima deb hisoblanadi?
Ideal SNR ilovaga bog'liq. Flüoresan mikroskopiya yoki astronomiya kabi yuqori talabchan, miqdoriy ishlar uchun odatda 40 dB dan yuqori SNR tavsiya etiladi, chunki u minimal ko'rinadigan shovqin bilan tasvirlarni ishlab chiqaradi va nozik tafsilotlarni saqlaydi. Umumiy laboratoriya yoki sanoat tekshiruvi uchun 35-40 dB etarli bo'lishi mumkin. 30 dB dan past bo'lgan har qanday narsa odatda ko'rinadigan donni ko'rsatadi va ayniqsa past kontrastli vaziyatlarda aniqlikni buzishi mumkin.
Kvant samaradorligi (QE) SNRga qanday ta'sir qiladi?
Kvant samaradorligi sensorning kiruvchi fotonlarni elektronlarga qanchalik samarali aylantirishini o'lchaydi. Yuqori QE SNR tenglamasidagi numeratorni kuchaytiradigan mavjud yorug'likning ko'proq signal sifatida olinishini anglatadi. Bu, ayniqsa, har bir foton muhim bo'lgan kam yorug'lik stsenariylarida juda muhimdir. Misol uchun, QE 80% bo'lgan sCMOS kamerasi 50% QE bo'lgan sensorga nisbatan bir xil sharoitlarda yuqori SNRga erishadi, chunki u ko'proq foydali signalni oladi.
SNR va kontrastdan shovqin nisbati (CNR) o'rtasidagi farq nima?
SNR shovqinga nisbatan umumiy signal kuchini o'lchagan bo'lsa-da, CNR uning fonida ma'lum bir xususiyatning ko'rinishiga e'tibor beradi. Ilmiy tasvirlashda ikkalasi ham muhim: SNR sizga tasvirning qanchalik "toza" ekanligini ko'rsatadi, CNR esa ma'lum bir qiziqish ob'ekti aniqlash yoki o'lchash uchun etarlicha ajralib turishini aniqlaydi.
Qo'shimcha ma'lumot olishni xohlaysizmi? Tegishli maqolalarni ko'rib chiqing:
Ilmiy kameralarda kvant samaradorligi: yangi boshlanuvchilar uchun qo'llanma
Tucsen Photonics Co., Ltd. Barcha huquqlar himoyalangan. Iqtibos keltirayotganda manbani ko'rsating:www.tucsen.com
